Struktur, Funktion und Optoribogenetik RNA-bindender Blaulicht-Rezeptoren

• Antragsteller: Professor Dr. Günter Mayer; Professor Dr. Andreas Möglich
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 522261769

Sensorische Photorezeptoren vermitteln essentielle licht-abhängige Anpassungen organismischer Physiologie, Eigenschaften, Entwicklung und Verhaltens. Gleichzeitig fungieren sie als Lichtschalter in der Optogenetik und ermöglichen die räumlich-zeitlich genaue und reversible Kontrolle zellulärer Prozesse und Zustands. Obwohl vielfältige Prozesse optogenetisch gesteuert werden können, war bis kürzlich kein Photorezeptor bekannt, welcher licht-abhängig mit RNA interagiert. Wir haben unlängst diese Lücke geschlossen durch die Identifikation des RNA-bindenden light-oxygen-voltage (LOV) Rezeptors PAL aus Nakamurella multipartita. Nach Blaulicht-Absorption bindet PAL mit nanomolarer Affinität und hoher Sequenzspezifität kleine RNA-Haarnadelschleifen. Hierdurch werden gänzlich neuartige optogenetische Anwendungen ermöglicht, die als Optoribogenetik bezeichnet werden. In dem aktuellen, kooperativen Projekt planen wir die strukturellen und mechanistischen Grundlagen der licht-aktivierten RNA-Bindung in PAL und zwei kürzlich entdeckten Homologen aus Nakamurella deserti zu entschlüsseln. Diese Untersuchungen werden nicht bloß für optoribogenetische Anwendungen von entscheidender Bedeutung sein, sondern auch fundamentale Einblicke in licht-abhängige Allosterie und signal-gesteuerte RNA:Protein Interaktionen erbringen. Durch Verwendung von SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment) werden RNA-Moleküle entwickelt, welche hoch-affin und spezifisch entweder den dunkel- oder licht-adaptierten Zustand eines der PAL-Rezeptoren binden. Diese Erkenntnisse dienen der Entwicklung und Anwendung neuartige optoribogenetischer Strategien zur licht-abhängigen Regulation von Genexpression in Bakterien, Säugerzellen und Drosophila melanogaster. Da PAL auf RNA-Ebene agiert, ergeben sich wenigstens zwei grundlegende Vorteile. Erstens steht zu erwarten, daß sich durch PAL ausgelöste Antworten schneller einstellen und wieder abklingen als dies für transkriptionelle Regulationsmechanismen der Fall ist. Zweitens ist die licht-abhängige PAL:RNA Interaktion trefflich zur Kombination und Integration mit genetischen Schaltkreisen (durch Licht regulierte oder andere) geeignet, um zelluläre Abläufe immer vielseitiger und mit besserer Kontrolle zu beeinflussen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen