Nanopore t(our)RNAment - Entschlüsselung von tRNA-Modifikationslandschaften und -netzwerken

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Christoph Dieterich; Professorin Dr. Ann Elizabeth Ehrenhofer-Murray
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 572737469

Transfer-RNAs (tRNAs) spielen eine zentrale Rolle bei der Proteinsynthese, indem sie mRNA-Codons entschlüsseln und die entsprechenden Aminosäuren zum Ribosom transportieren. Ihre Funktion hängt maßgeblich von chemischen Modifikationen ab, die Einfluss auf die Faltung, Stabilität, Aminoacylierung sowie die Codon-Anticodon-Erkennung der tRNAs nehmen. Bisher wurden über 150 verschiedene Modifikationen identifiziert, wobei jede tRNA typischerweise an 5–15 Positionen modifiziert ist. Diese Modifikationen reichen von einfachen chemischen Veränderungen (z. B. Methylierung, Desaminierung) bis hin zu komplexen enzymatischen Prozessen (z. B. Queuosin, mcm5S2U). Die meisten dieser Modifikationen sind evolutionär konserviert, was ihre grundlegende Bedeutung für lebende Organismen unterstreicht. Erkrankungen, die durch fehlerhafte tRNA-Modifikationen verursacht werden, werden als „tRNA-Modopathien“ bezeichnet. Die Erforschung von tRNA-Modifikationen und der daran beteiligten Enzyme ist entscheidend für das Verständnis dieser Krankheiten. Bis heute wurden 54 solcher Enzyme und ihrer Partner mit menschlichen Erkrankungen in Verbindung gebracht, darunter neurologische Störungen, Nierenerkrankungen, mitochondriale Erkrankungen und Krebs. Beispielsweise tragen mitochondriale tRNA-Mutationen zu den MELAS- und MERRF-Syndromen bei. Mutationen im Gen NSUN2, das für eine tRNA-Methyltransferase für m⁵C codiert, verursachen geistige Behinderung und Mikrozephalie. Darüber hinaus besitzen modifizierte Suppressor-tRNAs therapeutisches Potenzial zur Korrektur pathogener Nonsense-Mutationen. Daher ist die Analyse von tRNA-Modifikationen entscheidend für das Verständnis und die Behandlung verschiedenster menschlicher Erkrankungen. Ziel dieses Projekts ist es, ein transkriptomweites Bild der tRNA-Modifikationslandschaft in den Modellorganismen Schizosaccharomyces pombe sowie in menschlichen Zellen (HCT116 und hIPSC) zu erhalten. Methodisch erfolgt dies durch direkte RNA-Sequenzierung von tRNAs ex cellulo mittels Oxford Nanopore Technology (ONT). Wir und andere haben gezeigt, dass neben den Standardbasen (G, A, U, C) auch modifizierte Nukleoside zuverlässig mit Nanopore-Technologie detektiert werden können. In Ermangelung spezialisierter Software zur Modifikationserkennung erfolgt dies durch die Nutzung der ONT-Basecalling-Software unter Auswertung der Stromsignalverläufe. Der Vergleich von Fehlerprofilen zwischen modifizierten und unmodifizierten tRNAs bzw. die Anomaliedetektion in den Stromsignalspuren erlaubt die Identifikation von Positionen mit veränderten Eigenschaften (z. B. in KO vs. WT-Proben), was als Hinweis auf Modifikationsunterschiede interpretiert wird. Damit können nicht nur Modifikationen selbst erkannt werden, sondern auch deren gegenseitige Wechselwirkungen. Wir werden diese Strategie auf transkriptomweiter Ebene einsetzen, um tRNA-Modifikationsnetzwerke aufzuklären. Dabei betrachten wir das gesamte tRNA Repertoire.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen