Die Bedeutung der Ribonukleinsäure (RNA) ergibt sich nicht nur aus ihrer Funktion als Vermittler zwischen DNA und Proteinen, sondern auch aus ihrer Rolle bei der Genregulation, in der Entwicklungsbiologie und bei Krankheiten. Viele Eigenschaften der RNA beruhen auf ihrer Fähigkeit, chemische Modifikationen vorzunehmen, die ihre Stabilität und Funktion beeinflussen. In der Grundlagenforschung ist RNA ein wertvolles Werkzeug, um zelluläre Mechanismen und molekulare Signalwege zu untersuchen und zu verstehen.
In der Medizin wird RNA für Impfungen und therapeutische Ansätze eingesetzt. RNA-basierte Impfstoffe, wie jener gegen das Coronavirus, nutzen die Fähigkeit des Moleküls, antigene Proteine zu kodieren und so Immunreaktionen gegen Krankheitserreger auszulösen. Ebenso bieten RNA-Therapeutika einen gezielten Ansatz zur Behandlung von Krankheiten durch Modulation der Genexpression. Im Labor wird RNA in der Regel durch In-vitro-Transkription (IVT) hergestellt, bei der sie mit Hilfe von RNA-Polymerasen aus DNA-Templates produziert wird. Die IVT ist insbesondere für lange RNAs (>200 Nukleotide) die Methode der Wahl. Für kurze RNAs (<100 Nukleotide) hat sich die chemische Synthese als präzise Methode zur Herstellung von RNA-Sequenzen und -Strukturen durchgesetzt, die den ortsspezifischen Einbau von (natürlichen oder künstlichen) Modifikationen erlaubt.
Überblick zu den jüngsten Entwicklungen
In Innsbruck haben sich das Team um Ronald Micura am Institut für Organische Chemie als eine der weltweit führenden Forschungsgruppen auf dem Gebiet der chemischen RNA-Synthese hervorgetan und ist Teil des FWF-Spezialforschungsbereichs RNA-Deco. In einem kürzlich erschienen Überblicksartikel in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie International Edition erörtern sie die jüngsten Entwicklungen auf diesem Gebiet und beginnen mit neuen Schutzkonzepten im Rahmen der laufenden Bemühungen, die derzeitigen Größenbeschränkungen zu überwinden.
Weiter geht es mit ausgewählten Modifikationen, die für ihren Einbau in RNA eine große Herausforderung darstellen. Dazu gehören Deazapurin-Nucleoside, die für die atomare Mutagenese zur Aufklärung mechanistischer Aspekte katalytischer RNAs benötigt werden, sowie RNA, die Xanthosin-, Acetylcytidin-, 5-Hydroxymethylcytidin-, 3-Methylcytidin-, 2'-Trifluormethoxy- und 2'-Azido-Ribose-Modifikationen enthält. Vorgestellt werden auch die neuesten Fortschritte zur rein chemischen Synthese von 5'-gekappten mRNAs und die enzymatische Ligation von chemisch synthetisierten Oligoribonukleotiden, um lange RNA mit mehreren unterschiedlichen Modifikationen zu erhalten, wie sie für Einzelmolekül-Fluoreszenz(FRET)-Studien benötigt werden. Schließlich zeigen die Autoren vielversprechende Entwicklungen bei der RNA-katalysierten RNA-Modifikation unter Verwendung von Cofaktoren auf, die bioorthogonale Funktionalitäten übertragen.
Die im Artikel beschriebenen RNA-Forschungsergebnisse aus der Gruppe um Ronald Micura wurden unter anderem durch den Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, den Schwerpunkt Centrum für Molekulare Biowissenschaften (CMBI) der Universität Innsbruck und die Forschungsförderungsgesellschaft FFG gefördert.
Publikation: Chemical Synthesis of Modified RNA. Laurin Flemmich, Raphael Bereiter, and Ronald Micura. Angew. Chem. Int. Ed. (2024) DOI: 10.1002/anie.202403063