Erster Schnappschuss eines Retrotransposons in Aktion

Zum ersten Mal ist es Wissenschaftler*innen gelungen, ein Retrotransposon – ein ​„springendes Gen“ – innerhalb der Zelle eines komplexen Organismus sichtbar zu machen. Mithilfe modernster Kryo-Elektronentomographie (Kryo-ET) gelang dieser Durchbruch mit sub-nanometergenauer Auflösung. Die heute in Cell veröffentlichte Studie zeigt, wie das Retrotransposon copia seinen Replikationszyklus durchläuft und über die Kernporen in den Zellkern gelangt. Die Arbeit entstand in Zusammenarbeit von Sven Klumpe, der demnächst als Joint Fellow von IMP und IMBA eine eigene Forschungsgruppe aufbauen wird und derzeit am MPI für Biochemie in Martinsried tätig ist, sowie unter anderem der Gruppe von Julius Brennecke am IMBA.

In unseren Zellen tobt ein Wettrüsten: Transposons – auch bekannt als springende Gene oder mobile genetische Elemente – können sich im Genom vervielfältigen und wiedereinfügen. Dadurch gefährden sie die Integrität des Erbguts, indem sie DNA-Rearrangements und Mutationen auslösen. Im Gegenzug schützen Zellen ihr Genom durch komplexe Abwehrmechanismen, die Transposons am Springen hindern. Nun konnte erstmals ein Retrotransposon direkt in einer Zelle ​„in Aktion“ beobachtet werden: Durch die Verfeinerung von Kryo-ET-Techniken visualisierten Wissenschaftler*innen das Retrotransposon copia in den Eierstöcken der Fruchtfliege Drosophila melanogaster mit sub-nanometergenauer Auflösung. 

Zum internationalen Team verantwortlich für diese Arbeit gehören auch drei Forscher mit Verbindung zum Vienna BioCenter: Sven Klumpe, derzeit im Labor von Jürgen Plitzko am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried, er wird als Joint Fellow am IMBA und IMP eine Forschungsgruppe aufbauen; Julius Brennecke, Senior Group Leader am IMBA; und Kirsten Senti, Staff Scientist in der Brennecke-Gruppe. Ebenfalls beteiligt ist die Gruppe von Martin Beck am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt. Die Arbeit erscheint am 5. März in der Fachzeitschrift Cell. Die Kryo-Elektronentomographie ist eine Bildgebungstechnik, mit der zelluläre Strukturen dreidimensional auf molekularer Ebene sichtbar gemacht werden können. Dabei werden Serien von 2D-Aufnahmen aus verschiedenen Winkeln aufgenommen und zu einem detaillierten 3D-Modell zusammengesetzt. Kryo-ET ermöglicht einzigartige Einblicke in die Ultrastruktur von Zellen. Bisher wurde die Methode allerdings vor allem für einzellige Organismen genutzt, da die Proben für die Kryo-ET durch schnelles Gefrieren – ​„Vitrifizierung“ – vor der Bildung von Eiskristallen geschützt werden müssen. Mehrzellige Gewebe erfordern dazu Hochdruckgefrieren und sind oft zu dick für Standardmethoden der Kryo-ET-Präparation. 

In der neuen Studie nutzten die Forscher*innen ​„Cryo-Lift-out“, eine Technik, mit der komplexe Gewebe für Kryo-ET präpariert werden können. Dabei kommen fokussierte Ionenstrahlen und präzise Mikromanipulationen unter kryogenen Bedingungen zum Einsatz. Indem sie diese Methode auf die Eierstöcke von Drosophila melanogaster und daraus isolierte Zellen anwendeten, rekonstruierten die Forscher*innen die Kapsidstruktur des Retrotransposons copia mit einer Auflösung von 7,7 Å– die erste Struktur eines Retrotransposons mit sub-nanometergenauer Auflösung in seiner natürlichen zellulären Umgebung. 

Dank aktueller Fortschritte in der KI-gestützten Strukturanalyse erstellte das Team mithilfe von AlphaFold 2 ein integratives Modell des Kapsid. Darauf aufbauend entwickelten sie strukturgeleitete Experimente. Dabei zeigte sich, dass sich das Kapsid des copia-Retrotransposons ähnlich wie das reife HIV-1-Kapsid faltet – was frühere Beobachtungen mit gereinigten Proben bestätigt. 

Klumpe und Kolleg*innen gelang es zudem, Momentaufnahmen des Replikationszyklus von copia in intakten Eikammern einzufangen. Ähnlich wie Retroviren werden Retrotransposons vom Genom transkribiert, die Transkripte ins Zytoplasma exportiert und dort in Virus-ähnliche Partikel übersetzt, wo schließlich ihr RNA-Genom revers transkribiert wird. Ein zentrales Rätsel der Retrotransposon-Forschung ist jedoch, wie Retrotransposons zurück in den Zellkern gelangen, wo sie sich wiederum ins Genom einzufügen.

Die Analyse der copia-Kapside in Zellen zeigte, dass sich virale Partikel im Zytoplasma in unmittelbarer Nähe der Kernporen befinden, die das Zytoplasma mit dem Zellkern verbinden. Ähnlich wie das evolutionär verwandte HIV‑1 scheint copia als intaktes Partikel durch die Kernporen in den Zellkern zu passieren. Hier fungiert der Kernporenkomplex offenbar als molekulares Sieb: Nur Partikel einer bestimmten Größe gelangen hinein. Störungen des aktiven Transports durch genetische Manipulation führten dazu, dass copia-Partikel im Zytoplasma verblieben. 

Obwohl viele Retrotransposons im Genom von Drosophila vorkommen, ist copia das mit Abstand am häufigsten exprimierte. Frühere Arbeiten zeigten, dass copia vor allem auf die männliche Keimbahn abzielt. Die neue Studie untersuchte auch, wie das System zur Transposon-Unterdrückung bei Drosophila, der sogenannte piRNA-Weg, copia unterdrückt. In den Hoden der Fruchtfliege fanden sich besonders viele Antisense-piRNAs gegen copia. In Fruchtfliegen mit inaktiviertem piRNA-Weg, in denen Transposons ungehindert exprimiert werden, fanden die Forschenden copia in weiblichen Fliegen vor allem in Keimbahnkernen, die später nicht ins Erbmaterial der Eizelle eingehen und programmiert absterben. In männlichen Fliegen hingegen wandern copia-Retrotransposons während der Spermatogenese vom Zytoplasma in den Zellkern der Keimzelle – ein Hinweis darauf, dass der Eintritt in den Zellkern ein essenzieller Schritt des Replikationszyklus ist, angepasst an die Nische von copia: die männlichen Hoden.

„Transposons galten lange als Junk-DNA, haben aber weitreichende Auswirkungen auf die Biologie und Evolution ihrer Wirtsorganismen. Unsere Studie zeigt das Potenzial der Kryo-ET, um die zelluläre Strukturbiologie von Transposons zu erforschen und tiefere Einblicke in die zellbiologischen Mechanismen ihrer Replikationszyklen zu gewinnen“, sagt Klumpe. Julius Brennecke, Senior Group Leader am IMBA, blickt bereits gespannt auf neue Möglichkeiten durch Klumpes Wechsel ans IMBA und IMP: ​„Die Kryo-Elektronentomographie lässt sich auf viele Fragestellungen anwenden, und Sven werden sich am Vienna BioCenter zahlreiche Möglichkeiten für Kooperationen bieten.“

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