RT

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Einleitung

1970 war ein turbulentes Jahr an Hochschulen in den gesamten Vereinigten Staaten. Etwa zur gleichen Zeit liefen in den Laboren von David Baltimore am MIT und Howard Temin an der UW Experimente, die das noch junge Gebiet der eukaryotischen Molekularbiologie nachhaltig prägen sollten. Sie berichteten zudem über die RNA-abhängige DNA-Polymerase (bald darauf in Reverse Transkriptase, RT, umbenannt) – eine Entdeckung, die später die Forschung zur viralen Replikation, zur genetischen Grundlage von Krebs und zu den Mechanismen der eukaryotischen Genexpression beeinflusste und ein unverzichtbares Werkzeug für die Entwicklung der Biotechnologie bereitstellte, die zu jener Zeit noch vergleichsweise wenig fortgeschritten war. Bemerkenswerterweise führte die Entdeckung der RT zu erheblichen Fördermitteln für die Krebsforschung, insbesondere für die Virologie, was den Weg für die Identifizierung neuer, bedeutender humanpathogener Erreger ebnete, wie etwa der humanen T‑Zell‑Leukämieviren (HTLV) und des humanen Immundefizienzvirus (HIV).

Abbildung 1. Strukturen repräsentativer Reverser Transkriptasen (RTs) (Martín-Alonso, S.; et al. 2020)

Geschichte der Retroviren

Die aviäre Leukose (tatsächlich Leukämie) wurde 1907 entdeckt – als erste Malignome, die durch filtrierte Extrakte (d. h. Viren) übertragbar waren. Peyton Rous erhielt den Nobelpreis für seine Arbeiten zur Entdeckung des Rous-Sarkom-Virus (RSV) im Jahr 1911. Weitere Viren, die im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert entdeckt wurden und mit anderen Erkrankungen – darunter neurologische Störungen, Immundefizienz, Kachexie und Anämie – in Verbindung standen, erwiesen sich ebenfalls als Retroviren. Die experimentellen Möglichkeiten waren damals begrenzt, doch frühe Tierstudien lieferten wichtige Beobachtungen, etwa die Darstellung von Viruspartikeln mittels Elektronenmikroskopie.

Die Unterschiede zwischen den beiden Typen von RNA-Tumorviren (wie sie damals bezeichnet wurden) wurden schrittweise aufgeklärt. Der erste Typ wird heute als akut transformierendes Virus bezeichnet, repräsentiert durch aviäre und murine Sarkomviren. Diese Viren lösen die Tumorbildung in relativ kurzer Zeit aus und führen in der Regel innerhalb von ein bis zwei Wochen zum Tod des Wirts. Der andere Typ, als nicht-akutes Virus bezeichnet, benötigt länger, um eine Erkrankung zu verursachen – meist Leukämie oder Lymphom.

Die 1950er- und 1960er-Jahre waren das goldene Zeitalter der Molekularbiologie, in dem die Doppelhelixstruktur der DNA entdeckt und zahlreiche äußerst einfache, zugleich aber leistungsfähige Methoden entwickelt wurden. In Kombination mit den Werkzeugen der Nukleinsäurechemie ermöglichten diese Methoden ein grundlegendes Verständnis der Genstruktur, ihrer Regulationsmechanismen und der Art und Weise, wie genetische Information exprimiert wird. Nahezu alle diese Entdeckungen resultierten aus Studien an Bakterien und führten zum zentralen Dogma der Molekularbiologie – dass die genetische Information einer Zelle in Form von DNA kodiert und gespeichert ist und irreversibel zu RNA und anschließend zu Proteinen fließt. Zweitens galt die grundlegende Einheit der Biologie; „was für E. coli gilt, gilt auch für den Elefanten“ war damals ein Leitspruch. Beide zu jener Zeit vertretenen Überzeugungen änderten sich jedoch Mitte der 1970er-Jahre abrupt.

Reverse Transkriptase bei der Entdeckung von Onkogenen

Die retrovirale RT spielt eine wichtige Rolle bei der Entdeckung von Onkogenen. Das Vorhandensein von RT in Virionen kann genutzt werden, um molekulare Sonden für virusassoziierte Sequenzen herzustellen, die zur Überwachung der viralen Replikation geeignet sind. In RT-Reaktionen (Replikation nativer viraler RNA in Virionen oder Umschreiben von mRNA mit gereinigter RT) beeinträchtigt Actinomycin D die DNA-Synthese von RNA-Matrizen nicht, verhindert jedoch die DNA-Replikation. Daher ist in Anwesenheit von Actinomycin D das entstehende Produkt einzelsträngige DNA, die komplementär zur RNA-Matrize ist; in Abwesenheit von Actinomycin D ist das Endprodukt doppelsträngige DNA. Auf diese Weise hergestellte Sonden wurden bereits Tage vor der Etablierung des molekularen Klonierens eingesetzt, um den zellulären Ursprung viraler Onkogene zu identifizieren.

Reverse Transkriptase und Telomerase

Francis Crick verfasste damals eine Übersichtsarbeit, in der er feststellte, dass die Aktivitäten der RT nicht wirklich im Widerspruch zum zentralen Dogma stünden. RT wurde zunächst als virales Enzym angesehen, das ausschließlich in Retroviren und Pararetroviren vorkommt; später wurde erkannt, dass die Reverse Transkription die Grundlage der zellulären Telomerase bildet. Telomerase ist ein Multiproteinkomplex, der für die Aufrechterhaltung der Chromosomenenden (Telomere) verantwortlich ist, indem er Tandemkopien hexanukleotidischer Wiederholungen erzeugt. Die Schlüsselkomponenten der Telomerase sind die Telomerase-Reverse-Transkriptase (TERT) und die Telomerase-RNA. Telomerase erzeugt telomerische Wiederholungen, indem sie den Folgestrang der telomerischen DNA zyklisch jeweils um 6 Nukleotide verlängert, wobei TERT die Telomerase-RNA als Matrize nutzt. Damit sind grundlegende zelluläre Prozesse durchgängig mit der Nutzung von RT verbunden. Es ist möglich, dass zelluläre RTs ursprünglich von viralen RTs abgeleitet wurden – und umgekehrt.