RNA – ein Biomolekül mit vielen Aufgaben

Das Erbgut erzeugt verschiedene Arten von RNA-Molekülen. Einige sind an der Herstellung von Proteinen beteiligt, andere regulieren die Aktivität von Genen. Oft ist ihre Funktion jedoch noch unbekannt.

7. Mai 2026

Neue Rolle der RNA

Die DNA dient als Speichermedium für die Erbinformation – damit ist ihre Funktion im Wesentlichen beschrieben. Doch was macht das Schwestermolekül der DNA, die RNA? Die Antwort auf diese Frage ist deutlich vielschichtiger.

Aus dem Schulunterricht kennen viele vielleicht noch drei Arten von RNA, die schon seit Jahrzehnten bekannt sind: Boten-, Transfer- und ribosomale RNA ermöglichen die Herstellung von Proteinen.

Andere Formen der RNA wurden erst in den letzten Jahren entdeckt. Manche bestehen aus kaum mehr als 20 RNA-Bausteinen, andere hingegen aus bis zu 20 000. Eines haben sie jedoch gemeinsam: Sie tragen nicht direkt zur Herstellung von Proteinen bei. Forscher bezeichnen sie daher als non-coding oder ncRNAs.

Die unterschiedlichen Formen erfüllen meist auch unterschiedliche Aufgaben. RNA-Moleküle können Informationen nicht nur speichern und übermitteln. Einige von ihnen haben auch die Fähigkeit, wie ein Enzym zu wirken und den Stoffwechsel voranzutreiben. Manche Forscher glauben sogar, dass RNA-Moleküle den Ursprung des Lebens bildeten. Ihrer Meinung nach war die Erde anfangs noch eine „RNA-Welt‟.

Inhalte

• Boten-RNA...
• Transfer-RNA...
• Ribosomale RNA...
• small non-coding RNA...
• long non-coding RNA...
• zirkuläre RNA...
• ncRNA und Peptide...
• RNA-Welt...

 

1. Drei Arten von RNA erzeugen Proteine

Bereits 1958 formulierte der englische Forscher Francis Crick das „Zentrale Dogma der Molekularbiologie‟. Diese Hypothese besagt, dass die Erbinformation von der DNA über die RNA zu den Proteinen fließt. Nur wenige Jahre später lieferten andere Forscher den Beweis dafür. Seither ist klar, dass jedes Lebewesen auf die RNA angewiesen ist, um Proteine herzustellen.

1.1 Boten-RNA übermitteln die Erbinformation

Am Anfang der Proteinherstellung steht die „Transkription‟: Die Erbinformation wird von der DNA auf die RNA umgeschrieben. Dabei entsteht eine Boten-RNA (messenger RNA oder mRNA). Die Information wandert also von dem sehr großen und langlebigen DNA-Molekül zu einem vergleichsweise kleinen und kurzlebigen mRNA-Molekül.

Das hat mehrere Konsequenzen. So kann die kleine mRNA nun aus dem Zellkern in das Zytoplasma der Zelle gelangen, wo die Herstellung der Proteine erfolgt. Da die mRNA zudem meist nach wenigen Stunden wieder abgebaut wird, kann die Aktivität der Gene besser kontrolliert werden.

Weiterhin erlaubt es die mRNA, die Erbinformation neu zu kombinieren. Gene enthalten in der Regel zwei unterschiedliche Bereiche: Der genetische Code findet sich in den Exons, die von eingeschobenen Sequenzen oder Introns eingeschlossen werden. Bei der Transkription werden die Introns herausgeschnitten und die Exons neu zusammengefügt1.

Oft gibt es mehrere Möglichkeiten, die Exons zusammenzufügen. Die entstehenden Proteine haben dann auch unterschiedliche Eigenschaften. Forscher schätzen, dass aus den etwa 20 000 bekannten menschlichen Genen über 200 000 verschiedene mRNA-Moleküle entstehen2.

DNA und RNA im Vergleich

1.2 Transfer-RNA transportiert die Bausteine der Proteine

Die mRNA enthält den genetischen Code, der die Bauanleitung für Proteine darstellt. Jeweils drei RNA-Bausteine – Codons genannt – stehen dabei für eine der zwanzig Aminosäuren. Als Brücke zwischen Code und Aminosäure dient die Transfer-RNA (tRNA).

Die tRNA hat eine charakteristische Form, die oft mit einem Kleeblatt verglichen wird. Mit weniger als 100 RNA-Bausteinen ist sie auch ein eher kleines Molekül. Ein Ende der tRNA enthält ein Anticodon, also das passende Gegenstück des Codons auf der mRNA. An einem anderen Ende ist die entsprechende Aminosäure befestigt3.

Die Abfolge der Codons auf der mRNA bestimmt, an welcher Stelle die tRNAs an die mRNA andocken. Damit wird auch die Abfolge der Aminosäuren in der Protein-Sequenz festgelegt.

Obwohl es nur 20 Aminosäuren und 64 unterschiedliche Codons gibt, finden sich im menschlichen Erbgut etwa 600 Gene für tRNAs.

1.3 Ribosomale RNA setzt Proteine zusammen

Ein Protein entsteht, wenn 100 oder mehr Aminosäuren zu einer Kette verknüpft werden. Für diese Verknüpfung sind die Ribosomen zuständig. Menschliche Ribosomen sind komplizierte Gebilde: Sie bestehen aus vier verschiedenen RNA-Molekülen und enthalten insgesamt 7181 RNA-Bausteine. Zur Unterstützung der ribosomalen RNA dienen zusätzlich noch 80 verschiedene Proteine4.

Sehr aktive Zellen enthalten Millionen von Ribosomen, um die notwendige Menge an Proteinen zu erzeugen. Ribosomen sind dabei mehr als nur der Ort, an dem mRNA und tRNA zusammenkommen. Die ribosomale RNA verfügt über eine enzymatische Aktivität, die die einzelnen Aminosäuren zu einer Protein-Kette zusammenfügt. In Anlehnung an die Enzyme (die aus Proteinen bestehen) werden diese katalytischenRNA-Moleküle auch als Ribozyme bezeichnet.

2. Nicht-codierende RNAs – die Funktion ist meist noch unklar

Im Jahr 2012 fanden Forscher des ENCODE-Projekts Hinweise darauf, dass bis zu 80 Prozent des Erbguts für die Herstellung von RNA dient. Der überwiegende Anteil dieser RNA-Moleküle enthält nicht den genetischen Code, der für die Proteinherstellung benötigt wird.

Die Funktion dieser nicht-codierenden oder ncRNA bleibt oft noch unklar. Es ist möglich, dass viele nur ein Zufallsprodukt sind und keinen biologischen Zweck erfüllen. Doch vor allem für kleine ncRNAs konnten Forscher nachweisen, dass sie einen Einfluss auf die Genaktivität haben5.

2.1 Kleine RNA-Moleküle regulieren die Genaktivität

RNA-Varianten, die weniger als 200 RNA-Bausteine aufweisen, werden in der Regel zu den small non-coding RNAs (sncRNAs) gezählt. Im menschlichen Erbgut finden sich über 7500 sncRNA-Gene.

Forscher kennen viele verschiedene Arten von sncRNA. Einige davon regulieren die Aktivität von Genen, indem sie gezielt den Abbau der entsprechenden mRNA beschleunigen. Dazu zählen vor allem6:

• Micro RNA (miRNA) bestehen aus etwa 20 bis 24 Bausteinen. Sie können direkt an die mRNA binden und deren Abbau auslösen.
• Small interfering RNA (siRNA) bestehen aus etwa 21 bis 25 Bausteinen. Sie bilden zusammen mit Enzymen einen größeren Komplex, der als RISC bezeichnet wird und gezielt mRNAs abbauen kann.

• PIWI-interacting RNA

  (piRNA) bestehen aus 26 bis 31 Bausteinen und kommen vor allem in Keimzellen vor. Zusammen mit den sogenannte Piwi-Proteinen sorgen sie vor allem dafür, die Aktivität bestimmter genetischer Elemente (Transposons) zu unterdrücken.

Andere scRNAs unterstützen die Reifung von RNA-Molekülen, die für die Proteinherstellung benötigt werden:

• Small nucleolar RNA (snoRNA) bestehen aus 65 bis 300 Bausteine. Sie unterstützen die Reifung der ribosomalen RNA.
• Small nuclear RNA (snRNA) bestehen aus 100 bis 300 Bausteine. Sie sind am Spleißvorgang beteiligt, bei dem die Introns aus unreifen mRNA-Molekülen entfernt werden.

2.2 Lange RNA-Moleküle verändern die Struktur des Chromatins

Nicht-codierende RNA-Moleküle, die mehr als 200 RNA-Bausteine aufweisen, werden in der Regel als long non-coding RNAs (lncRNAs) bezeichnet. Forscher haben Hinweise auf etwa 36 000 lncRNA-Gene im menschlichen Erbgut gefunden.

Eine Studie des ENCODE-Projekts hat ergeben, dass etwa 80 Prozent des Erbguts in RNA umgeschrieben wird – ein großer Teil davon in lncRNA. ENCODE schloss daraus zunächst, dass diese biochemische Aktivität auch eine biologische Funktion darstellt. Diese Behauptung hat jedoch eine heftige Kontroverse ausgelöst, die zum Teil bis heute andauert.

Tatsächlich ist die biologische Rolle der lncRNA kaum untersucht. Nur für wenige Dutzend Fälle gibt es gesicherte Belege oder erste Hinweise, dass sie eine konkrete Funktion ausüben7. Demnach können lncRNAs

• die Struktur der Chromosomen und des Chromatins beeinflussen.
• besondere Bereiche in Zellkernen erzeugen, die die Aktivität von Genen beeinflussen (phase-separated condensates oder paraspeckles genannt).

Manche Forscher vermuten auch eine wichtige Rolle bei der Genregulation. So besagt die competing endogenous RNA-Hypothese, dass ncRNAs an wichtige Proteinfaktoren binden können. Diese Faktoren fehlen dann an anderen Stellen, wodurch wiederum die Aktivität von Proteingenen beeinflusst wird.

2.3 Zirkuläre RNA – ringförmige Verwandte der Boten-RNA

Zirkuläre oder circRNAs sind ringförmige, in sich geschlossene RNA-Moleküle. Sie entstehen häufig bei der Transkription von Protein-Genen, können aber auch aus nicht-codierenden Bereichen des Erbguts stammen. Menschliche Zellen enthalten Tausende unterschiedliche circRNAs, teilweise in erheblicher Menge8.

CircRNAs können zwischen 100 und 4000 Bausteinen enthalten. Aufgrund ihrer ringförmigen Struktur kann ein RNA-abbauendes Enzym nicht ansetzen und bleibt somit unwirksam. CircRNAs sind daher deutlich langlebiger als ihre linearen Verwandten.

Forscher fanden bereits vor Jahrzehnten Hinweise auf circRNAs, hielten sie aber lange Zeit nur für fehlerhafte Produkte des Stoffwechsels. Neuere Forschungen deuten jedoch an, dass zumindest einige zirkuläre RNAs eine biologische Funktion haben. Manche von ihnen binden an spezialisierte Proteine oder direkt an die DNA des Erbguts. Andere können miRNAs wie ein Schwamm aufsaugen und so deren hemmende Wirkung auf die Proteinherstellung unterdrücken.

2.4 Peptide aus ncRNAs

Gemäß der Definition dienen ncRNAs nicht zur Herstellung von Eiweißmolekülen. Neuere Untersuchungen zeigen jedoch, dass ein kleiner Teil der lncRNAs und circRNAs auch diese Funktion erfüllen kann. In der Regel erzeugen sie jedoch sehr kleine Eiweiße, die weniger als 100 Aminosäuren aufweisen. Diese werden häufig als Peptide oder Mikroproteine bezeichnet.

Studien konnten zeigen, dass etwa 100 lncRNAs und ein Prozent der circRNAs derartige Peptide produzieren. In einigen Fällen fanden sich auch Hinweise, dass diese Peptide eine Funktion erfüllen9. Allerdings steht die Forschung hierzu noch am Anfang.

3. Evolution und RNA-Welt

Wie entstanden die ersten lebenden Zellen? Auch hierbei könnte die RNA eine entscheidende Rolle gespielt haben. Denn die RNA kann Informationen speichern – wie die DNA. Und sie kann als Katalysator wirken – wie die Proteine. Damit vereint sie zwei der wesentlichen Funktionen, die ein Lebewesen ausführen muss.

Ein Molekül, das gleichzeitig Informationsspeicher und Katalysator ist, kann sich selbst vervielfältigen11. Und damit auch den Kristallisationskeim für einen primitiven Stoffwechsel bilden. Im Laufe der Zeit könnten andere Moleküle diesen Stoffwechsel weiter ausbauen, bis schließlich eine lebende Zelle entsteht.

Aus dieser Idee entwickelte sich die Hypothese, dass das Leben in einer „RNA-Welt‟ entstand. Bevor DNA und Proteine ihre volle Funktion übernahmen, war demnach die RNA das zentrale Biomolekül. Vielleicht sind die Spuren noch heute zu sehen: Es sind ausschließlich RNA-Moleküle, die die einzelnen Aminosäuren zu einem Protein verknüpfen.

Forscher haben viele weitere Hinweise gefunden, die das Szenario einer RNA-Welt plausibel erscheinen lassen12. Beweisen lässt sich diese Hypothese jedoch nicht: Wenn es diese Welt gab, ist sie bereits vor Milliarden von Jahren verschwunden. Die zentrale Bedeutung, die RNA für jede Form des bekannten Lebens hat, ist jedoch geblieben.

Neue Rolle der RNA

DNA und RNA im Vergleich

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