Unsere Arbeitsgruppe entwickelt Computermodelle für die Analyse und Vorhersage von biochemischen Abläufen in lebenden Zellen. Insbesondere untersuchen wir den Einfluss von regulatorischen RNA-Molekülen, einer der wichtigsten, jedoch noch unzureichend erforschten Klasse von Molekülen. In Zellen gibt es drei wichtige Arten von langkettigen Molekülen: DNA (die Erbinformation), RNA und Proteine.
RNA bildet unter anderem das Bindeglied bei der übersetzung von Erbinformation (DNA) in Proteine, wobei letztere für alle lebenswichtigen Vorgänge notwendig sind. Jedoch spielen RNA-Moleküle eine viel wichtigere Rolle als bisher angenommen, da sie neben der Aufgabe einer übersetzungsvorlage für Proteine auch selbst an der Regulation der Zellprozesse beteiligt sind.
Uns interessieren dabei im Besonderen
Hierzu ein kleines Video unseres Lehrstuhls: Eine Einführung in RNA Bioinformatik
Die Regulation der Zelle ist ein komplexer Vorgang, bei dem viele beteiligte Elemente noch nicht bekannt sind. So beeinflussen RNAs wesentlich mehr Prozesse als bislang angenommen. Obwohl nichtkodierende RNAs - Abschnitte von Genen, die zwar abgelesen, aber nicht in Proteine übersetzt werden - 98% der Erbinformation ausmachen, konzentrierte sich die Forschung bisher auf Teile des Genoms welche in Proteine übersetzt werden, lediglich 1% der DNA.
Die wesentlichen Bestandteile dieser sogenannten regulatorischen Elemente lassen sich mit biochemischen Verfahren nur sehr aufwendig ermitteln. Seit der Sequenzierung der menschlichen DNA kann jedoch mit Hilfe der Bioinformatik gezielt nach solchen Elementen gesucht werden. Unterstützt wird dies durch die Entzifferung des Erbgutes vieler weiterer Spezies.
Mithilfe unserer Modelle kann nun ein Vergleich der Erbinformation zwischen verwandten Spezies angestellt werden. Hierbei lassen ähnlichkeiten und Unterschiede Rückschlüsse auf regulatorische Elemente zu. Dabei reicht es nicht aus, nur nach einfachen Sequenzmustern zu suchen, es müssen zusätzlich strukturelle Eigenschaften der Moleküle mit einbezogen werden.
Die Bioinformatik ermöglicht die Abschätzung von RNA Strukturen, da sich deren experimentelle Bestimmung zeit- und kostenintensiv gestaltet. Die Vorhersage-Verfahren sind jedoch außerordentlich rechenintensiv. Darum besteht ein wichtiger Teil unserer Arbeit in der Optimierung entsprechender Verfahren.
Das Auffinden von regulatorischen Elementen bildet den ersten Schritt in der Aufdeckung der durch sie gesteuerten Abläufe. Für die weitere Analyse entwickeln wir Computermodelle, die den Einfluss der regulatorischen Signale in der Zelle untersuchen. In diesem Bereich interessieren uns insbesondere Effekte durch die Interaktion von RNA-Molekülen sowie die zelluläre Auswahl von Genabschnitten.
Regulatorische RNAs sind an allen wesentlichen Prozessen der Zelle beteiligt. So kann eine gestörte RNA Regulation schwerwiegende Krankheiten verursachen. Darunter sind viele Arten von Krebs sowie Krankheiten des Nervensystems; unter anderem Prader-Willi-Syndrom, Autismus und Alzheimer. Die Bioinformatik trägt hier zum grundlegenden Verständnis der Regulationsmechanismen bei und erlaubt geeignete Ansatzpunkte für Behandlungen zu eröffnen.