Von molekularen Wechselwirkungen zu komplexen Kontaktnetzwerken

Neues Tool zur Untersuchung komplexer RNA- und DNA-Wechselwirkungen

RNA und DNA spielen eine zentrale Rolle bei zahlreichen lebenswichtigen biologischen Prozessen – von der Genregulation und dem RNA-Spleißen über die Translation bis hin zur viralen Replikation. Dabei gehen sie spezifische Wechselwirkungen mit anderen Nukleinsäuren, Proteinen und weiteren Molekülen ein. Wie diese molekularen Wechselwirkungen im Detail zustande kommen und welche Strukturbereiche daran beteiligt sind, lässt sich jedoch häufig nur schwer bestimmen. Ein Grund dafür ist die strukturelle Flexibilität von RNA und DNA, die ihre dreidimensionale Konformation fortwährend verändern können. Ein neues Softwaretool namens ProNA3D könnte Forschenden nun dabei helfen, diese komplexen molekularen Wechselwirkungen genauer zu untersuchen. Entwickelt wurde das Programm von Wissenschaftlerinnen am Leibniz-Institut für Virologie (LIV). Die Ergebnisse wurden kürzlich im Computational and Structural Biotechnology Journal veröffentlicht.

ProNA3D ermöglicht es, Wechselwirkungen zwischen RNA, DNA und Proteinen zu identifizieren, zu visualisieren und zu analysieren. Darüber hinaus können Forschende die Zuverlässigkeit vorhergesagter Interaktionsstellen einschätzen, die mithilfe KI-basierter Methoden zur Strukturvorhersage ermittelt wurden.

„Bis vor Kurzem musste ich unterschiedliche Programme verwenden, je nachdem, ob ich untersuchen wollte, wie DNA mit DNA oder RNA mit einem Protein interagiert. Unser Ziel war es, die Untersuchung dieser verschiedenen Arten molekularer Wechselwirkungen in einem einzigen Tool zusammenzuführen“, sagt Luca Genz.

Luca Genz hat kürzlich ihre Promotion in der Forschungsabteilung für Integrative Virologie am Leibniz-Institut für Virologie abgeschlossen und dabei ProNA3D entwickelt. Das Tool vereint verschiedene Möglichkeiten zur Analyse molekularer Wechselwirkungen in einer gemeinsamen Benutzeroberfläche. Forschende können damit Protein-RNA-, Protein-DNA-, RNA-RNA-, DNA-DNA- und RNA-DNA-Wechselwirkungen untersuchen. Gleichzeitig lässt sich analysieren, an welchen Stellen die Moleküle miteinander in Kontakt treten, wie einzelne Kontaktbereiche räumlich angeordnet sind und wie zuverlässig die zugrunde liegende Struktur interpretiert werden kann.

Dabei kann die Software sowohl experimentell bestimmte Strukturen als auch KI-basierte Strukturvorhersagen auswerten. Das ist insbesondere bei Komplexen mit DNA oder RNA von Bedeutung, da für viele dieser Strukturen bislang nur wenige experimentell bestimmte Strukturen vorliegen. KI-basierte Verfahren wie AlphaFold3 können inzwischen deutlich mehr solcher Strukturen vorhersagen. Allerdings sind nicht alle Bereiche einer vorhergesagten Struktur gleichermaßen zuverlässig. ProNA3D greift deshalb auf die von AlphaFold3 bereitgestellten Angaben zur Vorhersagesicherheit zurück. So können Forschende nicht nur erkennen, wo eine molekulare Kontaktfläche vorhergesagt wird, sondern auch, wie verlässlich diese Vorhersage ist.

Zu wissen, wo Moleküle miteinander wechselwirken, ist ein wichtiger erster Schritt. Molekulare Komplexe können jedoch wesentlich komplizierter sein: Zwischen zwei Molekülen können gleichzeitig mehrere voneinander getrennte Kontaktbereiche bestehen. Das Problem: Liegen diese räumlich dicht beieinander, werden sie von herkömmlichen Methoden bislang unter Umständen als eine einzige große Kontaktfläche erfasst. Mit ProNA3D wird diese Einschränkung behoben.

„Eine Besonderheit von ProNA3D ist, dass das Programm solche getrennten Kontaktbereiche voneinander unterscheiden kann. Dadurch lassen sie sich einzeln und detailliert untersuchen“, erklärt Prof. Maya Topf, Leiterin der Forschungsabteilung für Integrative Virologie am Leibniz-Institut für Virologie.

Zusätzlich stellt ProNA3D zweidimensionale Konnektivitätsdiagramme bereit. Sie zeigen, welche Nukleotide beziehungsweise Aminosäurereste in einem Protein miteinander in Kontakt stehen.

„Man kann sich die Konnektivität wie eine Art soziales Netzwerk vorstellen“, sagt Luca Genz. „Einige Nukleotide oder Aminosäurereste haben nur einen Kontakt, während andere mit vielen verschiedenen Resten interagieren und damit eher die Rolle von Knotenpunkten im Netzwerk übernehmen. Ein Nukleotid mit besonders vielen Kontakten weist entsprechend eine hohe Konnektivität auf.“

Solche stark vernetzten Positionen können für die weitere Forschung besonders interessant sein. Sie könnten beispielsweise dazu beitragen, einen molekularen Komplex zusammenzuhalten oder für dessen biologische Funktion von Bedeutung sein. Eine hohe Konnektivität allein ist jedoch kein Beweis für eine bestimmte Funktion. Konnektivitätsdiagramme können vielmehr dazu beitragen, strukturelle Bereiche zu identifizieren, die für weiterführende funktionelle Untersuchungen von besonderem Interesse sein könnten. In einem Beispiel untersuchte das Team einen Komplex aus HIV-1-RNA und einem Antikörper. Dabei identifizierte ProNA3D ein Nukleotid mit besonders hoher Konnektivität und machte es als möglichen Ansatzpunkt für weitere Untersuchungen sichtbar.

Durch die Kombination von interaktiver Visualisierung, Analyse von Kontaktflächen und Konnektivität sowie Informationen zur Vorhersagesicherheit in einer Anwendung, ermöglicht ProNA3D eine umfassende Untersuchung von Komplexen, die Nukleinsäuren enthalten. Auf diese Weise können Forschende molekulare Wechselwirkungen detaillierter analysieren und neue Hypothesen über deren strukturelle und funktionelle Bedeutung entwickeln.

ProNA3D ist sowohl als Plugin für ChimeraX – eine weit verbreitete Plattform zur dreidimensionalen Visualisierung und Analyse von Molekülstrukturen – als auch als Kommandozeilenprogramm verfügbar.

Originalpublikation

Genz LR, Topf M (2026) Comput. Struct. Biotechnol. J. ProNA3D: Distance-Based Analysis of Nucleic Acid-Containing Interfaces. doi/10.34133/csbj.0202