RNA-Strukturen namens rG4 beschleunigen die zelluläre Alterung, indem sie die Proteinsynthesemaschinerie zum Stillstand bringen

Zelluläre Seneszenz – ein Zustand irreversiblen Wachstumsarrests – treibt die Gewebealterung und altersbedingte Erkrankungen teilweise durch den Zusammenbruch der Proteinhomöostase (Proteostase) voran. Während bekannt ist, dass Ribosomenpausen zur Proteostase-Versagens beitragen, waren die molekularen Auslöser, die diesen Prozess mit Seneszenz verbinden, bislang kaum verstanden. Diese Studie identifiziert RNA-G-Quadruplex-Strukturen (rG4) als bisher unbekannten Treiber von Ribosomenstau in seneszenten Zellen.

Mithilfe paralleler RNA-seq- und Ribo-seq-Analysen (Ribosomenprofiling) an jungen proliferativen im Vergleich zu replikativ seneszenten humanen BJ-Fibroblasten stellten die Autoren fest, dass Gene mit verringerter Translationseffizienz (TE) in seneszenten Zellen jene mit erhöhter TE im Verhältnis von etwa vier zu eins übertrafen. Entscheidend ist, dass der größte betroffene Gencluster ausschließlich Veränderungen auf translationaler Ebene aufwies – nicht auf der Ebene der mRNA-Häufigkeit –, was eher auf eine Störung der Translationselongation als der Transkription hindeutet. Eine Analyse der Ribosomen-Pausenwerte zeigte, dass Pausen unmittelbar stromaufwärts von guaninreichen Motiven angereichert waren, und Algorithmen zur Vorhersage von rG4-Strukturen bestätigten, dass diese Sequenzen ein signifikant höheres G-Quadruplex-Bildungspotenzial aufwiesen als permutierte Kontrollen.

Um Kausalität nachzuweisen, führte das Team G4-RNA-Immunpräzipitations-Sequenzierung (rG4-RIP-seq) sowie Immunfluoreszenz mit G4-bindenden Sonden (G4P und BG4) durch. In jungen Zellen war das rG4-Signal überwiegend nukleär, doch in seneszenten Zellen breitete es sich erheblich ins Zytoplasma aus – mit Kolokalisierung an Ribosomen –, was darauf hindeutet, dass die zytoplasmatische rG4-Bildung in mRNA ein seneszenzassoziiertes Ereignis darstellt. Reporter-Assays bestätigten, dass das Einfügen rG4-bildender Sequenzen in kodierende Regionen (CDS) ausreichte, um die Translation sowohl in zellbasierten als auch in zellfreien Systemen zu hemmen, während die Mutation dieser Sequenzen die Translationseffizienz wiederherstellte.

Die Studie identifizierte anschließend DHX9, eine RNA-Helikase mit bekannter rG4-Entwindungsaktivität, als zentralen Regulator. Die DHX9-Expression war in seneszenten BJ-Zellen, gealterten Schwanzspitzen-Fibroblasten der Maus sowie in Geweben gealteter Mäuse signifikant reduziert. Die Überexpression von DHX9 in seneszenten Zellen verringerte die rG4-Häufigkeit und milderte den Ribosomenstau, während der DHX9-Knockdown in jungen Zellen den seneszenten Zustand phänokopierte – mit erhöhten rG4-Spiegeln, verstärktem Ribosomenstau, gestörter Proteostase und beschleunigten Seneszenzmarkern, darunter SA-β-Galaktosidase-Aktivität, p21-Hochregulierung und SASP-Faktor-Sekretion. Umgekehrt verschlechterte die pharmakologische Stabilisierung von rG4-Strukturen (mittels des G4-Liganden PDS) die Seneszenz, was die funktionelle Bedeutung der rG4-Akkumulation unterstreicht.

Diese Ergebnisse etablieren eine mechanistische Achse: abnehmende DHX9 → rG4-Akkumulation in mRNA-CDS → Ribosomenstau → verringerte TE für Schlüsselproteine → Proteostase-Kollaps → verstärkte Seneszenz. Die konservierte Beobachtung in gealterten Mausgeweben legt nahe, dass dieser Signalweg in vivo während der Säugetieralterung wirksam ist, was DHX9 und die rG4-Auflösung zu potenziellen Angriffspunkten für Interventionen macht, die auf eine Verlangsamung der zellulären und organismischen Alterung abzielen.