Post-transkriptionale Modifikationen (RNA-Prozessierung)

Überblick

Transkription

Bei der Transkription werden genetische Informationen aus der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA in mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA (messenger-RNA) übersetzt.

• Die Synthese der mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA erfolgt vom 5′-Ende zum 3′-Ende.
• Das primäre Transkript wird als heterogene nukleäre RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA (hnRNA) oder Prä-mRNA bezeichnet.

RNA-Prozessierung

Primäre Transkriptionsprodukte werden bei der RNA-Prozessierung modifiziert, um biologisch funktionsfähig zu werden.

• mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA:
  • Prokaryoten: Es findet in der Regel keine RNA-Prozessierung der primären mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA statt.
  • Eukaryoten: Das synthetisierte RNA-Transkript (Prä-mRNA oder hnRNA) wird prozessiert, bevor es den Zellkern verlässt.
    • Anfügen einer Kappe am 5′-Ende
    • Polyadenylierung am 3′-Ende
    • Spleißen
  • Durch die RNA-Prozessierung entsteht eine reife mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA, die durch die Kernporen in das Zytoplasma transportiert wird.
  • In einigen Fällen erfolgt ein RNA-Editing, bei dem einzelne Nukleobasen umgewandelt werden, sodass eine veränderte Sequenz entsteht.
  • Durch die RNA-Prozessierung kann eine Gensequenz in verschiedene Proteine übersetzt werden. Dies weicht von der ursprünglichen “Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese” ab.
• Transfer-RNA Transfer-RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA ( tRNA tRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA) und ribosomale RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA ( rRNA rRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA):
  • Strukturmoleküle, die nicht translatiert werden
  • Beide haben Vorläufersturkturen (Prä-tRNAs und Prä-rRNAs), die eine RNA-Prozessierung durchlaufen.

5′-Capping und Polyadenylierung

5′-Capping

Anfügen von 7-Methylguanosin (methylierter Guanylylrest) an das 5′-Ende der hnRNA:

• Entfernung der Phosphatgruppe am 5′-Ende durch die RNA-Triphosphatase
• Übertragung von Guanosinmonophosphat (GMP) eines Guanosintriphosphats (GTP) durch die Guanylyltransferase
• Methylierung von Guanin Guanin Nukleinsäuren durch die Guanin-7-Methyltransferase (Methylgruppendonator ist ein S-Adenosylmethionin (SAM))

Funktionen:

• Schutz vor Abbau durch Exonukleasen
• Erkennungssequenz für die Translation

Polyadenylierung

Anfügen von bis zu 250 Adenin-Nukleotiden (AMP) an das 3′-Ende der hnRNA:

• Abspaltung von etwa 20 Nukleotiden an einer AAUAA-Erkennungssequenz
• Addition (Verlängerung um bis zu 250 Nukleotide) des Poly-A-Schwanzes (aus ATP-Molekülen) durch die Poly-A-Polymerase

Funktion:

• Schutz vor Abbau im Zytosol Zytosol Die Zelle: Zytosol und Zytoskelett durch 3′-Exoribonukleasen
• Stabilisierung der mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA

Spleißen

Exons und Introns

Die heterogene nukleäre RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA (Prä-mRNA) enthält:

• Kodierende Sequenzen, die als Exons (exprimierte Sequenzen) bezeichnet werden
• Nichtkodierende Sequenzen, die als Introns (intervenierende Sequenzen) bezeichnet werden

RNA-Prozessierung:

• Die hnRNA muss modifiziert werden, sodass die reife mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA nur noch kodierende Sequenzen enthält.
• Spleißen tritt bei den meisten eukaryotischen Genen auf, am häufigsten bei mRNA-Transkripten.

Spleißen

• Entfernung von Introns aus der hnRNA bzw. Prä-mRNA und Verknüpfung der Exons → Bildung einer reifen mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA
• Zusammensetzung des Spleißosoms:
  • Small nuclear RNAs (snRNAs) gebunden an small nuclear ribonucleoproteins (snRNPs)
  • Weitere Bindungsproteine
  • hnRNA
• Lokalisation der Spleißreaktion:
  • Spleißstellen:
    • Exon-Intron-Grenzen
    • Spezifische Basensequenzen auf der RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA markieren die 5′-Spleißstelle (Beginn des Introns) und die 3′-Spleißstelle (Ende des Introns).
    • 5′-Spleißstelle (Donor-Spleißstelle): GU
    • 3′-Spleißstelle (Akzeptor-Spleißstelle): AG
  • Verzweigungsstelle: Adeninnukleotid innerhalb des Introns
• Ablauf:
  1. Erkennung der Spleißstellen und der Verzweigungsstelle durch snRNPs aufgrund der spezifischen Basensequenzen auf der hnRNA
  2. Zusammenlagerung des Spleißosoms (hnRNA, snRNPs mit snRNAs und weitere kleine Proteine Proteine Proteine und Peptide)
  3. Schnitt an der 5′-Spleißstelle (nukleophiler Angriff des Adeninnukleotids der Verzweigungsstelle)
  4. Verbindung des freien 5′-Endes des Introns mit der Verzweigungsstelle → Ausbildung einer Schleifen- oder Lariat-Struktur
  5. Schnitt an der 3′-Spleißstelle → Freisetzung des Lariats und Verknüpfung der beiden Exons → Bildung einer reifen mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA
• Zeitgleich mit dem 5′-Capping und der Polyadenylierung am 3′-Ende
• Assoziierte Erkrankungen:
  • β-Thalassämie:
    • Gestörtes Spleißen des β-Globin-Gens aufgrund einer Mutation
    • Homozygote Homozygote Grundbegriffe der Genetik Mutationen (ß-Thalassämia major) führen zu einer transfusionsabhängigen Anämie Anämie Anämie: Überblick und Formen.
  • Spinale Muskelatrophie Spinale Muskelatrophie Spinale Muskelatrophie (SMA):
    • Mutationen im SMN1-Gen
    • Unzureichende Kompensation des defekten SMN1 durch das SMN2, da diesem aufgrund eines Defekts auf Ebene des Prä-mRNA-Spleißens das Exon 7 fehlt

Alternatives Spleißen

• Variables Spleißen einer hnRNA-Sequenz
• Ablauf:
  • Exons werden selektiv eingeschlossen oder ausgeschlossen.
  • Verwendung alternativer 5′- oder 3′-Spleißstellen
  • Variable Polyadenylierungsstellen
• Bis zu 95 % der Gene mit mehreren Exons durchlaufen während der mRNA-Prozessierung ein alternatives Spleißen, um Proteine Proteine Proteine und Peptide mit unterschiedlichen Funktionen zu produzieren.
• Alternatives Spleißen stellt einen Regulationsmechanismus dar, der der Feinregulation der Proteinbiosynthese dient und die Ausprägung von Phänotypen und Proliferationsraten moduliert.
• Etwa 15 % der Erbkrankheiten und Krebserkrankungen werden mit alternativem Spleißen in Verbindung gebracht.
• Durch die variable Kombination von Exons können bei der Übersetzung von der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA zum Protein verschiedene verwandte Proteine Proteine Proteine und Peptide aus derselben hnRNA synthetisiert werden:
  • Immunglobuline Immunglobuline Immunglobuline (Subtypen weisen ähnliche Exons in den Genen der schweren Ketten auf)
  • Tropomyosin-Varianten im Muskel
  • Dopaminrezeptoren Dopaminrezeptoren Rezeptoren und Neurotransmitter des ZNS im Gehirn (D2-Rezeptoren mit zwei Isoformen)

RNA-Editing

Im Allgemeinen entspricht die DNA-Sequenz der Basenabfolge der reifen mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA. Die Veränderung der Sequenz durch RNA-Editing während der RNA-Prozessierung ist eine Ausnahme.

Definition

• Veränderung der Basensequenz nach der Transkription, die dazu führt, dass sich die Sequenz der RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA von der ihrer ursprünglichen DNA-Matrize unterscheidet.
• Es wird angenommen, dass dieser Mechanismus zur Genregulation bei der Proteinbiosynthese beiträgt.
• Mechanismen:
  • Modifikationen einzelner Basen
  • Deletionen
  • Insertionen

Modifikation von Basen

„C-zu-U“-Editing:

• Apolipoprotein B (apoB) Gen: Das gleiche Gen kodiert für ApoB100 (Synthese in der Leber Leber Leber) und ApoB48 (Synthese im Darm).
• Im Darm:
  • Desaminierung von Cytosin Cytosin Nukleinsäuren zu Uracil durch die Cytidindeaminase
  • Das Codon CAA (Cytidin-Adenin-Adenin) wird in das Codon UAA (Uridin-Adenin-Adenin) umgewandelt. Dabei handelt es sich um ein Stopcodon.
• Folge des Editings:
  • ApoB100 ist ein 100-kDa-Protein aus 4536 Aminosäuren.
  • ApoB48 ist ein verkürztes 48-kDa-Protein aus 2152 Aminosäuren.
  • Durch das Editing entsteht ApoB48, dem die C-terminale Domäne von ApoB100 fehlt (verantwortlich für die LDL-Rezeptorbindung).

„A-zu-I“-Editing:

• Modifikation doppelsträngiger RNA-Moleküle
• Desaminierung von Adenin Adenin Nukleinsäuren zu Hypoxanthin durch die ADARs (Adenosin-Desaminasen an RNA)
• Umwandlung von Adenosin in Inosin → A-zu-G-Basensubstitutionen
• Erzeugung alternativer Spleißstellen

Insertionen / Deletionen

• In Trypanosomen und verwandten Protozoen
• Modifikation der mitochondrialen mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA
• Insertion oder Deletion von Uridin

Ribosomale RNA und Transfer-RNA-Prozessierung

Ribosomale RNAs

• Prokaryoten:
  • In Escherichia coli Escherichia coli Escherichia coli konnte festgestellt werden, dass drei Arten von rRNAs (5S, 16S und 23S) polycistronische Primärtranskripte aufweisen.
  • Prozessierung des Transkripts durch endonukleolytische Spaltung durch RNasen → Prä-rRNA
  • Kürzung der 5′- und 3′-Enden der Prä-rRNA durch weitere RNasen
  • Methylierung während des Zusammenbaus der Ribosomen → Schutz vor Abbau
• Eukaryoten:
  • Das Primärtranskript ist ein großes 45S-Vorläufermolekül.
  • rRNA-Moleküle (28S, 18S und 5.8S) mit Spacer-Sequenzen (Trenn-DNA-Sequenzen)
  • RNA-Prozessierung im Nukleolus:
    • Methylierungen an zahlreichen Stellen (mithilfe von small nucleolar RNAs (snoRNAs))
    • Spaltung und Kürzung der RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA
  • Der vierte rRNA-Typ (5S) wird separat prozessiert.
  • Die reifen rRNAs assoziieren mit anderen Proteinen und bilden das Gerüst der Ribosomen im Zytoplasma.
• Einige eukaryotische rRNAs enthalten Introns. Diese Prä-rRNAs sind katalytisch aktiv und spleißen sich selbst (Ribozyme).

Transfer-RNAs

• Transfer-RNA Transfer-RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA ( tRNA tRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA) ist ein Polynukleotid aus etwa 75 Nukleotiden, das spezifische Eigenschaften aufweist:
  • Die 5′- und 3′-Ende bilden aufgrund ihrer charakteristischen Faltung den Akzeptorarm.
  • CCA-Sequenz (Cytosin-Cytosin-Adenin) am 3′-Ende
  • Modifizierte Basen: z. B. Inosin, Dihydrouridin und Pseudouridin
• Die Prä-tRNA enthält:
  • Zusätzliche Nukleotide an den 3′- und 5′-Enden
  • Introns
• RNA-Prozessierung:
  • Entfernung zusätzlicher Nukleotide und Introns
  • Modifikation einzelner Basen (Methylierung und Desaminierung)
  • Bildung des 5′-Endes durch die RNase P (Ribozym)
  • Addition einer CCA-Sequenz am 3′-Ende durch die tRNA-Nukleotidyltransferase