Definice poselské RNA
Poselské ribonukleové kyseliny (mRNA) přenášejí informace z DNA do buněčných mechanismů, které vytvářejí proteiny. V každém buněčném jádře, které měří v průměru pouhých 10 mikrometrů, je těsně zabalen třímetrový dvouvláknový „návod“ DNA, jak stavět a udržovat lidské tělo. Aby si každá buňka udržela svou strukturu a plnila všechny své funkce, musí neustále vyrábět součásti (proteiny) specifické pro daný typ buňky. Uvnitř každého jádra čte několik podjednotek proteinu zvaného RNA polymeráza II (RNAP II) DNA a současně vyrábí „zprávu“ neboli transkript, který se nazývá messengerová RNA (mRNA), v procesu zvaném transkripce. Molekuly mRNA se skládají z relativně krátkých, jednořetězcových molekul tvořených bázemi adenin, cytosin, guanin a uracil, které drží pohromadě fosfátová kostra cukru. Když RNA polymeráza dokončí čtení úseku DNA, kopie pre-mRNA se zpracuje na zralou mRNA a poté se přenese ven z buněčného jádra. Ribosomy přečtou mRNA a přeloží zprávu do funkčních proteinů v procesu zvaném translace. V závislosti na struktuře a funkci nově syntetizovaného proteinu bude tento protein v buňce dále upraven, exportován do mimobuněčného prostoru nebo zůstane uvnitř buňky. Následující schéma ukazuje transkripci (DNA->RNA) probíhající v buněčném jádře, kde RNAP je enzym RNA polymeráza II syntetizující RNA.
Prekurzorová mRNA obsahuje introny a exony. Introny jsou před překladem odstraněny, zatímco exony kódují aminokyselinovou sekvenci proteinů. Aby vznikla zralá mRNA, buněčný mechanismus odstraní z pre-mRNA „nepřeložitelné“ introny a ponechá v mRNA pouze překládatelné sekvence exonů.
Typy mRNA
Pre-mRNA a hnRNA
Prekurzorová mRNA (pre-mRNA) je primární transkript eukaryotické mRNA, který vzniká z předlohy DNA. Pre-mRNA je součástí skupiny RNA nazývané heterogenní jaderná RNA (hnRNA). hnRNA označuje všechny jednovláknové RNA nacházející se uvnitř jádra buňky, kde probíhá transkripce (DNA->RNA), a pre-mRNA tvoří velkou část těchto ribonukleových kyselin. Pre-mRNA obsahuje sekvence, které je třeba před překladem do bílkoviny odstranit nebo „splicovat“. Tyto sekvence mohou být odstraněny buď katalytickou činností samotné RNA, nebo působením mnohobuněčné struktury zvané spliceosom. Po tomto kroku zpracování je pre-mRNA považována za zralý transkript mRNA.
Následující schéma popisuje strukturu pre-mRNA. Pre-mRNA obsahuje introny a může, ale nemusí obsahovat 5′ čepičku a polyadenylovaný 3′ ocásek:
Monocistronní mRNA
Monocistronní molekula mRNA obsahuje sekvence exonů kódující jeden protein. Většina eukaryotických mRNA je monocistronická.
Bicistronická mRNA
Bicistronická molekula mRNA obsahuje exonové sekvence kódující dva proteiny.
Polycistronní mRNA
Polycistronní molekula mRNA obsahuje exony kódující sekvence pro více proteinů. Většina mRNA bakterií a bakteriofágů (virů žijících v bakteriálních hostitelích) je polycistronní.
Prokaryotická vs. eukaryotická mRNA
Polycistronní prokaryotická mRNA obsahuje více míst pro zahájení a ukončení syntézy bílkovin. Eukaryota mají pouze jedno místo pro iniciaci translace a eukaryotické mRNA jsou primárně monocistronické. prokaryota nemají organely a dobře definovaný jaderný obal, a proto může být translace mRNA spojena s transkripcí mRNA v cytoplazmě. U eukaryot se mRNA přepisuje na chromozomech v jádře a po zpracování se přes jaderné póry dostává do cytoplazmy. Na rozdíl od prokaryot probíhá translace u eukaryot až po dokončení transkripce. prokaryotická mRNA je neustále degradována ribonukleázami, enzymy, které řežou RNA. Například poločas rozpadu mRNA v E. coli je přibližně dvě minuty. Bakteriální mRNA mají krátký život, aby se mohly pružně přizpůsobovat rychle se měnícím podmínkám prostředí. Eukaryotické mRNA jsou metabolicky stabilnější. Například prekurzory savčích červených krvinek (retikulocyty), které ztratily jádro, syntetizují hemoglobin po dobu několika dní překládáním mRNA, které byly přepsány, když bylo jádro ještě přítomno. Konečně mRNA prokaryot procházejí minimálním zpracováním. U eukaryot musí pre-mRNA před překladem projít zpracováním, které zahrnuje odstranění intronů, přidání 5′ -kapky a také 3′ polyadenylovaného ocasu, než vznikne zralá mRNA připravená k překladu.
Funkce mRNA
Primární funkcí mRNA je působit jako prostředník mezi genetickou informací v DNA a aminokyselinovou sekvencí proteinů. MRNA obsahuje kodony, které jsou komplementární k sekvenci nukleotidů na templátové DNA a řídí tvorbu aminokyselin působením ribozomů a tRNA. mRNA také obsahuje několik regulačních oblastí, které mohou určovat načasování a rychlost translace. Kromě toho zajišťuje, aby translace probíhala uspořádaně, protože obsahuje místa pro připojení ribozomů, tRNA i různých pomocných proteinů.
Proteiny produkované buňkami hrají různé role, buď jako enzymy, strukturní molekuly, nebo jako transportní zařízení pro různé buněčné složky. Některé buňky jsou také specializované na vylučování bílkovin, například žlázy produkující trávicí enzymy nebo hormony, které ovlivňují metabolismus celého organismu.
translace mRNA
mRNA může být překládána na volných ribozomech v cytoplazmě za pomoci molekul přenosové RNA (tRNA) a několika bílkovin nazývaných iniciační, elongační a terminační faktory. Proteiny, které jsou syntetizovány na volných ribozomech v cytoplazmě, jsou často využívány buňkou v samotné cytoplazmě nebo jsou cíleny k použití uvnitř intracelulárních organel. Případně se proteiny, které mají být vylučovány, začínají překládat v cytoplazmě, ale jakmile je přeloženo několik prvních zbytků, specifické proteiny přenesou celý translační stroj do membrány endoplazmatického retikula (ER). Několik počátečních aminokyselin se usadí v membráně ER a zbytek proteinu se uvolní do vnitřního prostoru ER. Z proteinů, které mají být vylučovány z buňky, je tato krátká sekvence odstraněna, zatímco u proteinů určených pro vnitřní membrány je tento krátký úsek poskytující membránovou kotvu zachován.
Více než 200 onemocnění je spojeno s defekty ve zpracování pre-mRNA na mRNA. Mutace v DNA nebo sestřihovém aparátu mají hlavní vliv na přesnost sestřihu pre-mRNA. Například abnormální sekvence DNA může eliminovat, oslabit nebo aktivovat skrytá místa sestřihu v pre-mRNA. Stejně tak pokud sestřihový aparát nepracuje správně, může sestřihový aparát nesprávně stříhat pre-mRNA bez ohledu na sekvenci. Tyto mutace mají za následek zpracování pre-mMRA na mRNA, která bude dále kódovat špatně fungující proteiny. Samotné abnormální mRNA jsou někdy také cílem rozpadu mRNA zprostředkovaného nonsensem a také ko-transkripční degradace vznikajících pre-mRNA. Buňky získané od pacientů s různými chorobami včetně progerie, rakoviny prsu a cystické fibrózy vykazují defekty ve sestřihu RNA, přičemž nejčastěji se jedná o rakovinu a neuropatologická onemocnění.
- Ribosom – Ribosomy jsou enzymy složené z mnoha proteinů, které katalyzují syntézu proteinů z mRNA v procesu translace. Ribosomy existují volně v cytoplazmě buňky nebo zůstávají připojeny k endoplazmatickému retikulu.
- RNAP II – RNA Polymeráza II je enzym složený z mnoha proteinů, který čte DNA a syntetizuje RNA v buněčném jádře v procesu zvaném transkripce.
- Transkripce – Transkripce je syntéza RNA z DNA pomocí RNA polymerázy.
- Translace – Translace je syntéza proteinů z mRNA za účasti ribozomů a dalších proteinů.
Kvíz
1. Molekuly zralé mRNA jsou krátké, jednovláknové a obsahují následující složky:
A. adenin, cytosin, guanin a uracil, exony, 5′-kapku a 3′-poly-ocas
B. adenin, cytosin, guanin a uracil, introny, exony, 5′-cap a 3′-poly-tail
C. adenin, cytosin, guanin a uracil, introny
D. introny, 5′-cap a 3′-poly-tail
2. Vyjmenujte místo a buněčný mechanismus, který se podílí na transkripci a translaci mRNA.
A. Transkripce probíhá v jádře působením ribozomů; translace probíhá v cytoplazmě prostřednictvím RNAP II.
B. Transkripce probíhá v jádře působením RNAP II; translace probíhá v cytoplazmě nebo na endoplazmatickém retikulu působením ribosomů.
C. Transkripce probíhá na buněčné membráně působením RNAP II; translace probíhá v cytoplazmě působením translačních faktorů.
D. Žádná z výše uvedených možností není správná.
3. Které z následujících tvrzení o rozdílech mezi eukaryotickou a prokaryotickou mRNA je pravdivé?
A. Na rozdíl od eukaryot, která mRNA přepisují v jádře a překládají v cytoplazmě, prokaryota mRNA přepisují a překládají současně v cytoplazmě.
B. Prokaryotní mRNA je primárně polycistronní a eukaryotní mRNA je primárně monocistronní.
C. Bakteriální mRNA jsou krátkodobé, aby umožnily flexibilitu v rychle se měnícím prostředí, zatímco eukaryotické mRNA jsou stabilní až několik dní.
D. Všechny výše uvedené odpovědi jsou správné.
4. Co se děje během důležitého kroku zpracování pre-mRNA na mRNA?
A. Nekódující introny jsou odstraněny neboli „spliced out“.
B. MRNA je přeložena na bílkovinu.
C. Pre-mRNA je exportována z jádra.
D. Vše z výše uvedeného.