Messenger RNA Definition
Messenger ribonukleinsyrer (mRNA’er) overfører information fra DNA til det cellemaskineri, der fremstiller proteiner. Tæt pakket ind i hver cellekerne, som kun måler 10 mikrometer i diameter, ligger en tre meter lang dobbeltstrenget DNA-“brugsanvisning” om, hvordan man opbygger og vedligeholder en menneskekrop. For at hver celle kan opretholde sin struktur og udføre alle sine funktioner, skal den løbende fremstille celletypespecifikke dele (proteiner). Inde i hver cellekerne læser et protein med flere underenheder, kaldet RNA-polymerase II (RNAP II), DNA og fremstiller samtidig et “budskab” eller transkript, som kaldes messenger RNA (mRNA), i en proces, der kaldes transkription. Molekyler af mRNA består af relativt korte enkeltstrenge af molekyler, der består af adenin-, cytosin-, guanin- og uracilbaser, som holdes sammen af en sukkerfosfatrygge. Når RNA-polymerase er færdig med at læse et afsnit af DNA’et, behandles præ-mRNA-kopien til modent mRNA, hvorefter den overføres ud af cellekernen. Ribosomer læser mRNA’et og oversætter budskabet til funktionelle proteiner i en proces, der kaldes translation. Afhængigt af det nyligt syntetiserede proteins struktur og funktion vil det blive yderligere modificeret af cellen, eksporteret til det ekstracellulære rum eller forblive inde i cellen. Diagrammet nedenfor viser transkription (DNA->RNA), der finder sted i cellekernen, hvor RNAP er RNA-polymerase II-enzym, der syntetiserer RNA.
Precursor mRNA indeholder introner og exoner. Introns fjernes før oversættelse, mens exons koder for aminosyresekvensen i proteiner. For at fremstille modent mRNA fjerner cellemaskineriet “ikke-oversættelige” introner fra præ-mRNA’et, så der kun er oversættelige exon-sekvenser tilbage i mRNA’et.
Typer af mRNA
Pre-mRNA og hnRNA
Precursor-mRNA (pre-mRNA) er det primære transkript af eukaryote mRNA, som det kommer fra DNA-skabelonen. Pre-mRNA er en del af en gruppe af RNA’er kaldet heterogene nukleare RNA’er (hnRNA). hnRNA henviser til alle enkeltstrengede RNA’er, der befinder sig inde i cellens kerne, hvor transkriptionen finder sted (DNA->RNA), og pre-mRNA udgør en stor del af disse ribonukleinsyrer. Pre-mRNA indeholder sekvenser, der skal fjernes eller “splejses ud”, før de kan oversættes til et protein. Disse sekvenser kan enten fjernes ved hjælp af RNA’ets egen katalytiske aktivitet eller ved hjælp af en multiproteinstruktur, der kaldes spliceosom. Efter dette forarbejdningstrin betragtes pre-mRNA’et som et modent mRNA-transkript.
Diagrammet nedenfor beskriver strukturen af pre-mRNA. Pre-mRNA omfatter introner og kan eller kan ikke omfatte 5′-kappen og den poly-adenylerede 3′-hale:
Monokistronisk mRNA
Et monokistronisk mRNA-molekyle indeholder exonsekvenserne, der koder for et enkelt protein. De fleste eukaryote mRNA’er er monokistroniske.
Bicistronisk mRNA
Et bicistronisk mRNA-molekyle indeholder de exon-kodningssekvenser, der koder for to proteiner.
Polycistronisk mRNA
Et polycistronisk mRNA-molekyle indeholder de exon-kodningssekvenser for flere proteiner. De fleste mRNA’er fra bakterier og bakteriofager (virus, der lever i bakterielle værter) er polycistroniske.
Prokaryote vs. eukaryote mRNA
Polykistroniske prokaryote mRNA’er indeholder flere steder til igangsætning og afslutning af proteinsyntesen. Eukaryoter har kun ét sted for translationsinitiering, og eukaryote mRNA’er er primært monokistroniske. prokaryoter mangler organeller og en veldefineret kernehinde, og derfor kan mRNA-oversættelse kobles sammen med mRNA-transskription i cytoplasmaet. Hos eukaryoter transskriberes mRNA på kromosomer i kernen, og efter behandling transporteres det gennem kerneporer og ud i cytoplasmaet. I modsætning til prokaryoter finder translation i eukaryoter først sted, når transkriptionen er afsluttet. prokaryote mRNA nedbrydes konstant af ribonukleaser, enzymer, der skærer RNA. F.eks. er halveringstiden for mRNA i E. Coli ca. to minutter. Bakterielle mRNA’er har en kort levetid for at give fleksibilitet i tilpasningen til hurtigt skiftende miljøforhold. Eukaryote mRNA’er er mere metabolisk stabile. For eksempel syntetiserer forstadier til pattedyrs røde blodlegemer (reticulocytter), som har mistet deres kerne, hæmoglobin i flere dage ved at oversætte mRNA’er, der blev transskriberet, da kernen stadig var til stede. Endelig gennemgår mRNA’erne fra prokaryoter en minimal behandling. Hos eukaryoter skal præ-mRNA’et gennemgå en behandling, inden det oversættes, hvilket indebærer fjernelse af introner, tilføjelse af 5′-kappen samt den 3′-polyadenylerede hale, før det modne mRNA er dannet og klar til at blive oversat.
MRNA’s funktioner
MRNA’ets primære funktion er at fungere som mellemled mellem den genetiske information i DNA og aminosyresekvensen i proteiner. mRNA indeholder kodoner, der er komplementære til sekvensen af nukleotider på skabelon-DNA’et og styrer dannelsen af aminosyrer ved hjælp af ribosomer og tRNA’er. mRNA indeholder også flere regulatoriske regioner, der kan bestemme timingen og hastigheden af oversættelsen. Desuden sikrer det, at oversættelsen foregår på en ordentlig måde, fordi det indeholder steder til docking af ribosomer, tRNA samt forskellige hjælpeproteiner.
Proteiner, der produceres af cellerne, spiller en række forskellige roller, enten som enzymer, strukturmolekyler eller som transportmaskineri for forskellige cellulære komponenter. Nogle celler er også specialiseret til at udskille proteiner, f.eks. kirtler, der producerer fordøjelsesenzymer eller hormoner, der påvirker hele organismens stofskifte.
mRNA-oversættelse
mRNA kan oversættes på frie ribosomer i cytoplasmaet ved hjælp af transfer RNA (tRNA)-molekyler og flere proteiner kaldet initierings-, elongations- og termineringsfaktorer. Proteiner, der syntetiseres på frie ribosomer i cytoplasmaet, anvendes ofte af cellen i selve cytoplasmaet eller er målrettet til brug inde i intracellulære organeller. Alternativt begynder proteiner, der skal udskilles, at blive oversat i cytoplasmaet, men så snart de første få rester er oversat, transporterer specifikke proteiner hele oversættelsesmaskineriet til membranen i det endoplasmatiske retikulum (ER). De første få aminosyrer bliver indlejret i ER-membranen, og resten af proteinet frigives i ER’s indre rum. Den korte sekvens fjernes fra proteiner, der skal udskilles fra cellen, mens de proteiner, der er beregnet til indre membraner, beholder denne korte strækning, som giver et membrananker.
Over 200 sygdomme er forbundet med defekter i forarbejdningen af pre-mRNA til mRNA. Mutationer i DNA eller splejsning maskineri påvirker hovedsageligt pre-mRNA-splejsningens nøjagtighed. En unormal DNA-sekvens kan f.eks. fjerne, svække eller aktivere skjulte splejsningssteder i pre-mRNA. Hvis splejsningsmaskineriet ikke fungerer korrekt, kan spliceosomet ligeledes klippe pre-mRNA’et forkert uanset sekvensen. Disse mutationer resulterer i forarbejdning af pre-mRNA til mRNA’er, som vil gå videre til at kode for dårligt fungerende proteiner. De unormale mRNA’er selv er undertiden også mål for nonsense-medieret mRNA-nedbrydning samt co-transkriptionel nedbrydning af nascent pre-mRNA’er. Celler fra patienter med en række forskellige sygdomme, herunder progeria, brystkræft og cystisk fibrose, udviser RNA-splejningsdefekter, hvor kræft og neuropatologiske sygdomme er de mest almindelige.
- Ribosomer – Ribosomer er enzymer, der består af mange proteiner, som katalyserer syntesen af proteiner fra mRNA i oversættelsesprocessen. Ribosomer findes frit i cellens cytoplasma eller forbliver knyttet til det endoplasmatiske retikulum.
- RNAP II – RNA Polymerase II er et enzym bestående af mange proteiner, der læser DNA og syntetiserer RNA i cellekernen i en proces, der kaldes transkription.
- Transkription – Transkription er syntesen af RNA fra DNA ved hjælp af RNA-polymerase.
- Translation – Translation er syntesen af proteiner fra mRNA, som involverer ribosomer og andre proteiner.
Quiz
1. Molekyler af modent mRNA er korte, enkeltstrengede og indeholder følgende komponenter:
A. adenin, cytosin, guanin og uracil, exoner, 5′-cap og 3′-poly-tail
B. adenin, cytosin, guanin og uracil, introns, exons, 5′-cap og 3′-poly-tail
C. adenin, cytosin, guanin og uracil, introns
D. introns, 5′-cap og 3′-poly-tail
2. Nævn placeringen og det cellulære maskineri, der er involveret i mRNA-transkription og -translation.
A. Transkriptionen sker i kernen ved hjælp af ribosomer; translationen sker i cytoplasmaet ved hjælp af RNAP II.
B. Transkription sker i kernen ved hjælp af RNAP II; translation sker i cytoplasmaet eller på det endoplasmatiske retikulum ved hjælp af ribosomer.
C. Transkriptionen sker på cellemembranen ved hjælp af RNAP II; translationen sker i cytoplasmaet ved hjælp af translationsfaktorer.
D. Ingen af ovenstående er korrekte.
3. Hvilke af følgende udsagn er sande om forskellene mellem eukaryotisk og prokaryotisk mRNA?
A. I modsætning til eukaryoter, der transskriberer i kernen og oversætter i cytoplasmaet, transskriberer og oversætter prokaryoter mRNA’et samtidig i cytoplasmaet.
B. Prokaryote mRNA er primært polycistronisk, mens eukaryote mRNA primært er monocistronisk.
C. Bakterielle mRNA’er er kortvarige for at give mulighed for fleksibilitet i hurtigt skiftende miljøer, mens eukaryote mRNA’er er stabile i op til et par dage.
D. Alle ovenstående er korrekte.
4. Hvad sker der under det vigtige trin i processen fra pre-mRNA til mRNA?
A. Ikke-kodende introner fjernes eller “splejses ud”.
B. Det mRNA oversættes til protein.
C. Pre-mRNA’et eksporteres ud af kernen.
D. Alle de ovennævnte.