Messenger-RNA-Definition
Messenger-Ribonukleinsäuren (mRNAs) übertragen die Informationen der DNA an die Zellmaschinerie, die Proteine herstellt. In jedem Zellkern, der nur 10 Mikrometer im Durchmesser misst, befindet sich eine drei Meter lange doppelsträngige DNA-„Gebrauchsanweisung“ für den Aufbau und die Erhaltung eines menschlichen Körpers. Damit jede Zelle ihre Struktur beibehalten und alle ihre Funktionen erfüllen kann, muss sie ständig zelltypspezifische Teile (Proteine) herstellen. In jedem Zellkern liest ein Protein mit mehreren Untereinheiten, die so genannte RNA-Polymerase II (RNAP II), die DNA ab und stellt gleichzeitig eine „Nachricht“ oder ein Transkript her, die so genannte Boten-RNA (mRNA), in einem Prozess, der Transkription genannt wird. Die mRNA-Moleküle bestehen aus relativ kurzen, einsträngigen Molekülen, die aus Adenin-, Cytosin-, Guanin- und Uracil-Basen bestehen und durch ein Zucker-Phosphat-Grundgerüst zusammengehalten werden. Wenn die RNA-Polymerase einen Abschnitt der DNA ausgelesen hat, wird die prä-mRNA-Kopie zu reifer mRNA verarbeitet und aus dem Zellkern transportiert. Ribosomen lesen die mRNA und übersetzen die Nachricht in funktionelle Proteine in einem Prozess, der Translation genannt wird. Je nach Struktur und Funktion des neu synthetisierten Proteins wird es von der Zelle weiter modifiziert, in den extrazellulären Raum exportiert oder verbleibt in der Zelle. Das Diagramm unten zeigt die Transkription (DNA->RNA), die im Zellkern stattfindet, wo RNAP das RNA-Polymerase II-Enzym ist, das die RNA synthetisiert.
Die mRNA-Vorläufer enthält Introns und Exons. Introns werden vor der Translation entfernt, während Exons für die Aminosäuresequenz von Proteinen kodieren. Um reife mRNA herzustellen, entfernt die Zellmaschinerie „nicht übersetzbare“ Introns aus der Prä-mRNA, so dass nur übersetzbare Exon-Sequenzen in der mRNA verbleiben.
Typen von mRNA
Prä-mRNA und hnRNA
Die Vorläufer-mRNA (pre-mRNA) ist das primäre Transkript der eukaryotischen mRNA, das von der DNA-Vorlage stammt. Prä-mRNA gehört zu einer Gruppe von RNAs, die als heterogene nukleare RNA (hnRNA) bezeichnet wird. hnRNA bezieht sich auf alle einzelsträngigen RNAs, die sich im Zellkern befinden, wo die Transkription stattfindet (DNA->RNA), und prä-mRNA bildet einen großen Teil dieser Ribonukleinsäuren. Die prä-mRNA enthält Sequenzen, die entfernt oder „ausgespleißt“ werden müssen, bevor sie in ein Protein übersetzt wird. Diese Sequenzen können entweder durch die katalytische Aktivität der RNA selbst oder durch die Wirkung einer Multiproteinstruktur, dem so genannten Spleißosom, entfernt werden. Nach diesem Verarbeitungsschritt wird die prä-mRNA als reifes mRNA-Transkript betrachtet.
Das folgende Diagramm beschreibt die Struktur der prä-mRNA. Prä-mRNA enthält Introns und kann die 5′-Kappe und den polyadenylierten 3′-Schwanz enthalten oder nicht:
Monocistronische mRNA
Ein monocistronisches mRNA-Molekül enthält die Exon-Sequenzen, die für ein einziges Protein kodieren. Die meisten eukaryotischen mRNAs sind monocistronisch.
Bicistronische mRNA
Ein bicistronisches mRNA-Molekül enthält die Exon-Kodierungssequenzen für zwei Proteine.
Polycistronische mRNA
Ein polycistronisches mRNA-Molekül enthält die Exon-Codiersequenzen für mehrere Proteine. Die meisten mRNA von Bakterien und Bakteriophagen (Viren, die in bakteriellen Wirten leben) sind polycistronisch.
Prokaryotische vs. eukaryotische mRNA
Polycistronische prokaryotische mRNAs enthalten mehrere Stellen für die Einleitung und Beendigung der Proteinsynthese. Prokaryonten haben keine Organellen und keine gut definierte Kernhülle, so dass die mRNA-Translation mit der mRNA-Transkription im Zytoplasma gekoppelt werden kann. Bei Eukaryonten wird die mRNA auf den Chromosomen im Zellkern transkribiert und nach der Verarbeitung durch die Kernporen in das Zytoplasma transportiert. Im Gegensatz zu Prokaryonten findet die Translation bei Eukaryonten erst nach Abschluss der Transkription statt. mRNA aus Prokaryonten wird ständig durch Ribonukleasen, Enzyme, die RNA schneiden, abgebaut. So beträgt die Halbwertszeit der mRNA in E. Coli etwa zwei Minuten. Bakterielle mRNAs sind kurzlebig, damit sie sich flexibel an schnell wechselnde Umweltbedingungen anpassen können. Eukaryotische mRNAs sind stoffwechselstabiler. So synthetisieren beispielsweise die Vorläufer der roten Blutkörperchen von Säugetieren (Retikulozyten), die ihren Zellkern verloren haben, mehrere Tage lang Hämoglobin, indem sie mRNAs übersetzen, die transkribiert wurden, als der Zellkern noch vorhanden war. Schließlich werden die mRNAs der Prokaryonten nur minimal verarbeitet. Bei Eukaryonten muss die prä-mRNA vor der Übersetzung verarbeitet werden, wobei Introns entfernt, die 5′-Cap und der polyadenylierte 3′-Schwanz angefügt werden, bevor die reife mRNA gebildet und zur Übersetzung bereit ist.
Funktionen der mRNA
Die Hauptfunktion der mRNA besteht darin, als Vermittler zwischen der genetischen Information in der DNA und der Aminosäuresequenz der Proteine zu fungieren. Die mRNA enthält Codons, die komplementär zur Nukleotidsequenz auf der DNA-Vorlage sind und die Bildung von Aminosäuren durch die Wirkung von Ribosomen und tRNA steuern. mRNA enthält auch mehrere regulatorische Regionen, die den Zeitpunkt und die Geschwindigkeit der Translation bestimmen können. Außerdem sorgt sie für einen geordneten Ablauf der Translation, da sie Stellen für das Andocken von Ribosomen, tRNA und verschiedenen Helferproteinen enthält.
Proteine, die von den Zellen produziert werden, spielen eine Vielzahl von Rollen, entweder als Enzyme, Strukturmoleküle oder als Transportmaschinen für verschiedene Zellkomponenten. Einige Zellen sind auch auf die Sekretion von Proteinen spezialisiert, wie z.B. die Drüsen, die Verdauungsenzyme oder Hormone produzieren, die den Stoffwechsel des gesamten Organismus beeinflussen.
mRNA Translation
mRNA kann an freien Ribosomen im Zytoplasma mit Hilfe von Transfer-RNA (tRNA)-Molekülen und mehreren Proteinen, den sogenannten Initiations-, Elongations- und Terminationsfaktoren, übersetzt werden. Proteine, die an freien Ribosomen im Zytoplasma synthetisiert werden, werden häufig von der Zelle im Zytoplasma selbst verwendet oder für die Verwendung in intrazellulären Organellen bestimmt. Alternativ dazu werden Proteine, die sezerniert werden sollen, zunächst im Zytoplasma übersetzt, aber sobald die ersten paar Reste übersetzt sind, transportieren spezifische Proteine die gesamte Übersetzungsmaschinerie zur Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER). Die ersten paar Aminosäuren werden in die ER-Membran eingebettet und der Rest des Proteins wird in den Innenraum des ER freigesetzt. Bei Proteinen, die aus der Zelle ausgeschieden werden müssen, wird die kurze Sequenz entfernt, während diejenigen, die für interne Membranen bestimmt sind, diesen kurzen Abschnitt als Membrananker beibehalten.
Über 200 Krankheiten sind mit Defekten bei der Verarbeitung von prä-mRNA zu mRNA verbunden. Mutationen in der DNA oder der Spleißmaschinerie beeinträchtigen die Genauigkeit des Spleißens von prä-mRNA erheblich. So kann beispielsweise eine abnorme DNA-Sequenz versteckte Spleißstellen in der prä-mRNA eliminieren, schwächen oder aktivieren. Wenn der Spleißmechanismus nicht richtig funktioniert, kann das Spleißosom die prä-mRNA unabhängig von der Sequenz falsch schneiden. Diese Mutationen führen dazu, dass die prä-mRNA zu mRNAs verarbeitet wird, die dann für nicht funktionierende Proteine kodieren. Die abnormen mRNAs selbst sind manchmal auch Ziel des Nonsense-vermittelten mRNA-Zerfalls sowie des co-transkriptionellen Abbaus der naszierenden prä-mRNAs. Zellen von Patienten mit einer Vielzahl von Krankheiten, darunter Progerie, Brustkrebs und Mukoviszidose, weisen RNA-Spleißdefekte auf, wobei Krebs und neuropathologische Krankheiten am häufigsten sind.
- Ribosom – Ribosomen sind Enzyme, die aus vielen Proteinen bestehen und die Synthese von Proteinen aus mRNA im Rahmen des Übersetzungsprozesses katalysieren. Ribosomen existieren frei im Zytoplasma der Zelle oder bleiben an das endoplasmatische Retikulum gebunden.
- RNAP II – Die RNA-Polymerase II ist ein Enzym, das aus vielen Proteinen besteht, die die DNA ablesen und die RNA im Zellkern in einem als Transkription bezeichneten Prozess synthetisieren.
- Transkription – Transkription ist die Synthese von RNA aus der DNA durch die RNA-Polymerase.
- Translation – Translation ist die Synthese von Proteinen aus mRNA unter Beteiligung von Ribosomen und anderen Proteinen.
Quiz
1. Die Moleküle der reifen mRNA sind kurz, einzelsträngig und enthalten die folgenden Bestandteile:
A. Adenin, Cytosin, Guanin und Uracil, Exons, 5′-Cap und 3′-Poly-Tail
B. Adenin, Cytosin, Guanin und Uracil, Introns, Exons, 5′-cap und 3′-poly-tail
C. Adenin, Cytosin, Guanin und Uracil, Introns
D. Introns, 5′-cap und 3′-poly-tail
2. Nenne den Ort und die zelluläre Maschinerie, die an der Transkription und Translation der mRNA beteiligt sind.
A. Die Transkription erfolgt im Zellkern durch die Wirkung der Ribosomen, die Translation erfolgt im Zytoplasma durch RNAP II.
B. Die Transkription erfolgt im Zellkern durch die Wirkung von RNAP II; die Translation erfolgt im Zytoplasma oder im endoplasmatischen Retikulum durch die Wirkung von Ribosomen.
C. Die Transkription erfolgt an der Zellmembran durch die Wirkung von RNAP II; die Translation erfolgt im Zytoplasma durch die Wirkung von Translationsfaktoren.
D. Keine der obigen Aussagen ist richtig.
3. Welche der folgenden Aussagen über die Unterschiede zwischen eukaryotischer und prokaryotischer mRNA sind richtig?
A. Im Gegensatz zu Eukaryoten, die im Zellkern transkribieren und im Zytoplasma übersetzen, transkribieren und übersetzen Prokaryoten die mRNA gleichzeitig im Zytoplasma.
B. Die mRNA von Prokaryonten ist hauptsächlich polycistronisch und die von Eukaryonten hauptsächlich monocistronisch.
C. Bakterielle mRNAs sind kurzlebig, um Flexibilität in sich schnell verändernden Umgebungen zu ermöglichen, während eukaryotische mRNAs bis zu ein paar Tagen stabil sind.
D. Alle oben genannten Aussagen sind richtig.
4. Was passiert während des wichtigen Schrittes der Verarbeitung von prä-mRNA zu mRNA?
A. Nichtcodierende Introns werden entfernt oder „ausgespleißt“.
B. Die mRNA wird in Protein übersetzt.
C. Die pre-mRNA wird aus dem Zellkern exportiert.
D. Alle der oben genannten Punkte.