Boodschapper-RNA Definitie
Boodschapper-ribonucleïnezuren (mRNA’s) dragen de informatie van het DNA over aan de celmachines die eiwitten maken. Dicht opeengepakt in elke celkern, die slechts 10 micron in diameter meet, zit een drie meter lange dubbelstrengs DNA “gebruiksaanwijzing” over hoe een menselijk lichaam moet worden gebouwd en onderhouden. Opdat elke cel zijn structuur zou kunnen behouden en al zijn functies zou kunnen uitoefenen, moet hij voortdurend celspecifieke onderdelen (eiwitten) produceren. In elke celkern leest een eiwit met meerdere subeenheden, RNA polymerase II (RNAP II) genaamd, het DNA en fabriceert tegelijkertijd een “boodschap” of transcript, dat boodschapper-RNA (mRNA) wordt genoemd, in een proces dat transcriptie wordt genoemd. Moleculen mRNA zijn opgebouwd uit relatief korte, enkelvoudige strengen moleculen die bestaan uit adenine-, cytosine-, guanine- en uracilbasen, bijeengehouden door een suikerfosfaatruggengraat. Wanneer RNA-polymerase klaar is met het lezen van een sectie van het DNA, wordt de pre-mRNA-kopie verwerkt tot rijp mRNA en vervolgens uit de celkern overgebracht. Ribosomen lezen het mRNA en vertalen de boodschap in functionele eiwitten in een proces dat translatie wordt genoemd. Afhankelijk van de structuur en functie van het nieuw gesynthetiseerde eiwit zal het door de cel verder worden gewijzigd, naar de extracellulaire ruimte worden geëxporteerd, of binnen de cel blijven. Onderstaand schema laat zien hoe transcriptie (DNA->RNA) plaatsvindt in de celkern, waar RNAP het RNA polymerase II enzym is dat RNA synthetiseert.
Precursor-mRNA bevat introns en exons. Introns worden vóór de translatie verwijderd, terwijl exons coderen voor de aminozuurvolgorde van eiwitten. Om volgroeid mRNA te maken, verwijdert de celmachine “niet-vertaalbare” introns uit het pre-mRNA, zodat alleen de vertaalbare exon-sequenties in het mRNA overblijven.
Typen mRNA
Pre-mRNA en hnRNA
Precursor-mRNA (pre-mRNA) is het primaire transcript van eukaryotisch mRNA zoals het van het DNA-sjabloon afkomt. Pre-mRNA maakt deel uit van een groep RNA’s die heterogeen kern-RNA (hnRNA) wordt genoemd. hnRNA verwijst naar alle enkelstrengs RNA dat zich in de celkern bevindt waar de transcriptie plaatsvindt (DNA->RNA) en pre-mRNA vormt een groot deel van deze ribonucleïnezuren. Pre-mRNA bevat sequenties die moeten worden verwijderd of “uitgesplitst” voordat zij in een eiwit worden vertaald. Deze sequenties kunnen ofwel worden verwijderd door de katalytische activiteit van het RNA zelf, ofwel door de werking van een multi-eiwitstructuur die spliceosoom wordt genoemd. Na deze bewerkingsstap wordt het pre-mRNA beschouwd als een rijp mRNA-transcript.
Het onderstaande diagram beschrijft de structuur van pre-mRNA. Pre-mRNA omvat intronen en kan al dan niet de 5′-kap en de gepolyadenyleerde 3′-staart bevatten:
Monocistronisch mRNA
Een monocistronisch mRNA-molecuul bevat de exon-sequenties die coderen voor één eiwit. De meeste eukaryote mRNA’s zijn monocistronisch.
Bicistronisch mRNA
Een bicistronisch mRNA-molecuul bevat de exon-coderende sequenties voor twee eiwitten.
Polycistronisch mRNA
Een polycistronisch mRNA-molecuul bevat de exon-coderende sequenties voor meerdere eiwitten. De meeste mRNA van bacteriën en bacteriofagen (virussen die in bacteriële gastheren leven) zijn polycistronisch.
Prokaryotisch vs. Eukaryotisch mRNA
Polycistronische prokaryotische mRNA’s bevatten meerdere plaatsen voor het initiëren en beëindigen van de eiwitsynthese. Eukaryoten hebben slechts één plaats voor translatie-initiatie en eukaryote mRNA’s zijn voornamelijk monocistronisch.Prokaryoten missen organellen en een goed gedefinieerde nucleaire envelop, en daarom kan mRNA translatie worden gekoppeld aan mRNA transcriptie in het cytoplasma. Bij eukaryoten wordt het mRNA getranscribeerd op chromosomen in de kern, en na verwerking wordt het door de nucleaire poriën naar het cytoplasma getransporteerd. In tegenstelling tot prokaryoten vindt de translatie bij eukaryoten pas plaats nadat de transcriptie is voltooid. Prokaryotisch mRNA wordt voortdurend afgebroken door ribonucleasen, enzymen die het RNA verknippen. De halfwaardetijd van mRNA in E. Coli is bijvoorbeeld ongeveer twee minuten. Bacteriële mRNA’s hebben een korte levensduur, zodat zij zich flexibel kunnen aanpassen aan snel veranderende omgevingsomstandigheden. Eukaryote mRNA’s zijn metabolisch stabieler. Zo synthetiseren de voorlopers van rode bloedcellen van zoogdieren (reticulocyten), die hun kern hebben verloren, gedurende verscheidene dagen hemoglobine door mRNA’s te vertalen die werden getranscribeerd toen de kern nog aanwezig was. Tenslotte ondergaan de mRNA’s van prokaryoten een minimale bewerking. Bij eukaryoten moet het pre-mRNA worden bewerkt voordat het wordt vertaald, waarbij introns worden verwijderd, de 5′-kap wordt toegevoegd, alsmede de 3′-poly-adenyl-staart, voordat het rijpe mRNA wordt gevormd en klaar is om te worden vertaald.
Functies van mRNA
De primaire functie van mRNA is te fungeren als intermediair tussen de genetische informatie in het DNA en de aminozuur-sequentie van eiwitten. mRNA bevat codons die complementair zijn aan de sequentie van nucleotiden op het template-DNA en die de vorming van aminozuren sturen door de werking van ribosomen en tRNA. mRNA bevat ook meerdere regulerende gebieden die de timing en de snelheid van de translatie kunnen bepalen. Bovendien zorgt het ervoor dat de translatie ordelijk verloopt, omdat het plaatsen bevat waar ribosomen, tRNA en diverse helpeiwitten kunnen worden gekoppeld.
Eiwitten die door de cellen worden geproduceerd, spelen een uiteenlopende rol als enzymen, structurele moleculen of als transportmechanismen voor diverse cellulaire componenten. Sommige cellen zijn ook gespecialiseerd in het afscheiden van eiwitten, zoals de klieren die spijsverteringsenzymen produceren of hormonen die het metabolisme van het hele organisme beïnvloeden.
mRNA Translation
MRNA kan worden vertaald op vrije ribosomen in het cytoplasma met behulp van transfer RNA (tRNA) moleculen en meerdere eiwitten die initiatie-, elongatie- en terminatiefactoren worden genoemd. Eiwitten die op vrije ribosomen in het cytoplasma worden gesynthetiseerd, worden vaak door de cel in het cytoplasma zelf gebruikt of zijn bestemd voor gebruik binnen intracellulaire organellen. Anderzijds beginnen eiwitten die moeten worden afgescheiden in het cytoplasma te worden vertaald, maar zodra de eerste paar residuen zijn vertaald, transporteren specifieke eiwitten de gehele vertaalmachine naar het membraan van het endoplasmatisch reticulum (ER). De eerste paar aminozuren worden ingebed in het ER-membraan en de rest van het eiwit komt vrij in de binnenruimte van het ER. De korte sequentie wordt verwijderd uit eiwitten die uit de cel moeten worden afgescheiden, terwijl eiwitten die bestemd zijn voor interne membranen dat korte stuk behouden als membraananker.
Meer dan 200 ziekten worden in verband gebracht met defecten in de verwerking van pre-mRNA tot mRNA. Mutaties in het DNA of in de splicing-machines hebben grote invloed op de nauwkeurigheid van de pre-mRNA splicing. Zo kan een abnormale DNA-sequentie verborgen splitsingsplaatsen in het pre-mRNA elimineren, verzwakken of activeren. Als de splicingmachine niet goed werkt, kan het spliceosoom het pre-mRNA verkeerd knippen, ongeacht de sequentie. Deze mutaties resulteren in de verwerking van pre-mRNA tot mRNA’s die vervolgens coderen voor slecht functionerende eiwitten. De abnormale mRNA’s zelf zijn soms ook het doelwit van nonsens-gemedieerd mRNA-verval en co-transcriptionele degradatie van ontluikende pre-mRNA’s. Cellen afkomstig van patiënten met een verscheidenheid van ziekten, waaronder progeria, borstkanker en cystische fibrose vertonen RNA-splicing defecten, waarbij kanker en neuropathologische ziekten de meest voorkomende zijn.
- Ribosoom – Ribosomen zijn enzymen die bestaan uit vele eiwitten die de synthese van eiwitten uit mRNA katalyseren in het proces van translatie. Ribosomen bestaan vrij in het cytoplasma van de cel of blijven vastzitten aan het endoplasmatisch reticulum.
- RNAP II – RNA Polymerase II is een enzym dat bestaat uit vele eiwitten die DNA leest en RNA synthetiseert in de celkern in een proces dat transcriptie wordt genoemd.
- Transcriptie – Transcriptie is de synthese van RNA uit DNA door RNA polymerase.
- Translation – Translation is de synthese van eiwitten uit mRNA waarbij ribosomen en andere eiwitten betrokken zijn.
Quiz
1. Moleculen van rijp mRNA zijn kort, enkelstrengs en bevatten de volgende componenten:
A. adenine, cytosine, guanine en uracil, exonen, 5′-cap en 3′-poly-tail
B. adenine, cytosine, guanine en uracil, introns, exonen, 5′-cap en 3′-poly-tail
C. adenine, cytosine, guanine en uracil, introns
D. introns, 5′-cap en 3′-poly-tail
2. Noem de plaats en de cellulaire machinerie betrokken bij mRNA transcriptie en translatie.
A. Transcriptie vindt plaats in de kern door de werking van ribosomen; translatie vindt plaats in het cytoplasma, door RNAP II.
B. Transcriptie vindt plaats in de celkern door toedoen van RNAP II; translatie vindt plaats in het cytoplasma of op het endoplasmatisch reticulum, door toedoen van ribosomen.
C. Transcriptie vindt plaats op het celmembraan door de werking van RNAP II; translatie vindt plaats in het cytoplasma door de werking van translatiefactoren.
D. Geen van bovenstaande is juist.
3. Welke van de volgende beweringen is waar over de verschillen tussen eukaryotisch en prokaryotisch mRNA?
A. In tegenstelling tot eukaryoten die transcriberen in de kern en vertalen in het cytoplasma, transcriberen en vertalen prokaryoten het mRNA gelijktijdig in het cytoplasma.
B. Prokaryote mRNA is hoofdzakelijk polycistronic en eukaryotic mRNA is hoofdzakelijk monocistronic.
C. Bacteriële mRNA’s zijn kortlevend om flexibiliteit in snel veranderende omgevingen mogelijk te maken, terwijl eukaryote mRNA’s tot een paar dagen stabiel zijn.
D. Alle bovenstaande beweringen zijn juist.
4. Wat gebeurt er tijdens de belangrijke stap van pre-mRNA naar mRNA verwerking?
A. Niet-coderende introns worden verwijderd of “uitgesplitst”.
B. Het mRNA wordt vertaald in eiwit.
C. Het pre-mRNA wordt uit de kern geëxporteerd.
D. Alle bovenstaande.