Definicja Messenger RNA
Kwasy rybonukleinowe (mRNA) przenoszą informacje z DNA do maszynerii komórkowej, która wytwarza białka. Ciasno upakowane w każdym jądrze komórkowym, które mierzy zaledwie 10 mikronów średnicy, znajduje się trzymetrowej długości dwuniciowa „instrukcja obsługi” DNA, jak zbudować i utrzymać ludzkie ciało. Aby każda komórka mogła zachować swoją strukturę i wykonywać wszystkie swoje funkcje, musi nieustannie produkować specyficzne dla danego typu komórki części (białka). Wewnątrz każdego jądra, wielopodjednostkowe białko zwane polimerazą RNA II (RNAP II) odczytuje DNA i jednocześnie wytwarza „wiadomość” lub transkrypt, który jest nazywany messenger RNA (mRNA), w procesie zwanym transkrypcją. Cząsteczki mRNA składają się ze stosunkowo krótkich, pojedynczych pasm cząsteczek zbudowanych z zasad adeniny, cytozyny, guaniny i uracylu, połączonych szkieletem cukrowo-fosforanowym. Kiedy polimeraza RNA kończy odczytywanie fragmentu DNA, kopia pre-mRNA jest przetwarzana do postaci dojrzałego mRNA, a następnie przenoszona poza jądro komórkowe. Rybosomy odczytują mRNA i przekładają wiadomość na funkcjonalne białka w procesie zwanym translacją. W zależności od struktury i funkcji nowo zsyntetyzowanego białka, będzie ono dalej modyfikowane przez komórkę, eksportowane do przestrzeni pozakomórkowej lub pozostanie wewnątrz komórki. Poniższy schemat przedstawia transkrypcję (DNA->RNA) zachodzącą w jądrze komórkowym, gdzie RNAP jest enzymem polimerazy RNA II syntetyzującym RNA.
Prekursor mRNA zawiera introny i eksony. Introny są usuwane przed translacją, podczas gdy eksony kodują sekwencję aminokwasów w białkach. Aby wytworzyć dojrzałe mRNA, maszyneria komórkowa usuwa „nietranslacyjne” introny z pre-mRNA, pozostawiając w mRNA tylko sekwencje egzonów podlegające translacji.
Typy mRNA
Pre-mRNA i hnRNA
Prekursorowe mRNA (pre-mRNA) jest pierwotnym transkryptem eukariotycznego mRNA, który schodzi z szablonu DNA. Pre-mRNA jest częścią grupy RNA zwanej heterogenicznym jądrowym RNA (hnRNA). hnRNA odnosi się do wszystkich jednoniciowych RNA znajdujących się wewnątrz jądra komórki, gdzie zachodzi transkrypcja (DNA->RNA), a pre-mRNA stanowi dużą część tych kwasów rybonukleinowych. Pre-mRNA zawiera sekwencje, które muszą być usunięte lub „spliced out” zanim zostaną przetłumaczone na białko. Sekwencje te mogą być usunięte albo przez katalityczną aktywność samego RNA, albo przez działanie wielobiałkowej struktury zwanej spliceosomem. Po tym etapie przetwarzania, pre-mRNA jest uważane za dojrzały transkrypt mRNA.
Niżej przedstawiony schemat opisuje strukturę pre-mRNA. Pre-mRNA zawiera introny i może, ale nie musi zawierać czapeczki 5′ i poli-adenylowanego 3′ ogona:
Monocistronic mRNA
Cząsteczka monocistronic mRNA zawiera sekwencje egzonów kodujących pojedyncze białko. Większość eukariotycznych mRNA jest monocystronowa.
Bikistronowe mRNA
Bikistronowa cząsteczka mRNA zawiera sekwencje egzonów kodujących dwa białka.
Policystronowy mRNA
Cząsteczka policystronowego mRNA zawiera sekwencje kodujące egzony dla wielu białek. Większość mRNA bakterii i bakteriofagów (wirusów, które żyją w bakteryjnych gospodarzach) jest policystronowa.
Prokariotyczne vs. Eukariotyczne mRNA
Policystronowe prokariotyczne mRNA zawierają wiele miejsc inicjujących i kończących syntezę białka. Eukariota ma tylko jedno miejsce inicjacji translacji i eukariotyczne mRNA są głównie monocystronowe.Prokariota nie ma organelli i dobrze zdefiniowanej otoczki jądrowej, a zatem translacja mRNA może być sprzężona z transkrypcją mRNA w cytoplazmie. U eukariotów mRNA ulega transkrypcji na chromosomach w jądrze, a po przetworzeniu jest transportowane przez pory jądrowe do cytoplazmy. W przeciwieństwie do prokariotów, translacja u eukariotów odbywa się dopiero po zakończeniu transkrypcji. Prokariotyczny mRNA jest stale degradowany przez rybonukleazy, enzymy, które tną RNA. Na przykład, okres półtrwania mRNA w E. Coli wynosi około dwóch minut. Bakteryjne mRNA jest krótkotrwałe, aby umożliwić elastyczność w dostosowywaniu się do szybko zmieniających się warunków środowiska. MRNA u eukariotów jest bardziej stabilne metabolicznie. Na przykład, prekursory czerwonych krwinek ssaków (retikulocyty), które utraciły jądro, syntetyzują hemoglobinę przez kilka dni poprzez translację mRNA, które zostało przepisane, gdy jądro było jeszcze obecne. Wreszcie, mRNA prokariotów ulega minimalnej obróbce. U eukariotów pre-mRNA musi być poddane obróbce przed translacją, obejmującej usunięcie intronów, dodanie 5′ -kapsu, jak również 3′ poli-adenylowanego ogona, zanim powstanie dojrzałe mRNA gotowe do translacji.
Funkcje mRNA
Podstawową funkcją mRNA jest działanie jako pośrednik między informacją genetyczną w DNA a sekwencją aminokwasów w białkach. mRNA zawiera kodony, które są komplementarne do sekwencji nukleotydów na szablonowym DNA i kierują tworzeniem aminokwasów poprzez działanie rybosomów i tRNA. mRNA zawiera również wiele regionów regulatorowych, które mogą określać czas i tempo translacji. Ponadto zapewnia, że translacja przebiega w sposób uporządkowany, ponieważ zawiera miejsca dokowania rybosomów, tRNA, jak również różnych białek pomocniczych.
Białka produkowane przez komórki odgrywają różne role, albo jako enzymy, cząsteczki strukturalne lub jako maszyny transportowe dla różnych składników komórkowych. Niektóre komórki są również wyspecjalizowane w wydzielaniu białek, jak np. gruczoły produkujące enzymy trawienne lub hormony, które wpływają na metabolizm całego organizmu.
translacja mRNA
mRNA może być translokowane na wolnych rybosomach w cytoplazmie z pomocą cząsteczek transferowego RNA (tRNA) i wielu białek zwanych czynnikami inicjacji, elongacji i terminacji. Białka, które są syntetyzowane na wolnych rybosomach w cytoplazmie są często wykorzystywane przez komórkę w samej cytoplazmie lub kierowane do wykorzystania wewnątrz organelli wewnątrzkomórkowych. Alternatywnie, białka, które mają być wydzielane, zaczynają być tłumaczone w cytoplazmie, ale jak tylko kilka pierwszych reszt zostanie przetłumaczonych, specyficzne białka transportują całą maszynerię translacyjną do błony retikulum endoplazmatycznego (ER). Kilka początkowych aminokwasów zostaje wbudowanych w błonę ER, a reszta białka jest uwalniana do wnętrza ER. Ta krótka sekwencja jest usuwana z białek, które muszą być wydzielane z komórki, podczas gdy te przeznaczone dla błon wewnętrznych zachowują ten krótki odcinek zapewniający kotwicę błonową.
Ponad 200 chorób jest związanych z defektami w przetwarzaniu pre-mRNA na mRNA. Mutacje w DNA lub mechanizmach splicingu wpływają głównie na dokładność splicingu pre-mRNA. Na przykład, nieprawidłowa sekwencja DNA może eliminować, osłabiać lub aktywować ukryte miejsca splicingu w pre-mRNA. Podobnie, jeśli mechanizm splicingowy nie działa prawidłowo, spliceosom może przeciąć pre-mRNA nieprawidłowo, niezależnie od sekwencji. Mutacje te prowadzą do przetwarzania pre-mRNA na mRNA, które koduje nieprawidłowo działające białka. Nieprawidłowe mRNA są również czasem celem dla nonsensownego rozpadu mRNA, jak również ko-transkrypcyjnej degradacji powstających pre-mRNA. Komórki pochodzące od pacjentów z różnymi chorobami, włączając progerię, raka piersi i mukowiscydozę wykazują defekty splicingu RNA, przy czym rak i choroby neuropatologiczne są najbardziej powszechne.
- Rybosomy – Rybosomy są enzymami składającymi się z wielu białek, które katalizują syntezę białek z mRNA w procesie translacji. Rybosomy istnieją swobodnie w cytoplazmie komórki lub pozostają przyłączone do retikulum endoplazmatycznego.
- RNAP II – Polimeraza RNA II jest enzymem składającym się z wielu białek, który odczytuje DNA i syntetyzuje RNA w jądrze komórkowym w procesie zwanym transkrypcją.
- Transkrypcja – Transkrypcja to synteza RNA z DNA przez polimerazę RNA.
- Translacja – Translacja to synteza białek z mRNA z udziałem rybosomów i innych białek.
Quiz
1. Cząsteczki dojrzałego mRNA są krótkie, jednoniciowe i zawierają następujące składniki:
A. adenina, cytozyna, guanina i uracyl, eksony, 5′-kap i 3′-poly-tail
B. adenina, cytozyna, guanina i uracyl, introny, eksony, 5′-kap i 3′-poly-tail
C. adenina, cytozyna, guanina i uracyl, introny
D. introny, 5′-kap i 3′-poly-tail
2. Wymień miejsce i maszynerię komórkową zaangażowaną w transkrypcję i translację mRNA.
A. Transkrypcja zachodzi w jądrze poprzez działanie rybosomów; translacja zachodzi w cytoplazmie, poprzez RNAP II.
B. Transkrypcja zachodzi w jądrze poprzez działanie RNAP II; translacja zachodzi w cytoplazmie lub na retikulum endoplazmatycznym poprzez działanie rybosomu.
C. Transkrypcja zachodzi na błonie komórkowej poprzez działanie RNAP II; translacja zachodzi w cytoplazmie poprzez działanie czynników translacyjnych.
D. Żadne z powyższych nie jest prawidłowe.
3. Które z poniższych stwierdzeń jest prawdziwych na temat różnic między eukariotycznym i prokariotycznym mRNA?
A. W przeciwieństwie do eukariotów, u których transkrypcja zachodzi w jądrze, a translacja w cytoplazmie, u prokariotów transkrypcja i translacja mRNA zachodzi jednocześnie w cytoplazmie.
B. MRNA prokariotów jest przede wszystkim policystronowy, a mRNA eukariotów jest przede wszystkim monocystronowy.
C. Bakteryjne mRNA jest krótkotrwałe, aby umożliwić elastyczność w szybko zmieniających się środowiskach, podczas gdy eukariotyczne mRNA jest stabilne do kilku dni.
D. Wszystkie powyższe stwierdzenia są prawidłowe.
4. Co dzieje się podczas ważnego etapu przetwarzania pre-mRNA do mRNA?
A. Niekodujące introny są usuwane lub „spliced out”.
B. MRNA jest tłumaczone na białko.
C. Pre-mRNA zostaje wyeksportowane z jądra komórkowego.
D. Wszystkie z powyższych.