Messenger RNA Definition
Messenger ribonukleinsyror (mRNA) överför information från DNA till cellmaskineriet som tillverkar proteiner. Tätt packad i varje cellkärna, som bara mäter 10 mikrometer i diameter, finns en tre meter lång dubbelsträngad DNA-”bruksanvisning” om hur en människokropp ska byggas och underhållas. För att varje cell ska kunna bibehålla sin struktur och utföra alla sina funktioner måste den kontinuerligt tillverka celltypspecifika delar (proteiner). I varje cellkärna läser ett protein med flera underenheter som kallas RNA-polymeras II (RNAP II) DNA och tillverkar samtidigt ett ”meddelande” eller transkript, som kallas messenger RNA (mRNA), i en process som kallas transkription. Molekyler av mRNA består av relativt korta, enkla molekylsträngar som består av adenin-, cytosin-, guanin- och uracilbaser som hålls samman av en sockerfosfatryggrad. När RNA-polymeraset har läst färdigt en del av DNA:t bearbetas pre-mRNA-kopian till moget mRNA och överförs sedan ut ur cellkärnan. Ribosomerna läser mRNA och översätter meddelandet till funktionella proteiner i en process som kallas översättning. Beroende på det nysyntetiserade proteinets struktur och funktion kommer det att modifieras ytterligare av cellen, exporteras till det extracellulära rummet eller stanna kvar i cellen. Diagrammet nedan visar transkription (DNA->RNA) som äger rum i cellkärnan där RNAP är RNA-polymeras II-enzymet som syntetiserar RNA.
Precursor mRNA innehåller introner och exoner. Intronerna avlägsnas före översättning, medan exonerna kodar för aminosyrasekvensen i proteiner. För att göra moget mRNA tar cellmaskineriet bort ”icke översättningsbara” introner från pre-mRNA och lämnar endast översättningsbara exonsekvenser i mRNA.
Typer av mRNA
Pre-mRNA och hnRNA
Precursor mRNA (pre-mRNA) är det primära transkriptet av eukaryotiskt mRNA när det kommer från DNA-mallen. Pre-mRNA ingår i en grupp av RNA som kallas heterogena nukleära RNA (hnRNA). hnRNA avser alla enkelsträngade RNA som finns inne i cellens kärna där transkriptionen äger rum (DNA->RNA) och pre-mRNA utgör en stor del av dessa ribonukleinsyror. Pre-mRNA innehåller sekvenser som måste avlägsnas eller ”splicas ut” innan de översätts till ett protein. Dessa sekvenser kan antingen avlägsnas genom den katalytiska aktiviteten hos själva RNA:t eller genom verkan av en multiproteinstruktur som kallas spliceosom. Efter detta bearbetningssteg betraktas pre-mRNA som ett moget mRNA-transkript.
Diagrammet nedan beskriver pre-mRNA:s struktur. Pre-mRNA innehåller introner och kan eller kan inte innehålla 5′ cap och polyadenylerad 3′ tail:
Monokistroniskt mRNA
En monokistronisk mRNA-molekyl innehåller de exonsekvenser som kodar för ett enda protein. De flesta eukaryotiska mRNA är monokistroniska.
Bicistroniskt mRNA
En bicistronisk mRNA-molekyl innehåller exon-kodningssekvenser för två proteiner.
Polykistroniskt mRNA
En polykistronisk mRNA-molekyl innehåller exon-kodande sekvenser för flera proteiner. De flesta mRNA från bakterier och bakteriofager (virus som lever i bakteriella värdar) är polycistroniska.
Prokaryotiskt vs. eukaryotiskt mRNA
Polykistroniska prokaryotiska mRNA innehåller flera platser för att initiera och terminera proteinsyntesen. Eukaryoter har endast en plats för initiering av translation och eukaryotiska mRNA är huvudsakligen monokistroniska. prokaryoter saknar organeller och ett väldefinierat kärnhölje, och därför kan mRNA-translation kopplas till mRNA-transkription i cytoplasman. Hos eukaryoter transkriberas mRNA på kromosomer i kärnan och efter bearbetning transporteras det genom kärnporer och ut i cytoplasman. Till skillnad från prokaryoter sker översättningen i eukaryoter först efter att transkriptionen har slutförts. prokaryotiskt mRNA bryts ständigt ned av ribonukleaser, enzymer som skär RNA. Halveringstiden för mRNA i E. Coli är till exempel ungefär två minuter. Bakteriernas mRNA är kortlivade för att möjliggöra flexibilitet när det gäller att anpassa sig till snabbt förändrade miljöförhållanden. Eukaryotiska mRNA är mer metaboliskt stabila. Exempelvis syntetiserar föregångare till däggdjurs röda blodkroppar (retikulocyter), som har förlorat sin kärna, hemoglobin i flera dagar genom att översätta mRNA som transkriberades när kärnan fortfarande fanns kvar. Slutligen genomgår mRNA från prokaryoter minimal bearbetning. I eukaryoter måste pre-mRNA genomgå en bearbetning innan det översätts, vilket innebär att introner avlägsnas, att 5′-kapseln samt den 3′-polyadenylerade svansen läggs till innan det mogna mRNA:t bildas och är redo att översättas.
MRNA:s funktioner
MRNA:s primära funktion är att fungera som en mellanhand mellan den genetiska informationen i DNA och aminosyresekvensen i proteiner. mRNA innehåller kodoner som är komplementära till sekvensen av nukleotider på DNA-mallen och styr bildandet av aminosyror genom verkan av ribosomer och tRNA. mRNA innehåller också flera regulatoriska regioner som kan bestämma tidpunkten och hastigheten för översättningen. Dessutom säkerställer det att översättningen fortskrider på ett ordnat sätt eftersom det innehåller platser för dockning av ribosomer, tRNA samt olika hjälpproteiner.
Proteiner som produceras av cellerna spelar en mängd olika roller, antingen som enzymer, strukturella molekyler eller som transportmaskineri för olika cellkomponenter. Vissa celler är också specialiserade på att utsöndra proteiner, till exempel körtlar som producerar matsmältningsenzymer eller hormoner som påverkar ämnesomsättningen i hela organismen.
mRNA-translation
mRNA kan översättas på fria ribosomer i cytoplasman med hjälp av transfer-RNA-molekyler (tRNA) och flera proteiner som kallas initierings-, förlängnings- och termineringsfaktorer. Proteiner som syntetiseras på fria ribosomer i cytoplasman används ofta av cellen i själva cytoplasman eller är riktade för användning inuti intracellulära organeller. Alternativt börjar proteiner som måste utsöndras översättas i cytoplasman, men så snart de första resterna är översatta transporterar specifika proteiner hela översättningsmaskineriet till membranet i det endoplasmatiska retikulumet (ER). De första aminosyrorna bäddas in i ER-membranet och resten av proteinet släpps ut i ER:s inre utrymme. Den korta sekvensen avlägsnas från proteiner som måste utsöndras från cellen, medan de som är avsedda för inre membran behåller denna korta sträcka som ger ett membranankare.
Över 200 sjukdomar är förknippade med defekter i bearbetningen av pre-mRNA till mRNA. Mutationer i DNA eller splicingmaskineriet påverkar främst pre-mRNA-splicingens noggrannhet. En onormal DNA-sekvens kan till exempel eliminera, försvaga eller aktivera dolda skarvplatser i pre-mRNA. På samma sätt kan spliceosomen klippa pre-mRNA felaktigt, oavsett sekvensen, om spliceringsmaskineriet inte fungerar som det ska. Dessa mutationer leder till att pre-mRNA bearbetas till mRNA som sedan kodar för fel fungerande proteiner. De onormala mRNA:erna själva är också ibland måltavlor för nonsense-medierat mRNA-sönderfall samt co-transkriptionell nedbrytning av nasala pre-mRNA:er. Celler som härstammar från patienter med en rad olika sjukdomar, däribland progeria, bröstcancer och cystisk fibros, uppvisar RNA-splicingdefekter, där cancer och neuropatologiska sjukdomar är de vanligaste.
- Ribosom – Ribosomer är enzymer som består av många proteiner som katalyserar syntesen av proteiner från mRNA i översättningsprocessen. Ribosomer existerar fritt i cellens cytoplasma eller förblir fästade vid det endoplasmatiska retikulumet.
- RNAP II – RNA-polymeras II är ett enzym som består av många proteiner som läser DNA och syntetiserar RNA i cellkärnan i en process som kallas transkription.
- Transkription – Transkription är syntesen av RNA från DNA med hjälp av RNA-polymeras.
- Translation – Translation är syntesen av proteiner från mRNA som involverar ribosomer och andra proteiner.
Quiz
1. Molekyler av moget mRNA är korta, enkelsträngade och innehåller följande komponenter:
A. adenin, cytosin, guanin och uracil, exoner, 5′-cap och 3′-poly-tail
B. adenin, cytosin, guanin och uracil, introner, exoner, 5′-cap och 3′-poly-tail
C. adenin, cytosin, guanin och uracil, introner
D. introner, 5′-cap och 3′-poly-tail
2. Nämn den plats och det cellulära maskineri som är involverade i mRNA:s transkription och översättning.
A. Transkriptionen sker i kärnan genom ribosomernas inverkan; översättningen sker i cytoplasman genom RNAP II.
B. Transkriptionen sker i kärnan genom RNAP II:s verkan; översättningen sker i cytoplasman eller i det endoplasmatiska retikulumet genom ribosomernas verkan.
C. Transkriptionen sker på cellmembranet genom RNAP II:s verkan; översättningen sker i cytoplasman genom översättningsfaktorernas verkan.
D. Inget av ovanstående är korrekt.
3. Vilka av följande påståenden stämmer om skillnaderna mellan eukaryotiskt och prokaryotiskt mRNA?
A. Till skillnad från eukaryoter som transkriberar i kärnan och översätter i cytoplasman, transkriberar och översätter prokaryoter mRNA samtidigt i cytoplasman.
B. Prokaryoters mRNA är huvudsakligen polycistroniskt och eukaryoters mRNA är huvudsakligen monocistroniskt.
C. Bakteriella mRNA är kortlivade för att möjliggöra flexibilitet i snabbt föränderliga miljöer, medan eukaryotiska mRNA är stabila upp till några dagar.
D. Alla ovanstående är korrekta.
4. Vad händer under det viktiga steget från pre-mRNA till mRNA-bearbetning?
A. Icke-kodande introner avlägsnas eller ”splicas ut”.
B. Det mRNA översätts till protein.
C. Pre-mRNA exporteras ut ur kärnan.
D. Alla ovanstående.