Messenger-RNA (mRNA) – Die Botenstoffe des Genoms

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Was ist Messenger-RNA (mRNA)?

Die Messenger-RNA oder mRNA ist einzelsträngige Ribonukleinsäure. Dies ist eine Art von Nukleinsäure, die hauptsächlich für Proteine kodiert. Dieses kleine Molekül ist das Transkript eines Abschnitts von DNA Reihenfolge. Die mRNA enthält Informationen zur Proteinproduktion in einer Zelle.

Bestimmte Abschnitte der Desoxyribonukleinsäuren werden durch ein Enzym RNA-Polymerase (verschieden von.) In RNA exprimiert DNA-Polymerase das kopiert DNA). Dieser Vorgang wird als Transkription bezeichnet. Während der Proteinsynthese dient es als Vorlage für die ribosomale Proteinbiosynthese. Dies ebnet letztendlich den Weg für die Synthese der Polypeptidkette.

Im Falle von mRNA-basierte Medikamente Zellen neigen dazu, das aktive Protein gemäß Sequenzinformationen zu produzieren. Bei RNA-basierten Impfstoffen kann dieses Protein als Antigen wirken.

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Herausgegeben von Christina Swords, Ph.D.

Transkription

Während Transkription wird ein Abschnitt des genetischen Codes in einen einzelnen RNA-Strang transkribiert. Solche Abschnitte werden als codierende Regionen bezeichnet. Dies geschieht unter der Wirkung des Enzyms RNA-Polymerase.

Der kodierende DNA-Strang dient als Matrix für den Aufbau eines RNA-Strangs. Die synthetisierte mRNA codiert ein Protein in einem Translationsprozess.

Prokaryoten haben keinen Kern und zeigen eine Transkription im Zytoplasma. In den Eukaryoten wird das Kerngenom im Karyoplasma des Zellkerns transkribiert.

Ein einfacher Arbeitsablauf zur mRNA-Bildung.
Ein vereinfachter Fluss der Bildung von Messenger-RNA (mRNA). Bildquelle: Dovelike, Wikimedia Commons CC-BY-SA 3.0

In Prokaryoten können Ribosomen bereits an die noch nicht vollständig synthetisierte mRNA-Sequenz binden. Und dann mit der Übersetzung beginnen. Daher kann die Synthese von Proteinen gleichzeitig mit der Transkription beginnen, was spezielle Formen von ermöglicht Gen Verordnung.

Bei Eukaryoten wird das primäre RNA-Transkript zunächst verschiedenen Prozessen im Zellkern ausgesetzt. Erst dann wird es als mRNA aus dem Zellkern in das Zytoplasma exportiert, wo sich die Ribosomen befinden.

Prokaryoten besitzen nur einen Typ von RNA-Polymerase zur Synthese von RNA. Im Gegensatz dazu besitzen Eukaryoten verschiedene Arten von RNA-Polymerasen. Und vor allem die RNA-Polymerase II katalysiert die Synthese von Prä-mRNA.

Ein Hauptunterschied zwischen prokaryotischer und eukaryotischer Messenger-RNA besteht darin, dass prokaryotische mRNA normalerweise polycistronisch ist, während eukaryotische Messenger-RNA normalerweise monocistronisch ist. Dies ermöglicht es Prokaryoten, die Information mehrerer Gene auf nur einem einzigen mRNA-Transkript zu haben. Die Synthese der kodierten Proteine und die mRNA-Synthese erfolgen also gleichzeitig. Eine solche gemeinsam transkribierte Region funktionell verwandter Gene auf der DNA wird als Operon bezeichnet.

Verarbeitung eukaryotischer Pre-Messenger-RNA (Pre-mRNA)

In eukaryotischen Zellen wird eine reife Messenger-RNA von produziert wird bearbeitet sein Vorläufer. Der Vorläufer wird als hnRNA (heterogene Kern-RNA) oder Prä-mRNA (Vorläufer-Messenger-RNA, Prä-mRNA) bezeichnet.

Diese Schritte finden im Zellkern statt. Dann tritt die mRNA durch Kernporen in das Zytoplasma ein. Und schließlich findet die Proteinbiosynthese über Ribosomen statt.

  • Verschließen : Das 5′-Ende des RNA-Moleküls erhält eine 5′-Cap-Struktur. Diese Kappe besteht aus einer modifizierten Form von Guanosin, 7-Methylguanosin (m7G). Die Kappe schützt die RNA vor dem Abbau durch Nukleasen und ermöglicht den Kappenbindungskomplex. Dies ist unter anderem für den nuklearen Export wichtig. Nach dem Transport in das Cytosol hilft die Kappe bei der Erkennung der mRNA. Dies geschieht mit Hilfe einer kleinen ribosomalen Untereinheit. Dies hilft beim Initiieren der Übersetzung.
  • Polyadenylierung : Die RNA wird am 3′-Ende polyadenyliert. Während dieses Prozesses wird ein Poly-A-Schwanz gebunden, der aus 30 bis 200 Adeninnukleotiden besteht. Dies schützt auch die Messenger-RNA vor enzymatischem Abbau. Darüber hinaus erleichtert es sowohl den Kernexport als auch die Translation der mRNA.
  • Spleißen : Durch Spleißen werden bestimmte RNA-Segmente aus dem als Introns bekannten Originaltranskript entfernt. Introns tragen normalerweise nicht zur Codierungsinformation bei. Die restlichen Segmente werden als Exons zusammengefügt. Dieser Vorgang findet im Spleißosom statt.

Das Spleißosom ist ein Komplex aus der hnRNA und den sogenannten snRNPs (kleinen nuklearen Ribonukleoproteinen). Das Spliceosom besteht aus den snRNAs U1, U2, U4, U5 und U6 und etwa 50 Proteinen. Durch alternatives Spleißen können somit verschiedene mRNAs aus derselben hnRNA hergestellt werden. Diese translatierten Ergebnisse können auch zu unterschiedlichen Proteinen führen.

Spliceosomenkomplex, der zur Produktion von Messenger-RNA (mRNA) beiträgt.
Spliceosomenkomplex, der zur Produktion von Messenger-RNA beiträgt. Bildquelle: Agathman, Wikimedia Commons, CC-BY-SA 3.0

Hier greifen auch verschiedene Regulationsprozesse der Zelle ein. Antisense-RNA und RNA-Interferenz können verwendet werden, um mRNA abzubauen. Dies verhindert somit eine Übersetzung.

Darüber hinaus werden Nukleotide in einer Messenger-RNA manchmal durch den RNA-Editierprozess verändert. Ein Beispiel ist die mRNA von Apolipoprotein B. Beispielsweise erzeugt in einigen Geweben die Bearbeitung in mRNA von Apolipoprotein B ein zweites Stoppcodon stromaufwärts. Dies kodiert für ein kürzeres Protein mit einer anderen Funktion.

Nicht translatierte Regionen auf mRNA sind auch für die Regulierung der Transkription sowie der Translation verantwortlich.

Übersetzung

Während der Translation wird die codierende Sequenz der Nukleinsäurebasen der mRNA in die Aminosäuresequenz übersetzt. Dies führt zur Bildung einer der Polypeptidketten eines Proteins.

Die Nukleotidsequenz eines offenen Leserasters wird in Tripletts gelesen. Jedem Basentriplett wird mittels Transfer-RNA oder tRNA-Molekülen eine bestimmte Aminosäure zugeordnet. Diese werden dann über eine Peptidbindung mit der vorhergehenden verbunden. Dieser Prozess findet an den Ribosomen im Zytoplasma statt und repräsentiert die eigentliche Proteinbiosynthese.

In eukaryotischen Zellen können die Ribosomen frei sein oder sich an die Membran des endoplasmatischen Retikulums anlagern.

Translation von DNA zu Protein.
Translation von DNA zu mRNA zu Protein. Bildquelle: Becky Boone, Wikimedia Commons, CC-BY-SA 2.0

Bei der Bindung an eine Messenger-RNA übersetzt das Ribosom die kodierende Nukleotidsequenz der mRNA. Es übersetzt den Nukleotidcode in die entsprechende Aminosäuresequenz eines Proteins.

Die notwendigen Aminosäuremoleküle werden von tRNA-Molekülen aus dem Zellzytoplasma getragen. Eine prokaryotische Messenger-RNA enthält häufig mehrere codierende Abschnitte (polygene mRNA). Im Gegensatz dazu sind eukaryotische mRNAs monocistronisch und enthalten nur einen Abschnitt mit einer codierenden Sequenz.

Ein Ribosom übersetzt jeweils nur eine Messenger-RNA. Als nächstes löst sich das Ribosom von der mRNA. Es können sich jedoch mehrere Ribosomen gleichzeitig an eine mRNA binden und jeweils eine Polypeptidkette synthetisieren.

Ebenso kann eine mRNA mehrmals hintereinander vom Ribosom gelesen werden. Die Anzahl der gebildeten Proteinmoleküle hängt somit von der Anzahl der durchgeführten Translationsprozesse ab.

Degradierung Messenger-RNA (mRNA)

Die mRNA wird durch eine Ribonuklease (RNase) enzymatisch abgebaut und in ihre Nukleotide zerlegt. Diese Nukleotide können dann wieder verwendet werden, um neue RNA-Moleküle aufzubauen. Das nennt man Degradierung .

Der Abbau der Messenger-RNA markiert das Lebensende eines mRNA-Moleküls. Die Dauer der Nukleaseaktivität in der Zelle kann jedoch variieren. Und es ist wichtig für die Regulation der Proteinbiosynthese.

Bei Eukaryoten findet der Abbauprozess häufig in bestimmten Strukturen im Zytoplasma statt. Diese Strukturen sind als P-Körper bekannt. Anstatt für eine neue Translation abgebaut zu werden, können mRNA-Moleküle vorübergehend im Zytoplasma gespeichert werden. Darüber hinaus sind zusätzliche Regulierungsmöglichkeiten möglich.