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Vom Gen zum Protein

mRNA

Die messenger-RNA (mRNA) ist wörtlich übersetzt ein Bote, der eine "Nachricht" vom "Kontrollraum" DNA zur Proteinfabrik Ribosom bringt. Dabei können wir die Nachricht auf der mRNA direkt ablesen; sie codiert also direkt die Proteinsequenz. Neben der codierenden Sequenz enthält die mRNA aber auch noch regulatorische Funktionen. Ihre Funktion ist zwar in allen Zellen identisch, nämlich, dass sie nur eine bestimmte Zeit in der Zelle verbleiben soll, aber es gibt wichtige strukturelle Unterschiede zwischen den mRNAs der Pro- und Eukaryonten.

Prokaryonten mRNA

Sobald die mRNA die RNA-Polymerase auch nur teilweise verlässt, wird sie von Ribosomen abgelesen. An den Ribosomen wird die noch wachsende RNA translatiert. Diese gekoppelte Transkription-Translation ist ein wichtiges Regulationsphänomen.

Sobald die Ribosomen langsamer sind als die RNA-Polymerase (drei neue Nucleotide sollen in derselben Zeit eingebaut werden, wie eine weitere Aminosäure), reißt der Kontakt zwischen RNA-Polymerase und Ribosom ab. Jetzt ist die RNA nicht mehr von Proteinen bedeckt und sie wird von Ribonucleasen abgebaut. So kann die Zelle sehr schnell auf ein sinkendes Nahrungsangebot reagieren. Bei der Abwesenheit beladener tRNAs werden keine weiteren Proteine, also auch keine mRNA mehr benötigt.

Während das Ribosom die mRNA ohne spezifische Signalstrukturen erkennt, wird für die Erkennung eines Start-Codons eine spezielle Sequenz benötigt. Diese Stelle heißt Ribosomen-Bindungsstelle. Sie gliedert sich in das Start-Codon ATG (GTG, TTG) und die sog. Shine-Dalgarno-Sequenz. Die Shine-Dalgarno-Sequenz ist komplementär zum 3´-Ende der 16S RNA. Das 3´-Ende enthält wie in Abbildung 1 gezeigt einen kurzen Bereich ausschließlich aus Pyrimidinen. Da Guanosin auch an Uridin bindet genügt also quasi jede Oligo-Purin-Sequenz im richtigen Abstand als Shine-Dalgarno Sequenz. Die Ausbildung besserer Basenpaare führt dabei zu höherer Expression; zu gute Basenpaarung reduziert dagegen die Expressionsrate.

Abb.1
Ribosomen-Bindungsstelle
Hinweis
Die mRNA in Prokaryonten kann mehrere Gene codieren, deshalb gibt es nur eine Start-Sequenz, aber mehrere Ribosomen-Bindungsstellen. Es ist bekannt, dass benachbarte Ribosomen-Bindungsstellen bevorzugt von dem Ribosom besetzt werden, das das vorlaufende Gen translatiert hat. So garantiert die Zelle ein ausgewogenes Verhältnis der Untereinheiten in Proteinen mit verschiedenen Untereinheiten im 1:1 Verhältnis (z.B. im Ribosom).

Eukaryontische mRNA

Die reife eukaryontische mRNA wird im Zellkern gebildet. Das 5´-Ende mit dem 5´-Triphosphat wird von speziellen Enzymen zu einer Kappe (engl. cap) umgebildet. Die Struktur des "cap" ist in Abb. 2 dargestellt.

Abb.2
Die "cap"-Struktur am Beginn der eukaryontischen messenger-RNA

Durch das "cap" ensteht ein zweites 3´-Ende. Spezielle Enzyme bilden aus dem endständigen 5´-Triphosphat und einem GTP ein gemischtes 5´, 5´-Triphosphat, das durch Methylierung des endständigen Guanosins in Position 7 und teilweise auch der 2´-Hydroxy-Gruppen desselben Guanosins und/oder benachbarter Nucleotide modifiziert wird (s. Details in Abb. 2). Ganz offensichtlich dient diese Struktur auch der Erkennung als messenger-RNA durch das Ribosom

Die Beendigung der mRNA-Synthese ist stets faktorabhängig. Diese Faktoren sind den bakteriellen Rho-Faktoren ähnlich. Meist wird die RNA, bevor die RNA-Polymerase die entsprechenden Sequenzen erreicht, durch spezielle Faktoren in der Nähe des sog. Poly-Adenylierungssignal abgeschnitten. Das Signal ist eine AAUAAA (AUUAAA)-Sequenz. 12 bis 16 Nucleotide danach wird abgeschnitten und ein unbestimmt langer Bereich aus Adenosinen angehängt. Dieser so genannter Poly(A)-Schwanz ist Teil aller eukaryontischen mRNAs und dient offenbar dem Schutz vor RNAsen.

Hinweis
Die mRNA der Histone ist als einzige nicht polyadenyliert. Diese wichtige Funktion reguliert die Zelle gesondert.

Für die biochemische Charakterisierung eukaryontischer Gene hat sich der Poly(A)-Schwanz als sehr vorteilhaft herausgestellt. Mithilfe einer Affinitätschromatographie über Oligo-dT, welches zumeist an Cellulose oder Agarose als Trägermatrix gekoppelt ist, lassen sich selektiv alle mRNAs isolieren. Mithilfe des Enzyms Reverse Transcriptase kann man die mRNA in DNA umschreiben. Nach Klonierung gelingt so die Bestimmung der codierenden Sequenz.

Achtung: Die experimentelle Arbeit mit mRNA erfordert penible Sauberkeit. Überall gibt es Ribonucleasen, die die mRNA quasi schon bei der Öffnung der Zellen abbauen. Auch wenn es schnell gelingt, das 3´-Ende mit dem Poly(A)-Schwanz zu charakterisieren, kann es sehr lange dauern, bis man Klone mit der vollständigen Sequenz bekommt (so genannte "full length clones").

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