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Vom Gen zum Protein

Termination

Definition
Anfang und Ende der Transkription gehören zu den wichtigsten Stellen, an der die Zelle regulierend eingreifen kann. Das Ende der Transkription wird als Termination bezeichnet. Dieser Prozess darf nicht mit dem Ende der Translation verwechselt werden. Dort werden zwar Terminationscodons verwendet, aber es handelt sich aber um Begriffe, die nur sprachlich verwandte Prozesse beschreiben.

Betrachtet man den Vorgang der Termination aus einer grundsätzlichen Sicht, so wird klar, dass an diesem Prozess zwar der gesamte RNA-Polymerase-Komplex beteiligt sein muss, dass aber die RNA selbst die entscheidende Rolle spielen muss. Ohne RNA kann es kein Ende der RNA-Synthese geben.

Folglich hat man sich das 3´-Ende der Messenger-RNA genauer angesehen und festgestellt, dass regelmäßig in der Nähe des 3´-Endes eine ausgeprägte Sekundärstruktur zu finden ist. Allerdings war auch schnell klar, dass die Sekundärstruktur nicht das absolute Ende ist, sondern einmal von 5-6 Uridinen und einmal von einer undefinierten Sequenz abgeschlossen wird (Abb. 1) .

Abb.1

Rho-unabhängige Termination

Die Besonderheit bei der einfachen oder Rho-unabhängigen Termination ist die Tatsache, dass ausschließlich die RNA selbst die Termination bewirkt. Voraussetzung hierfür ist, dass die RNA während der Synthese eine stabile Sekundärstruktur (Haarnadelschleife) annimmt. In dieser Struktur liegt die RNA doppelsträngig vor, indem sich der entstehende RNA-Strang zurückfaltet und mit sich selbst paart. Des weiteren befindet sich am äußersten 3´-Ende eine Hexa-Uridin-Sequenz . Die Haarnadelschleife bewirkt, dass die RNA-Polymerase für einen Zeitraum von circa 60 Sekunden zum Stillstand kommt. Während dieser Zeit löst sich die RNA-Polymerase von der DNA und gibt damit das Transkriptionsprodukt frei. Hierzu müssen die Wasserstoff-Brückenbindungen zwischen DNA und RNA gespalten werden. Die Bedeutung der Uridin-Sequenz am Ende der Haarnadelstruktur ist offensichtlich, denn die Wasserstoff-Brückenbindungen zwischen Uridin auf der mRNA und Adenin auf der DNA sind schwächer als die zwischen allen anderen Basenpaaren. Somit wird zur Spaltung und damit zur Ablösung des RNA-Produkts keine zusätzliche Freie Energie benötigt. Ein Klick auf die Abbildung (Abb. 2) zeigt eine Animation der Rho-unabhängigen Termination.

Abb.2
Rho-unabhängig

Rho-abhängige Termination

Bei der Rho-abhängigen Termination löst sich die mRNA erst nach Bindung eines Proteins von der DNA. Diese Protein wird Rho-Faktor genannt. Es bindet als Homohexamer und sorgt für eine Kontraktion der RNA. Das Protein weist eine intrinsische ATPase-Aktivität auf. DIe exakten Erkennungsmechanismen sind bisher nicht aufgeklärt. Ein Klick auf die Abbildung (Abb. 3) zeigt eine Animation der Rho-abhängigen Termination.

Abb.3
Rho-abhängig

Antitermination

Von Antitermination spricht man, wenn die RNA-Polymerase eine Terminationssequenz übergehen und mit der Transkription fortfahren kann. Diese Möglichkeit der Genregulation spielt insbesondere bei Phagen und bakteriellen Operons eine bedeutende Rolle. Entdeckt wurde die Antitermination bei dem Phagen Lambda als Teil der mehrstufigen Phagenentwicklung. Zunächst ist nur die Transkription der so genannten "frühen“ Gene möglich, da diese mit einem Terminator abschließen. Die frühe mRNA kodiert das so genannte Antiterminationsprotein N. Dieses bindet über zwei Hilfsfaktoren der RNA-Polymerase an die mRNA. Jetzt bleibt das N-Protein Teil des Komplexes und alle nachfolgenden Terminatoren werden überlesen, solange sie eine gewisse Größe nicht überschreiten. Es kommt zur Transkription der "mittleren" Gene ("delayed early genes"). Entscheidet sich der Phage, die Zelle nicht zu lysieren, werden keine weiteren Gene aktiviert. Entscheidet er sich aber, die Zelle zu lysieren, so werden mit Hilfe eines zweiten Antiterminationsproteins Q alle Gene aktiviert, die für die Lyse der Zelle und den Aufbau der Verpackungsproteine zuständig sind.

In beiden Fällen kommt es also zu einer erheblichen Veränderung der RNA-Polymerase. Während jedoch das N-Protein die RNA bindet, bindet das Q-Protein die DNA. Die Aufklärung dieses Mechanismus hat sehr viel zum Verständnis zellulärer Regulationsvorgänge beigetragen. Innerhalb der Zelle gibt es gleichfalls ein Beispiel für Antitermination. Hier bindet ein Protein ähnlich wie der Repressor ein Substrat, so dass die nachfolgenden Gene aktiviert werden. Ganz exakte mechanistische Untersuchungen scheitern daran, dass die Antiterminationsproteine für die Wirtszellen hoch toxisch sind, so dass bisher in vivo keine Komplexe isoliert werden konnten. Ein Klick auf die Abbildung (Abb. 4) zeigt eine Animation der Antitermination.

Abb.4
Antitermination

Attenuation

Das Überlesen eines Terminators in Abhängigkeit von der Translation wird als Attenuation bezeichnet. Die neusynthetisierte RNA wird vom Ribosom in statu nascendi erkannt. Das Ribosom interferiert mit der Bildung der RNA-Sekundärstruktur ("Hairpinloop") und verhindert so die Termination. Bei der Biosynthese bestimmter Aminosäuren wird die Expression der zugehörigen Gene immer dann unterbunden, wenn von der entsprechenden Aminosäure noch ausreichend in der Zelle vorhanden ist. Sinkt das Niveau jedoch ab, so kann das Ribosom sehr schnell die Terminatorstruktur passieren und die wartende RNA-Polymerase kann die Synthese der mRNA fortsetzen. Das Prinzip der Attenuation besteht also in einer Probesynthese, von deren Erfolg - besser von deren Misserfolg die Synthese der mRNA abhängt.

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