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Vom Gen zum Protein

Transkription bei Eukaryonten

Die Transkription bei den Eukaryonten unterscheidet sich von der wesentlich übersichtlicheren Transkription bei den Prokaryonten in mehrfacher Hinsicht. Die folgenden Punkte sind dabei von besonderer Bedeutung.

Die eukaryontische Transkription hat drei wichtige Besonderheiten:

  • Die mRNA wird im Zellkern hergestellt und entfaltet ihre Aktivität nur im Cytoplasma, also nach dem Transport durch die Membran des Zellkerns.
  • Für jedes Gen gibt es eine mRNA-Spezies.
  • Die mRNA wird nach dem Verlassen der RNA-Polymerase in vielfältiger Weise verändert.

Die Veränderungen der mRNA betreffen sowohl das 5'-Ende als auch das 3'-Ende. Außerdem wird die RNA intern verkürzt, so dass sie teilweise nur noch zwei Prozent ihrer ursprünglichen Länge behält.

Das 5'-Ende mit der "cap"-Struktur

Das eukaryontische Ribosom kann nicht zwischen einem Start-Codon und einem Methionin-Codon unterscheiden. Das erste Methionin-Codon wird als Start-Codon akzeptiert. Deshalb ist der Beginn der mRNA von besonderer Bedeutung. Außerdem muss die Zelle einen verfrühten Angriff von 5'-Exonucleasen verhindern.

Das 5'-Ende bekommt eine Kappe (engl. cap), so dass schließlich ein zweites 3'-Ende entsteht. 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. Ganz offensichtlich dient diese Struktur auch der Erkennung als Messenger-RNA durch das Ribosom. Manche Viren können kein "cap" bilden und müssen daher von reifen Messenger-RNAs das "cap" abschneiden, um es in einer Art RNA-Primer für die Synthese der eigenen RNA einzusetzen.

Das 3'-Ende mit dem Poly(A)

Der so genannte Poly(A)–Schwanz ist ein Charakteristikum eukaryontischer Messenger-RNA. Um das 3'-Ende gegen Exonucleasen zu schützen, wird durch spezielle Enzyme ein relativ langer Bereich von Adenosinen angehängt. Solange diese enzymatische Aktivität den Poly(A)–Schwanz regeneriert, ist die 3'-Exonuclease mit "Unsinn" ausgelastet, so dass das codierende Gen translatiert werden kann. Die mRNA besitzt eine spezielle Sequenz, die von den Poly(A)-synthetisierenden Enzymen erkannt wird.

Das Spleißen

Die Gene für zahlreiche Proteine sind in Eukaryonten erheblich größer, als es bei einer 1:1-Transkription notwendig sein würde. Entsprechend enthält die Messenger-RNA erhebliche Anteile, die nicht für die Translation benötigt werden. Sie werden mit Hilfe eines speziellen RNA-haltigen Enzyms, dem Spleißosom, auf die richtige Größe gestutzt. Man vermutet dahinter eine Regulationsfunktion, indem Proteine mit einer gewissen Verzögerung synthetisiert werden. Die RNA-Polymerase muss in Einzelfällen bis zu 50-mal mehr RNA synthetisieren.

Der Spleiß-Vorgang ist stereochemisch hoch interessant. Die Reaktion wird im Wesentlichen mithilfe der 2'-OH-Gruppe durchgeführt, so dass zwischenzeitlich drei Phoshordiester-Bindungen an einem Nucleotid vorhanden sind. Die Erkennung der Spleiß-Stellen beruht auf je zwei flankierenden Nucleotiden, die mit den Nucleotiden der zum Spleißosom gehörenden RNAs Basenpaare bilden (vergleiche Abschnitt Spleißosom). Mechanistisch reicht sogar der RNA-Anteil zur Katalyse, so dass man von RNA als Enzym sprechen kann. Diese so genannten Ribozyme gewinnen bei der Abwehr von Infektionskrankheiten zunehmend an Bedeutung.

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