Post-transkriptionale Modifikationen (RNA-Prozessierung)

Post-transkriptionale Modifikationen (RNA-Prozessierung) sind Prozesse, bei denen die unreife Prä-mRNA in eine reife, funktionelle mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA umgewandelt wird. Es handelt sich um Regulationsmechanismen, die die Synthese verschiedener Proteine Proteine Proteine und Peptide aus einem einzigen Gen ermöglichen und dadurch die Ausprägung des Phänotyps sowie die Profilerationsrate modulieren. Auch bei einigen Krebsarten und neurodegenerativen Erkrankungen spielt die RNA-Prozessierung eine bedeutende Rolle. Die Prä-messenger-RNA (Prä-mRNA), auch als heterogene nukleäre RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA (hnRNA) bezeichnet, wird durch Anfügen einer 5'-7-Methylguanosin-Kappe und eines 3'-Poly-A-Schwanzes stabilisiert und vor enzymatischem Abbau geschützt. Die hnRNA enthält neben kodierenden Sequenzen (Exons) auch nicht kodierende Abschnitte (Introns). Diese Introns werden beim Spleißen entfernt und die Exons miteinander verknüpft. Die reife mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA enthält somit ausschließlich kodierende Sequenzen und kann im Rahmen der Translation in ein Polypeptid übersetzt werden. Alternatives Spleißen bietet die Möglichkeit neben Introns auch verschiedene Exons zu entfernen. Dieser Mechanismus der RNA-Prozessierung trägt in besonderem Maße zur Proteinvielfalt bei, da aus einem einzigen Gen unterschiedliche Proteine Proteine Proteine und Peptide synthetisiert werden können. Beim RNA-Editing wird die mRNA-Sequenz durch Austausch einzelner Nukleobasen verändert. Die Basenabfolge unterscheidet sich anschließend von der transkribierten DNA-Matrize. Die tRNA tRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA (transfer RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA) und rRNA rRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA (ribosomale RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA) durchlaufen ebenfalls eine RNA-Prozessierung. Längere Vorläufermoleküle werden methyliert, gekürzt und durch neue Nukleotide ergänzt.

Aktualisiert: 05.07.2023

Redaktionelle Verantwortung: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Mit Video-Repetitorien von Lecturio kommst du sicher
durch Physikum, M2 und M3.

Überblick

Transkription

Bei der Transkription werden genetische Informationen aus der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA in mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA (messenger-RNA) übersetzt.

Genexpression aus DNA

DNA in mRNA (Transkription):
Die Transkription genetischer Informationen ist der erste Schritt der Genexpression (Proteinbiosynthese). Eine kodierende Sequenz der DNA dient als Matrize für die Synthese einer messenger-RNA (mRNA). Anschließend wird die reife mRNA im Rahmen der Translation in eine Aminosäuresequenz übersetzt. Dieser Schritt der Proteinbiosynthese erfolgt mit Hilfe von ribosomaler RNA (rRNA) und transfer-RNA (tRNA). Die Abbildung zeigt die Transkription von der DNA in mRNA ohne den Prozess der RNA-Prozessierung.

Bild von Lecturio.

RNA-Prozessierung

Primäre Transkriptionsprodukte werden bei der RNA-Prozessierung modifiziert, um biologisch funktionsfähig zu werden.

Zusammenfassung posttranskriptioneller Modifikationen von hnRNA

Zusammenfassung der posttranskriptionellen Modifikationen der hnRNA in eine reife mRNA:
Anfügen einer Kappe am 5′-Ende, Polyadenylierung am 3′-Ende und Spleißen (Entfernen nichtkodierender Introns)

Bild von Lecturio.

5′-Capping und Polyadenylierung

5′-Capping

Anfügen von 7-Methylguanosin (methylierter Guanylylrest) an das 5′-Ende der hnRNA:

  • Entfernung der Phosphatgruppe am 5′-Ende durch die RNA-Triphosphatase
  • Übertragung von Guanosinmonophosphat (GMP) eines Guanosintriphosphats (GTP) durch die Guanylyltransferase
  • Methylierung von Guanin Guanin Nukleinsäuren durch die Guanin-7-Methyltransferase (Methylgruppendonator ist ein S-Adenosylmethionin (SAM))

Funktionen:

  • Schutz vor Abbau durch Exonukleasen
  • Erkennungssequenz für die Translation

Polyadenylierung

Anfügen von bis zu 250 Adenin-Nukleotiden (AMP) an das 3′-Ende der hnRNA:

  • Abspaltung von etwa 20 Nukleotiden an einer AAUAA-Erkennungssequenz
  • Addition (Verlängerung um bis zu 250 Nukleotide) des Poly-A-Schwanzes (aus ATP-Molekülen) durch die Poly-A-Polymerase

Funktion:

Posttranskriptionelle Modifikationen von RNA

RNA-Prozessierung:
Das Capping am 5′-Ende (7-Methylguanosin) und die Polyadenylierung am 3′-Ende verhindern den frühzeitigen Abbau der mRNA im Zytosol.

Bild von Lecturio.

Spleißen

Exons und Introns

Die heterogene nukleäre RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA (Prä-mRNA) enthält:

  • Kodierende Sequenzen, die als Exons (exprimierte Sequenzen) bezeichnet werden
  • Nichtkodierende Sequenzen, die als Introns (intervenierende Sequenzen) bezeichnet werden

RNA-Prozessierung:

Prä-mRNA-Exons und -Introns mit einem Überblick über das Spleißen

Ablauf des Spleißens (von oben nach unten):
Das Prä-mRNA-Transkript enthält Exons und Introns. Durch Wechselwirkungen des RNA-Transkripts mit dem Spleißosom (snRNAs, snRNPs und weitere kleine Proteine) bildet sich an den Exon-Intron-Grenzen eine Lassostruktur. Die Prä-mRNA wird an den Spleißstellen geschnitten und Introns werden entfernt. Die reife mRNA enthält nur noch kodierende Sequenzen (Exons).

Bild von Lecturio.

Spleißen

  • Entfernung von Introns aus der hnRNA bzw. Prä-mRNA und Verknüpfung der Exons → Bildung einer reifen mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA
  • Zusammensetzung des Spleißosoms:
    • Small nuclear RNAs (snRNAs) gebunden an small nuclear ribonucleoproteins (snRNPs)
    • Weitere Bindungsproteine
    • hnRNA
  • Lokalisation der Spleißreaktion:
    • Spleißstellen:
    • Verzweigungsstelle: Adeninnukleotid innerhalb des Introns
  • Ablauf:
    1. Erkennung der Spleißstellen und der Verzweigungsstelle durch snRNPs aufgrund der spezifischen Basensequenzen auf der hnRNA
    2. Zusammenlagerung des Spleißosoms (hnRNA, snRNPs mit snRNAs und weitere kleine Proteine Proteine Proteine und Peptide)
    3. Schnitt an der 5′-Spleißstelle (nukleophiler Angriff des Adeninnukleotids der Verzweigungsstelle)
    4. Verbindung des freien 5′-Endes des Introns mit der Verzweigungsstelle → Ausbildung einer Schleifen- oder Lariat-Struktur
    5. Schnitt an der 3′-Spleißstelle → Freisetzung des Lariats und Verknüpfung der beiden Exons → Bildung einer reifen mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA
  • Zeitgleich mit dem 5′-Capping und der Polyadenylierung am 3′-Ende
  • Assoziierte Erkrankungen:
Technische Aspekte des Spleißens

Funktionsweise des Spleißens:

Die Prä-mRNA enthält Exons und Introns. snRNPs und weitere Proteine erkennen die Verzweigungsstelle und die Exon-Intron-Grenzen, an denen geschnitten werden muss: 5′-Donorstelle (GU-Sequenz) und 3′-Akzeptorstelle (AG-Sequenz). Die hnRNA, snRNPs und weitere kleine Proteine bilden an den Spleißstellen das Spleißosom.
Abbildung oben: Der erste Schnitt erfolgt durch einen nukleophilen Angriff des Adeninnukleotids der Verzweigungsstelle auf die 5′-Donorstelle.
Mittlere Abbildung: Das freie 5′-Ende verbindet sich mit der Verzweigungsstelle (Lariat-Struktur).
Abbildung unten: Der zweite Schnitt erfolgt an der 3′-Spleißstelle des Introns. Die Exons werden miteinander verknüpft.

Bild von Lecturio.

Alternatives Spleißen

  • Variables Spleißen einer hnRNA-Sequenz
  • Ablauf:
    • Exons werden selektiv eingeschlossen oder ausgeschlossen.
    • Verwendung alternativer 5′- oder 3′-Spleißstellen
    • Variable Polyadenylierungsstellen
  • Bis zu 95 % der Gene mit mehreren Exons durchlaufen während der mRNA-Prozessierung ein alternatives Spleißen, um Proteine Proteine Proteine und Peptide mit unterschiedlichen Funktionen zu produzieren.
  • Alternatives Spleißen stellt einen Regulationsmechanismus dar, der der Feinregulation der Proteinbiosynthese dient und die Ausprägung von Phänotypen und Proliferationsraten moduliert.
  • Etwa 15 % der Erbkrankheiten und Krebserkrankungen werden mit alternativem Spleißen in Verbindung gebracht.
  • Durch die variable Kombination von Exons können bei der Übersetzung von der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA zum Protein verschiedene verwandte Proteine Proteine Proteine und Peptide aus derselben hnRNA synthetisiert werden:
Beispiele für alternatives Spleißen

Beispiele für alternatives Spleißen:
Protein A: Exons 1 – 5 wurden nach dem Entfernen der Introns miteinander verbunden.
Proteine B und C: Jeweils ein Exon wurde selektiv ausgeschlossen, sodass ein anderes Protein entsteht.

Bild von Lecturio.

RNA-Editing

Im Allgemeinen entspricht die DNA-Sequenz der Basenabfolge der reifen mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA. Die Veränderung der Sequenz durch RNA-Editing während der RNA-Prozessierung ist eine Ausnahme.

Definition

  • Veränderung der Basensequenz nach der Transkription, die dazu führt, dass sich die Sequenz der RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA von der ihrer ursprünglichen DNA-Matrize unterscheidet.
  • Es wird angenommen, dass dieser Mechanismus zur Genregulation bei der Proteinbiosynthese beiträgt.
  • Mechanismen:
    • Modifikationen einzelner Basen
    • Deletionen
    • Insertionen

Modifikation von Basen

„C-zu-U“-Editing:

  • Apolipoprotein B (apoB) Gen: Das gleiche Gen kodiert für ApoB100 (Synthese in der Leber Leber Leber) und ApoB48 (Synthese im Darm).
  • Im Darm:
    • Desaminierung von Cytosin Cytosin Nukleinsäuren zu Uracil durch die Cytidindeaminase
    • Das Codon CAA (Cytidin-Adenin-Adenin) wird in das Codon UAA (Uridin-Adenin-Adenin) umgewandelt. Dabei handelt es sich um ein Stopcodon.
  • Folge des Editings:
    • ApoB100 ist ein 100-kDa-Protein aus 4536 Aminosäuren.
    • ApoB48 ist ein verkürztes 48-kDa-Protein aus 2152 Aminosäuren.
    • Durch das Editing entsteht ApoB48, dem die C-terminale Domäne von ApoB100 fehlt (verantwortlich für die LDL-Rezeptorbindung).

„A-zu-I“-Editing:

  • Modifikation doppelsträngiger RNA-Moleküle
  • Desaminierung von Adenin Adenin Nukleinsäuren zu Hypoxanthin durch die ADARs (Adenosin-Desaminasen an RNA)
  • Umwandlung von Adenosin in Inosin → A-zu-G-Basensubstitutionen
  • Erzeugung alternativer Spleißstellen

Insertionen / Deletionen

Ribosomale RNA und Transfer-RNA-Prozessierung

Ribosomale RNAs

  • Prokaryoten:
    • In Escherichia coli Escherichia coli Escherichia coli konnte festgestellt werden, dass drei Arten von rRNAs (5S, 16S und 23S) polycistronische Primärtranskripte aufweisen.
    • Prozessierung des Transkripts durch endonukleolytische Spaltung durch RNasen → Prä-rRNA
    • Kürzung der 5′- und 3′-Enden der Prä-rRNA durch weitere RNasen
    • Methylierung während des Zusammenbaus der Ribosomen → Schutz vor Abbau
  • Eukaryoten:
    • Das Primärtranskript ist ein großes 45S-Vorläufermolekül.
    • rRNA-Moleküle (28S, 18S und 5.8S) mit Spacer-Sequenzen (Trenn-DNA-Sequenzen)
    • RNA-Prozessierung im Nukleolus:
    • Der vierte rRNA-Typ (5S) wird separat prozessiert.
    • Die reifen rRNAs assoziieren mit anderen Proteinen und bilden das Gerüst der Ribosomen im Zytoplasma.
  • Einige eukaryotische rRNAs enthalten Introns. Diese Prä-rRNAs sind katalytisch aktiv und spleißen sich selbst (Ribozyme).

Transfer-RNAs

  • Transfer-RNA Transfer-RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA ( tRNA tRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA) ist ein Polynukleotid aus etwa 75 Nukleotiden, das spezifische Eigenschaften aufweist:
    • Die 5′- und 3′-Ende bilden aufgrund ihrer charakteristischen Faltung den Akzeptorarm.
    • CCA-Sequenz (Cytosin-Cytosin-Adenin) am 3′-Ende
    • Modifizierte Basen: z. B. Inosin, Dihydrouridin und Pseudouridin
  • Die Prä-tRNA enthält:
    • Zusätzliche Nukleotide an den 3′- und 5′-Enden
    • Introns
  • RNA-Prozessierung:
    • Entfernung zusätzlicher Nukleotide und Introns
    • Modifikation einzelner Basen (Methylierung und Desaminierung)
    • Bildung des 5′-Endes durch die RNase P (Ribozym)
    • Addition einer CCA-Sequenz am 3′-Ende durch die tRNA-Nukleotidyltransferase
Transfer-RNAs (tRNA)

Sekundärstruktur der Transfer-RNA (tRNA). Es handelt sich um ein sehr kleines RNA-Molekül, sodass die gesamte Sequenz abgebildet ist.

Bild von Lecturio.

Quellen

  1. Helm M. (2006). Post-transcriptional nucleotide modification and alternative folding of RNA. Nucleic Acids Research 34(2):721–733. https://doi.org/10.1093/nar/gkj471
  2. Weil P. (2018). RNA synthesis, processing, & modification. Rodwell VW, Bender DA, Botham KM, Kennelly PJ, Weil P (Hrsg.), Harper’s Illustrated Biochemistry, 31. Aufl. New York: McGraw-Hill.
  3. Jiang W, Chen L. (2020). Alternative splicing: human disease and quantitative analysis from high-throughput sequencing. Computational and Structural Biotechnology Journal 19:183-195. https://doi.org/10.1016/j.csbj.2020.12.009
  4. Anna A, Monika G. (2018). Splicing mutations in human genetic disorders: examples, detection, and confirmation. Journal of Applied Genetics 59(3):253–268. https://doi.org/10.1007/s13353-018-0444-7