Translation: Ablauf und Regulation

Zentrales Dogma und genetischer Code

Definition

• Zentrales Dogma der Biologie: Die Genexpression erfolgt von der DNA zum Protein. Zunächst wird DNA in RNA transkribiert, die dann in ein Protein oder ein Proteinfragment (Polypeptid) übersetzt wird.
• Die Translation ist ein Teilprozess der Proteinbiosynthese, bei dem die mRNA als Matrize für die Synthese von Polypeptiden verwendet wird.

DNA

• Die DNA ist ein Doppelhelix-Molekül, das aus zwei antiparallel angeordneten Einzelsträngen besteht. Dadurch erhält die DNA das Aussehen einer verdrehten Leiter.
  • Die „Seiten“ der Leiter bestehen aus Desoxyribosen (Zuckermolekül mit fünf Kohlenstoffatomen) und Phosphatmolekülen.
  • Die „Sprossen“ der Leiter bestehen aus komplementären stickstoffhaltigen Molekülen, die als Nukleobasen bezeichnet werden und gemeinsam mit den Zucker- und Phosphatresten sogenannte Nukleotide bilden.
• DNA-Basenpaare:
  • Guanin (G), Cytosin (C), Adenin (A) und Thymin (T)
  • G und C sind über drei Wasserstoffbrücken miteinander verbunden.
  • A und T sind über zwei Wasserstoffbrücken miteinander verbunden.
  • Diese Basenpaare können als Buchstabenfolge „gelesen“ werden (z. B. GTATCGA).
  • Die Abfolge der Basen verschlüsselt den genetischen Code, mithilfe dessen die DNA-Sequenz im Rahmen der Proteinbiosynthese in ein Protein übersetzt werden kann.

RNA

• Einzelsträngiges Molekül aus Ribosen (Zuckermolekül mit fünf Kohlenstoffatomen) und Phosphatmolekülen
• An jede Ribose ist eine Nukleobase gebunden:
  • Guanin (G), Cytosin (C), Adenin (A) und Uracil (U)
  • Thymin (T) ist durch Uracil (U) ersetzt.
  • A und T sind über zwei Wasserstoffbrücken miteinander verbunden.
• Codon: Basentriplett aus drei benachbarten Nukleotiden, das für eine bestimmte Aminosäure kodiert
• Arten von RNA:
  • Messenger-RNA (mRNA): Matrizenstränge, die an den Ribosomen in Polypeptide translatiert werden
  • Ribosomale RNA (rRNA): Bestandteil der Ribosomen
  • Transfer-RNA (tRNA): Moleküle, die spezifische Aminosäuren zum Ribosom transportieren und mit komplementären Anticodons an die mRNA binden

Genetischer Code

Der genetische Code ist die Art und Weise, wie die Basensequenz der DNA oder RNA in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird.

• Genetische Informationen der mRNA sind in Basentripletts verschlüsselt, die als Codons bezeichnet werden.
• Der Code ist eindeutig:
  • Jedes Codon codiert für nur eine Aminosäure.
• Der Code ist degeneriert:
  • Aus den vier Basen ergeben sich 64 mögliche Basentripletts. Es gibt allerdings nur 20 proteinogene Aminosäuren.
  • Einige Aminosäuren können von mehreren Codons kodiert werden:
    • Verschiedene Codons für die gleiche Aminosäure unterscheiden sich häufig nur in der dritten Base (Wobble-Base).
    • Mutationen in der Wobble-Base sind oft stille Mutationen, die die Aminosäuresequenz nicht beeinflussen.
    • Beispielsweise codieren GGG, GGA, GGC und GGU alle für Glycin. Mutiert GGG zu GGA, bleibt die Aminosäuresequenz unverändert und es entsteht das gleiche Protein.
• Der Code enthält „Zeichensetzung“:
  • Startcodon (Initiation der Translation): AUG → Code für Methionin
  • Stopcodons (Termination der Translation): UAA, UAG, UGA
• Der Code ist universell:
  • Der Code ist bei fast allen Organismen gleich.
  • Keine Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten.
  • Ausnahme: Leichte Unterscheidungen der Codons in Mitochondrien.
• Die Übersetzung des genetischen Codes erfolgt indirekt durch tRNAs.

Bestandteile der Translation

Die Translation der mRNA in ein Protein erfolgt durch die Ribosomen und tRNAs.

Transfer-RNAs (tRNAs)

tRNAs transportieren spezifische Aminosäuren zu den Ribosomen und binden über komplementäre Anticodons an die mRNA. Die Aminosäuren werden zu einer Polypeptidkette verknüpft.

• Synthese:
  • RNA-Polymerase in Prokaryoten
  • RNA-Polymerase III in Eukaryoten
  • Für jede Aminosäure gibt es eine spezifische tRNA.
• Struktur:
  • Einzelsträngiges RNA-Molekül aus etwa 70 – 85 Nukleotiden
  • Ausbildung einer Kleeblatt-Struktur durch Wasserstoffbrückenbindungen und Basenpaaren innerhalb des Moleküls
  • Das 3′-Ende (Stängel des Kleeblatts) ist eine Bindungsstelle für eine Aminosäure.
  • Die mittlere Schleife des Kleeblatts enthält ein Anticodon:
    • Sequenz aus drei Basen, die zu einem mRNA-Codon komplementär ist
    • Ermöglichen Bindung der tRNA an eine mRNA mit passendem Codon
• Beladung der tRNA:
  • Bindung einer Aminosäure an die tRNA
  • Katalysiert durch die Aminoacyl-tRNA-Synthetase
• Aminoacyl-tRNA-Synthetase:
  • Verantwortlich für die Bindung der richtigen Aminosäure an die richtige tRNA
  • Spezifische Aminoacyl-tRNA-Synthetase für jede Aminosäure und tRNA
  • Zwei Bindungsstellen:
    • tRNA-Bindungsstelle: Codon-ähnliche Struktur, die an das Anticodon der tRNA bindet
    • Aminosäure-Bindungsstelle: Bindung der spezifischen Aminosäure, die zu diesem Anticodon passt
  • Beladung der tRNA:
    • Bindung der Aminosäure an die Aminosäure-Bindungsstelle der Aminoacyl-tRNA-Synthetase
    • Spaltung von ATP → Bildung eines Aminoacyladenylats
    • Bindung der tRNA an die tRNA-Bindungsstelle der Aminoacyl-tRNA-Synthetase
    • Verbindung von Aminosäure und tRNA unter Freisetzung von AMP
    • Freisetzung der beladenen tRNA
  • Die am 3′-Ende der tRNA gebundene Aminosäure passt zu dem Codon auf der mRNA, an das das tRNA-Anticodon binden kann.
• Initiator-tRNA: tRNA mit passendem Anticodon zum Startcodon
  • In Prokaryoten: N-Formylmethionin-tRNA (fMet-tRNA)
  • In Eukaryoten: Methionin-tRNA (met-tRNA)

Ribosomen

Die Translation findet an den Ribosomen statt. Es handelt sich dabei um katalytische Komplexe, die aus ribosomaler RNA und Proteinen bestehen. Innerhalb des ribosomalen Komplexes werden tRNAs gebunden und die mRNA in ein Polypeptid übersetzt.

• Ribosomenstruktur:
  • Große und kleine Untereinheit
  • Komplex aus rRNAs und Proteinen
  • rRNAs bilden Sekundärstrukturen aus, indem sie sich mit sich selbst paaren.
• Große Untereinheit:
  • Peptidyltransferase:
    • Ribozym (rRNA mit katalytischer Aktivität)
    • Größte rRNA innerhalb des Ribosoms
    • Bildung von Peptidbindungen zwischen den Aminosäuren
  • Drei Bindungsstellen für beladene tRNAs:
    • A-Stelle: Ankunftsstelle / Aminoacyl-Stelle
    • P-Stelle: Polypeptidyl-Stelle
    • E-Stelle: Exit-Stelle
• Kleine Untereinheit: Entschlüsselung der mRNA
• Leserichtung der mRNA vom 5′- zum 3′-Ende
• Die Ribosomen befinden sich frei im Zytosol oder angelagert an das raue endoplasmatische Retikulum (rER).

Initiation der Translation

Die Initiation der Translation beinhaltet die Zusammenlagerung des Ribosoms an der mRNA in richtiger Ausrichtung sowie das Auffinden des Startcodons.

Zusammenlagerung des Ribosoms

• Die ribosomalen Untereinheiten liegen im Zytosol getrennt voneinander vor.
• Die kleine Untereinheit des Ribosoms bindet an das 5′-Ende der mRNA.
• Die große Untereinheit bindet erst, nachdem die Initiator-tRNA an das Startcodon gebunden hat.
• Prokaryoten:
  • Das Ribosom assembliert an der mRNA noch während der Transkription.
  • Es ist keine Kappe am 5′-Ende der mRNA erforderlich, um die Leserichtung zu definieren.
• Eukaryoten:
  • Für die Translation muss die mRNA vom Zellkern, dem Ort der Transkription, in das Zytosol transportiert werden.
  • 5′-Kappe der mRNA:
    • Festlegung der Ausrichtung der mRNA
    • Bindungsstelle für eukaryotische Initiationsfaktoren (eIFs)
  • Mehrere eIFs sind für die Bindung der kleinen Untereinheit und der Initiator-tRNA an die mRNA erforderlich.
• Die Bindung der eIFs und der ribosomalen Untereinheiten ist energieabhängig.

Suche nach Startcodon

Nach Bindung an das 5′-Ende der mRNA beginnt die kleine Untereinheit mit der Suche nach dem Startcodon.

• Startcodon: AUG (Codon für Methionin)
  • Prokaryoten: spezifische purinreiche Sequenz am 5′-Ende zur Unterscheidung des Startcodons AUG von anderen (internen) AUG-Codons
  • Eukaryoten: Startcodon ist das AUG-Codon, das sich am nächsten am 5′-Ende befindet
• Der Initiationskomplex aus kleiner Untereinheit und eIFs gleitet vom 5´-Ende Richtung 3´-Ende entlang der mRNA, bis er auf das Startcodon (AUG) trifft. Dieser energieabhängige Prozess erfordert ATP-Hydrolyse.
• Hat die kleine Untereinheit das Startcodon (AUG) auf der mRNA erreicht, bindet eine Initiator-tRNA an die mRNA.
• Anschließend lagert sich die große Untereinheit an und richtet sich so aus, dass die Initiator-tRNA an der P-Stelle des Komplexes lokalisiert ist.
• Eukaryoten benötigen zusätzliche eIFs und Energie, um das Ribosom vollständig zusammenzubauen.

Elongation und Termination der Translation

Elongation der Translation

• Eine mit Aminosäuren beladene tRNA (Aminoacyl-tRNA) bindet an die A-Stelle innerhalb des Ribosoms:
  • Passendes tRNA-Anticodon zum mRNA-Codon
  • GTP-Spaltung durch einen Elongationssfaktor (EF)
  • Spezifischen EFs:
    • eEF-1α in Eukaryoten
    • EF-Tu in Prokaryoten
• Die Peptidyltransferase verbindet die Aminosäuren der wachsenden Polypeptidkette:
  • Übertragung der Polypeptidkette von der tRNA in der P-Stelle zum Aminoende der Aminosäure der tRNA in der A-Stelle
  • Bildung von Peptidbindungen zwischen zwei Aminosäuren
• Das Ribosom wandert ein Codon weiter in Richtung 3′-Ende:
  • Die Translokation erfordert Energie, freigesetzt durch die GTP-Hydrolyse eines weiteren EF freigesetzt wird:
    • eEF-2 in Eukaryoten
    • EF-G bei Prokaryoten
  • Verschiebung der tRNAs durch die Translokation:
    • Die tRNA in der A-Stelle mit der wachsenden Polypeptidkette wandert zur P-Stelle.
    • Die tRNA in der P-Stelle wandert zur E-Stelle und verlässt das Ribosom.
    • An die freie A-Stelle kann eine neue tRNA binden.
• Wiederholung des Zyklus bis ein Stoppcodon erreicht wird

Wobble-Paarung

• Die Basenpaarung an dritter Stelle des Codons unterliegt weniger strengen Regeln.
• Wobble-Paarung: die dritte Base des Codons ist nicht komplementär zur Base an der dritten Position des Anticodons
• Viele Aminosäuren werden durch mehrere Codons codiert, die sich in der dritten Base unterscheiden. Die Aminosäuresequenz und die Struktur des Proteins wird durch die Wobble-Paarung nicht verändert.
• Wird durch die Wobble-Paarung eine falsche Aminosäure eingebaut, kann ein mutiertes Protein entstehen.

Bildung von Peptidbindungen

• Katalysiert durch die Peptidyltransferase (enzymatische rRNA im Ribosom)
• Bindung des α-Carboxyl-Kohlenstoffs einer Aminosäure an den α-Amin-Stickstoff der zweiten Aminosäure
• Freisetzung von H₂O

Termination der Translation

Die Translation endet, wenn das Ribosom ein Stopcodon erreicht.

• Stopcodon codiert für einen Terminationsfaktor (Englisches Akronym: RF) und nicht für eine Aminosäure
• RFs binden an der A-Stelle:
  • Dissoziation der großen und kleinen Untereinheit
  • Freisetzung der Polypeptidkette

Translationsregulation

Die Translation kann auf Ebene der Initiation, Elongation oder Termination reguliert werden. Die Regulation erfolgt überwiegend durch die Hoch- und Herunterregulierung von Initiations-, Elongations- und Terminationsfaktoren. Weitere Regulationsmechanismen der Translation sind die RNA-Interferenz, alternatives Spleißen und RNA-Editing.

RNA-Interferenz

RNA-Interferenz (RNAi) ist ein Mechanismus der Hemmung der Translation durch Wechselwirkungen von mRNA-Molekülen mit kleinen doppelsträngigen RNA-Molekülen.

• Doppelsträngige RNAs und Proteinkomplex:
  • MicroRNAs (miRNAs): stammen aus der Zelle
  • Silencing RNAs bzw. small interfering RNAs (siRNAs): stammen von außerhalb der Zelle
    • z. B. von einem Virus
    • Verwendung in der Biotechnologie
  • RNA-induced Silencing Complex (RISC): Komplex aus einem Protein und einer RNA (miRNA oder siRNA), der die Translation hemmen kann
• Beteiligung von siRNAs und miRNAs an:
  • Selektiver Abbau von mRNA
  • Hemmung der Translation
  • Veränderung der Chromatinstruktur (epigenetische Mechanismen)
• Funktionsweise der RNAi:
  • Eine Endoribonuklease (Dicer) spaltet eine doppelsträngige RNA (dsRNA) in etwa 20 Basenpaarsegmente (miRNA oder siRNA).
  • Trennung der dsRNA in Einzelstränge nach der Spaltung
  • Bindung der einzelsträngigen miRNA/siRNA-Segmente an RISCs → RISCs unterstützen die miRNA/siRNA bei der Bindung und Hemmung eines komplementären mRNA-Strangs
  • Gebunden an die mRNA hemmen RISCs die Translation:
    • Spaltung von mRNA-Segmenten durch das Enzym Argonaut (Bestandteil des RISC)
    • Die Bindung des RISC an die mRNA verhindert die Translation durch das Ribosom.
• Funktionen von RNAi:
  • Schutz vor bestimmten Viren
  • Regulation der Genexpression
  • In der Biotechnologie: Stilllegung bestimmter Zielgene

Alternatives Spleißen

• Entfernung nicht-kodierender Introns durch das Spleißosom (enzymatischer Ribonukleoproteinkomplex)
• Durch alternatives Spleißen der mRNA können aus einem einzigen Gen verschiedene Proteine synthetisiert werden.

RNA-Editing

• Enzyme können die mRNA-Transkripte nach vollendeter Transkription modifizieren.
• Beispiele für Proteine, deren mRNAs ein RNA-Editing durchlaufen:
  • Apolipoprotein B
  • Serotonin-Rezeptoren

Klinische Relevanz

• Makrolide und Ketolide: Gruppe von Antibiotika, die häufig bei Atemwegsinfektionen verabreicht werden. Die Wirkung beruht auf einer Hemmung der 50S-Untereinheit des Ribosoms, die in einer Blockierung der Proteinsynthese in Bakterien führt. Häufige Makrolide sind Erythromycin, Clarithromycin und Azithromycin.
• Tetracycline: Gruppe von bakteriostatischen Breitbandantibiotika, deren Wirkung auf einer Hemmung der 30S-Untereinheit des Ribosoms beruht. Daraus resultiert eine Blockierung der Proteinsynthese in Bakterien. Ein bekanntes Tetracyclin ist Doxycyclin.
• Diphtherietoxin: Diphtherietoxin ADP-ribosyliert den eEF-2 und hemmt dadurch die Elongation der Translation und dadurch die Proteinsynthese. Das führt zum Zelltod der betroffenen Zelle. Zu den charakteristischen Befunden der Diphtherie zählen pharyngeale Pseudomembranen (graue Tonsillenexsudate), eine schwere Pharyngitis und eine „Cäsarenhals“-Lymphadenopathie. Die Behandlung erfolgt hauptsächlich durch passive Immunisierung mit Antitoxinen und Antibiotika. Ein Diphterietoxoid-Impfstoff dient der Prävention.
• Krebs: miRNAs können als Tumorsuppressoren oder Onkogene wirken, indem sie die Genregulation modifizieren.