Prozessierung

Zu den Methoden der posttranskriptionalen Prozessierung gehören das Capping, die Polyadenylierung, das RNA-Editing und das Spleißen. Bei Prokaryoten findet keine Prozessierung der RNA statt.

Prozessierung der RNA

Die Prozessierung ist ein Schritt der Proteinbiosynthese bei Eukaryoten. Sie findet im Zellkern bereits während beziehungsweise unmittelbar nach der Transkription statt. Zuvor werden bei der Transkription Gene auf der DNA in ihre transportfähige Form, die mRNA, umgeschrieben. Dabei handelt es sich um Strukturgene, welche für Proteine und Enzyme codieren, die nicht an genregulatorischen Prozessen beteiligt sind.

Nach der Transkription liegt die prä-mRNA vor, welche den "Bauplan" eines Strukturgens darstellt. Man spricht in diesem Fall explizit von der "prä-mRNA" und nicht von der mRNA, da die RNA hier noch nicht-codierende Sequenzen enthält. Ein eukaryotisches Strukturgen beinhaltet immer auch nicht-codierende Sequenzen, weshalb die Prozessierung vor der Translation notwendig ist.

Im Rahmen der Prozessierung kann die prä-mRNA durch das RNA-Editing bearbeitet werden. Zugleich findet das Capping und die Polyadenylierung statt. Diese Schritte sollen die prä-mRNA vor enzymatischem Abbau schützen und ihr eine Erkennungssequenz verleihen. Im Folgenden werden Capping, Polyadenylierung und RNA-Editing dargestellt.

Prozessierung – Capping

Die Transkripte der DNA entstehen durch die Polymerase II. Das Enzym transkribiert ein Gen, indem es eine "Kopie" in Form der RNA anfertigt. Bereits während die RNA-Polymerase das Gen transkribiert, findet am 5´-Ende des prä-mRNA-Strangs das "Capping" statt. Hierbei handelt es sich um eine Schutzmaßnahme, bei der an das Ende des RNA-Strangs eine Guanosin-Gruppe angehangen wird. Diese ist an der 7. Stelle methyliert. Auf diese Weise wird die prä-mRNA mit einer "verschlossen", wie du in der Abbildung erkennen kannst:

Abbildung 1: m(7) G-Cap

Eine Transferase ist für die Methylierung der Guanosin-Gruppe zuständig. Die Synthese dieser Kappe erfolgt mit einem speziellen Enzym, das passend den Namen Capping-Enzym erhalten hat. Hierdurch ist das Transkript insgesamt vor dem Abbau durch Exonukleasen geschützt. Capping spielt unter anderem auch noch eine Rolle, damit die prä-mRNA anschließend auch aus dem Zellkern heraus transportiert werden kann.

Prozessierung – Polyadenylierung

Während beim Capping eine Gruppe an das 5'-Ende gehangen wird, findet die Polyadenylierung am 3'-Ende statt. Dieser Schritt der Prozessierung kann somit erst nach dem Ende der Transkription stattfinden. Hierbei wird mithilfe einer Polymerase ein Poly(A)-Schwanz angehangen, der bei Säugetieren ungefähr aus 250 Adenin-Elementen besteht. Die Adenin-Elemente stammen von ATP-Molekülen, welche unter Freisetzung von Pyrophosphat gewonnen wurden.

Abbildung 2: Polyadenylierung der mRNA

In der Abbildung siehst du vor dem Poly(A)-Schwanz, noch eine konkrete Sequenz:

5'-AAUAA-3'.

Die Sequenz "AAUAA" dient der Erkennung durch die Polymerase, sodass sie an dieses prä-mRNA-Stück tatsächlich auch die Adenin-Elemente in Form des Poly(A)-Schwanzes anknüpf. Nach der Erkennungssequenz folgen noch ungefähr 35 andere Nukleotide, bevor sich der Poly(A)-Schwanz anschließt.

Wie das Capping besitzt auch die Polyadenylierung die Funktion, das gerade frisch transkribierte Gen vor dem direkten Abbau durch Nukleasen zu schützen. Weiterhin wird mit diesem Poly(A)-Schwanz die Translationsrate deutlich erhöht. Er ist sogar wichtig, damit diese überhaupt beginnt. Allerdings ist man immer noch dabei, die vollständigen Funktionen dieses Prozessierungsmechanismus zu untersuchen.

Prozessierung – RNA-Editing

Eine weiterere Möglichkeit der Prozessierung ist das RNA-Editing. Das RNA-Editing kann die Wiedergabe der genetischen Information verändern und auf diese Weise die Proteinvielfalt erhöhen, findet jedoch nicht immer statt.

Ein beliebtes Beispiel dafür ist das Protein ApoB. Für ApoB codiert ein einziges Strukturgen, jedoch kommt es in zwei unterschiedlichen Variationen vor. Die Abkürzung "Apo" steht für ein Apolipoprotein, das im Blut für den Transport von unlöslichen Lipiden zuständig ist. ApoB48 wird im Dünndarm produziert und ist aus 2153 Aminosäuren aufgebaut. Dem gegenüber steht das Protein ApoB100, das in der Leber synthetisiert wird und aus dem gleichen Strukturgen hervorgeht. Dieses Protein ist mehr als doppelt so lang und besteht aus 4563 Aminosäuren. Doch wo entsteht nun der Unterschied?

Beide Proteine sind am Lipidtransport beteiligt, allerdings in unterschiedlicher Weise. ApoB48 hat unter anderem die Funktion, fettlösliche Vitamine vom Darm ins Blut zu transportieren. Dagegen hat ApoB100 als sogenanntes LDL-Protein die Aufgabe, Cholesterin von der Leber in andere Organe zu transportieren.

Abbildung 3: RNA-Editing bei ApoB

Beide Proteine entstehen aus dem gleichen Gen, wie du auch in der Abbildung erkennen kannst. Das Strukturgen besteht aus 29 Exons, also insgesamt 29 codierenden Sequenzen. Dabei befindet sich der entscheidende Unterschied zwischen den beiden Apo-Proteinen im 26. Exon.

Während für ApoB100 das komplette Transkript gebildet werden muss, wird für ApoB48 ein UAA-Stoppcodon editiert. Dieses entsteht im Rahmen des RNA-Editings durch simples Austauschen einer C-Base durch eine U-Base in der RNA. Somit wird das Transkript an dieser Stelle "frühzeitig" beendet. Dies hat zur Folge, dass das Protein ApoB48 nicht an LDL-Rezeptoren bindet, was beim Protein ApoB100 der Fall ist. Im Fall von ApoB48 wird also nicht das vollständige Protein synthetisiert und die ausschlaggebende Sequenz für die Bindung des LDL-Rezeptors fehlt.

Letztendlich kann nur ApoB100 eine Bindung mit dem LDL-Rezeptor eingehen. Mithilfe der LDL-Rezeptoren kann beim Menschen das Cholesterin in die Zellen aufgenommen werden. Bei gesunden Menschen werden etwa zwei Drittel über diese Rezeptoren aufgenommen. Das bedeutet, dass nur ApoB100 die Zelle mit Cholesterin versorgen kann, da ApoB48 kein Cholesterin bindet.

Bei ApoB100 findet eine C-U-Konversion, beziehungsweise eine Desaminierungsreaktion statt, welche überhaupt erst die Bindung an den LDL-Rezeptor zulässt. Doch es können auch andere Variationen des RNA-Editings auftreten. Weitere Variationen sind:

• A-G Konversion: Sie erfolgt auf dieselbe Art wie die C-U-Konversion und tritt vorrangig bei Säugern auf.
• Nukleotid-Insertionen: Durch Hinzufügen eines Nukleotids wird der Ableserahmen verschoben. Dazu gehören zum Beispiel G-Insertionen.
• U-Insertionen / U-Deletionen: Durch Hinzufügen oder Löschen einer Uridin-Base wird ebenfalls der Leserahmen verschoben. Sie können besonders Start- und Stopp-Codons verändert werden.
• Pyrimidin-Interkonversionen: Diese bei Pflanzen auftretende Änderung umfasst multiple Codonänderungen, die die Pyrimidin-Basen betreffen. Es kommt zur Formation von Start- oder Stopp-Codons bzw. zur Änderung der kompletten codierenden mRNA-Sequenz.

Genregulation über Spleißen

Durch das Splicing werden letztendlich nicht-codierende Abschnitte aus der RNA entfernt. Tatsächlich handelt es sich um intronische Sequenzen, die Abschnitte zwischen den codierenden Stellen, den Exons, darstellen. Die Introns können entfernt werden, ohne das Gen zu verändern. Das "Herausschneiden" der Introns wird durch den Protein-RNA-Komplex des Spleißosoms katalysiert. Nach dem Splicing liegt die reife mRNA vor, aus der in der Translation ein Protein übersetzt wird.

Insgesamt besitzt der Mensch über 20.000 Gene. Damit allerdings die vielfältige Möglichkeiten entstehen, die wir im Phänotyp erkennen, wird gespleißt. Ein Großteil der Genvielfalt lässt sich daher auf Basis des Spleißens erklären. Eine wichtige Methode ist dabei das alternative Spleißen, das dem konstitutiven Spleißen gegenüber steht. Im Folgenden wird der Unterschied zwischen den beiden Mechanismen erklärt.

Konstitutives Spleißen

Das durchschnittliche menschliche Gen besteht aus 7 Exons, die miteinander verbunden werden müssen. Beim konstitutiven Spleißen werden alle Exons miteinander verbunden, d.h. keine einzige exonische Sequenz wird ausgelassen.

Abbildung 4: Konstitutives SpleißenQuelle: wikipedia.org.

In der Abbildung 4 siehst du anhand von drei Exons, wie das konstitutive Spleißen aussieht. Die intronischen Sequenzen werden entfernt, sodass für die Translation nur noch die Exons vorhanden sind, aus denen dann die Proteine entstehen.

Das Spleißen selbst geschieht über zwei sogenannte Transesterifikationen. Die Chemie dahinter ist sehr komplex. Daher fassen wir für dich die wichtigsten Fakten zusammen:

• In jedem Intron gibt es einen Punkt, der Branch point genannt wird. Dieser greift mit dem 2'OH-Ende die 5'-Spleißstelle des ersten Exons an. Somit wird das erste Exon freigesetzt und das Intron selbst wird zirkulär, indem das freigewordene Ende an den Branch point selbst bindet. Die Ursache für eine solche Reaktion sind immer Elektronenumlagerungen.
• Das erste Exon greift nun die 3'-Spleißstelle des zweiten Exons an, wodurch die Exons miteinander verbunden werden und das Intron in seiner typischen Lassoform freigesetzt wird.
• Katalysiert wird diese Reaktion über einen Komplex, der als Spleißosom bezeichnet wird. Diese über 170 Proteine im menschlichen Organismus sind um kleine snRNAs (small nuclear RNAs) organisiert. Letztere sind der eigentliche Auslöser des Spleißens.

Allerdings gehört konstitutives Spleißen zu der eher selteneren Form. Viel häufiger wird alternativ gespleißt.

Alternatives Spleißen

Tatsächlich werden etwa 90% aller humanen Gene alternativ gespleißt. Konkret bedeutet das, dass nicht alle Exons in der reifen mRNA vorhanden sind. So gibt es für ein menschliches Gen durchschnittlich etwa 7 Isoformen, also sieben Proteine, die durch alternatives Spleißen entstehen.

Abbildung 4: Alternatives SpleißenQuelle: journalonko.de.

Die Abbildung zeigt einige Möglichkeiten, wie diese Art von Spleißen geschehen kann. So werden teilweise ganze Exons ausgelassen bzw. Introns beibehalten. Jede Form sorgt dafür, dass ein neues Protein entsteht, dass andere Eigenschaften besitzt und somit andere Funktionen erfüllen kann.

Auch Umweltfaktoren wie Sauerstoffmangel spielen eine Rolle. So werden manche Gene anders gespleißt, wenn zu wenig Sauerstoff vorhanden ist. Mit dem Wissen über das Spleißen konnte man in der Vergangenheit auch viele Krankheiten erklären. So ist spinale Muskelatrophie zum Beispiel eine Krankheit, die durch falsches Spleißen ausgelöst wird. Der nächste Schritt in der Forschung ist nun zu überlegen, wie man den Vorgang des Spleißens korrigieren kann, um eben solche Krankheiten zu heilen.

Prozessierung – Ergebnis

Nach dem Spleißen und der Prozessierung ist die prä-mRNA verarbeitet und es liegt die reife messengerRNA (mRNA) vor, welche zur Translation freigegeben werden kann. Hierzu wird die nun "geschützte" mRNA vom Zellkern in das Cytoplasma der Zelle überführt.