Messenger RNA

Messenger-RNA (mRNA) ist ein einzelsträngiges Molekül, das die genetischen Anweisungen eines Gens trägt. Ein Ribosom liest dieses Molekül, um ein Protein aufzubauen. Die Zelle produziert mRNA durch Transkription, ein Enzym namens RNA-Polymerase kopiert ein Gen in ein primäres Transkript, das als Prä-mRNA bezeichnet wird. Diese Prä-mRNA enthält typischerweise Introns, nicht-kodierende Abschnitte, die während des RNA-Spleißens entfernt werden. Übrig bleiben Exons, die kodierenden Regionen, die die reife mRNA bilden. Das Ribosom liest dann die reife mRNA während der Translation und verwendet Aminosäuren, die von der Transfer-RNA (tRNA) bereitgestellt werden, um das Protein zusammenzusetzen. Diese Schritte sind Teil des zentralen Dogmas der Molekularbiologie, das beschreibt, wie genetische Informationen innerhalb einer Zelle fließen.

Die genetische Information in der mRNA ist in ihrer Nukleotidsequenz gespeichert, genau wie in der DNA. Diese Nukleotide sind in Codons gruppiert, die jeweils aus drei Ribonukleotiden bestehen. Jedes Codon spezifiziert eine bestimmte Aminosäure, mit Ausnahme von Stopp-Codons, die das Ende der Proteinsynthese signalisieren. Zwei weitere RNA-Typen werden benötigt, um Codons in Aminosäuren zu übersetzen: Transfer-RNA, die jedes Codon seiner Aminosäure zuordnet, und ribosomale RNA (rRNA), die Kernkomponente der Proteinbaumaschinerie des Ribosoms.

Die Idee der mRNA wurde erstmals 1960 von Sydney Brenner und Francis Crick während eines Gesprächs mit François Jacob vorgeschlagen. Im Mai 1961 bestätigten zwei Artikel in Nature ihre Existenz experimentell: einer von Brenner, Jacob und Meselson und ein weiterer von Gros und Kollegen, darunter Watson. Während der Analyse der Daten für die Veröffentlichung prägten Jacob und Jacques Monod den Begriff „Messenger-RNA“.

Das Leben eines mRNA-Moleküls beginnt mit der Transkription und endet mit seinem Abbau. Während dieser kurzen Existenz kann es vor der Translation prozessiert, editiert und transportiert werden. Eukaryotische mRNA erfordert oft eine umfangreiche Prozessierung und einen Transport, während prokaryotische mRNA dies nicht tut. Ein eukaryotisches mRNA-Molekül wird zusammen mit den Proteinen, die es umgeben, als Messenger-RNP bezeichnet.

Die Transkription kopiert genetische Informationen von der DNA in RNA mithilfe der RNA-Polymerase. Dieses Enzym bindet an eine Promotorsequenz auf der DNA und synthetisiert einen komplementären RNA-Strang von der DNA-Matrize. Der Prozess unterscheidet sich zwischen Prokaryoten und Eukaryoten. Bei Prokaryoten findet die Transkription im Zytoplasma statt, und Ribosomen können sich an den wachsenden mRNA-Strang anlagern, um mit der Translation zu beginnen, noch bevor die Transkription abgeschlossen ist. Bei Eukaryoten findet die Transkription im Zellkern statt. Das erste Produkt ist Prä-mRNA, die einer Prozessierung unterzogen werden muss – einschließlich 5'-Capping, Spleißen zur Entfernung von Introns und 3'-Polyadenylierung – um zur reifen mRNA zu werden. Nach der Prozessierung wird die reife mRNA zur Translation in das Zytoplasma exportiert.

Während DNA Thymin verwendet, verwendet RNA Uracil. Während der Transkription baut die RNA-Polymerase Uracil gegenüber Adeninbasen auf dem DNA-Matrizenstrang ein. Folglich hat das RNA-Transkript Uracil an den Stellen, an denen der kodierende DNA-Strang Thymin hat. Uracil-Adenin-Basenpaare sind strukturell ähnlich wie Thymin-Adenin-Paare und bewahren so die genetische Information. Eine gängige Erklärung für die Verwendung von Thymin in der DNA betrifft die Genomerhaltung: Cytosin kann spontan desaminieren und Uracil bilden, und DNA-Reparatursysteme behandeln Uracil als Schaden. Die Verwendung von Thymin als Standardbase hilft der Zelle, legitime Basen von Fehlern zu unterscheiden, und hält Uracil als spezifisches Signal für die Reparatur.

Die mRNA-Prozessierung variiert stark zwischen Eukaryoten, Bakterien und Archaeen. Nicht-eukaryotische mRNA ist im Allgemeinen direkt nach der Transkription reif und benötigt keine Prozessierung, außer in seltenen Fällen. Eukaryotische Prä-mRNA hingegen erfordert mehrere Schritte, bevor sie in das Zytoplasma transportiert und translatiert werden kann.

RNA-Spleißen entfernt Introns (nicht-kodierende Regionen) aus eukaryotischer Prä-mRNA und verbindet die Exons (kodierende Regionen) zur reifen mRNA.

Eine 5'-Cap, auch RNA-Cap oder 7-Methylguanosin-Cap genannt, ist ein modifiziertes Guanin-Nukleotid, das kurz nach Beginn der Transkription an das vordere Ende (5'-Ende) einer eukaryotischen mRNA angehängt wird. Diese Cap besteht aus einem terminalen 7-Methylguanosin-Rest, der durch eine 5'-5'-Triphosphatbindung mit dem ersten transkribierten Nukleotid verbunden ist. Sie ist entscheidend für die Ribosomenerkennung und den Schutz vor RNasen. Die Cap-Zugabe erfolgt kotranskriptionell, d. h. sie findet statt, während die Transkription noch läuft, und beide Prozesse beeinflussen sich gegenseitig.

Kurz nach Beginn der Transkription wird das 5'-Ende der wachsenden mRNA von einem Cap-synthetisierenden Komplex gebunden, der mit der RNA-Polymerase assoziiert ist. Dieser Komplex katalysiert die für das Capping erforderlichen chemischen Reaktionen, die als mehrstufiger biochemischer Prozess ablaufen.

In einigen Fällen wird ein mRNA-Molekül editiert, wodurch seine Nukleotidzusammensetzung verändert wird. Ein bekanntes Beispiel beim Menschen ist die Apolipoprotein-B-mRNA. In bestimmten Geweben führt die RNA-Editierung zu einem vorzeitigen Stopp-Codon, was zu einem kürzeren Protein führt.