Was ist die mRNA-Reifung bei Eukaryoten?

Spätestens in der Oberstufe behandeln alle Biologiekurse die Proteinbiosynthese (Neubildung von Proteinen in einer Zelle) bei Prokaryoten (Bakterien) und bei Eukaryoten (Pflanzen, Tiere, Menschen). Beim Vergleich dieser Vorgänge werdet ihr sicherlich festgestellt haben, dass die Abläufe sich unterscheiden.
Prokaryoten besitzen keinen Zellkern, weshalb die DNA im Cytoplasma frei ist. Die Gene enthalten nur codierende (informationstragende) Sequenzen. Außerdem beginnt die Translation bereits bevor die Transkription beendet ist.
Bei Eukaryoten besitzt die Zelle einen Zellkern, welcher die DNA beinhaltet. Die Transkription (Umschreibung) der DNA  geschieht im Zellkern, während die Untereinheiten von Ribosomen, welche für die Translation (Übersetzung) benötigt werden im Cytoplasma vorliegen. Aus diesem Grund kommt es im Cytoplasma zur Translation.

Zwischen diesen beiden Prozessen liegt jedoch die mRNA-Reifung. Die mRNA ist ein einzelsträngiger Abschnitt, der als Bote dient. Sie ist komplementär (zusammenpassend) zu einem bestimmten DNA-Abschnitt und überliefert die Informationen von diesem Abschnitt an die Ribosome, an denen Proteine hergestellt werden.

Für die Proteinbiosynthese sind jedoch nur kurze Abschnitte der DNA notwendig. Diese Abschnitte sind die Gene. Gene sind notwendig, da auf ihnen die “Bauanleitung“ für die einzelnen Proteine liegen. Diese Gene werden Exons genannt. Die anderen Teile der DNA werden Introns genannt und sind unwichtig, da sie keine relevanten Informationen tragen, bzw. nicht mehr tragen.

Abb. 1: Schemazeichnung der DNA mit Introns und Exons
Abb. 1: Schemazeichnung der DNA mit Introns und Exons

Da bei der Transkription der Proteinbiosynthese die Introns auch transkribiert werden, entsteht eine Vorstufe der mRNA, die prä-mRNA (= vor-messenger-RNA) genannt wird. Bei einer DNA-mRNA-Hybridisierung (Sichtbarmachung der Zusammengehörigkeit von DNA und mRNA), kann die Länge der DNA und mRNA sichtbar gemacht werden, indem einzelsträngige DNA mit ihrer transkribierten (umgeschriebenen) mRNA zusammengefügt wird. Daraufhin setzen sich die zusammenpassenden (komplementären) Teile der Stränge zusammen. Wenn dieses Gemisch im Elektronenmikroskop betrachtet wird, kann man viele schleifenartige Muster sehen.

Abb. 2: Schleifenförmiges Muster der DNA-mRNA-Hybridisierung
Abb. 2: Schleifenförmiges Muster der DNA-mRNA-Hybridisierung

Es ist zu erkennen, dass die prä-mRNA, durch die Introns, viel länger ist als die eigentliche mRNA mit einer cap-Struktur und einem Poly-A-Schwanz (die „cap-Struktur“ und der „Poly-A-Schwanz“ werden später noch erklärt). Diese prä-mRNA wird dann während der Reifung (Prozessierung)  zur mRNA geformt, indem die unwichtigen Teile (= Introns) entfernt werden.  
Die mRNA besteht aus einem Einzelstrang von Nucleotiden und überbringt den “Bauplan” der Gene an den Syntheseapparat (Ort an dem die Herstellung geschieht) der Ribosome im Cytoplasma.
Doch wie wird aus der prä-mRNA nun die eigentliche mRNA? Das alles klingt schwer, doch dieser Prozess der sich Reifung nennt ist eigentlich ganz einfach!
Der Reifungsprozess besteht aus mehreren Schritten:

1. Schritt:

Der erste Schritt wird auch Spleißen (engl. „splicing“)  genannt. Das englische Wort „splicing“ kann mit Zusammenschneiden übersetzt werden. Und genau das geschieht beim Spleißen. Die Introns aus der prä-mRNA werden von Enzymen herausgeschnitten. Dieser Vorgang geschieht im Zellkern durch sogenannte „Spleißosome“ (Enzyme). Daraufhin werden die Exons, welche links und rechts von den Introns lagern, verknüpft.

 

Abb. 3: prä-mRNA Spleißen durch Spleißosome
Abb. 3: prä-mRNA Spleißen durch Spleißosome

Das Spleißen geschieht noch im Zellkern, da die mRNA im Cytoplasma abgebaut werden würde. Warum die mRNA im Cytoplasma abgebaut werden würde, erkläre ich euch später.
Zu beachten ist jedoch auch, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt die mRNA zusammenzuschneiden. Diese Möglichkeiten werden als alternatives Spleißen beschrieben. Beim alternativen Spleißen wird erst während dem Spleißungsprozess  festgelegt, welche Sequenzen aus der entstandenen prä-mRNA herausgeschnitten werden. Verantwortlich für diese Auswahl sind Proteine, die bestimmte Sequenzen erkennen, an denen die prä-mRNA geschnitten werden kann. Die Grenzen zwischen Introns und Exons werden als “splice-site“ bezeichnet. Diese Sequenzbereiche befinden sich zu beiden Seiten der Introns. Sie werden 5‘-splice-site und 3‘-splice-site genannt. Mit diesen Begriffen kann man die verschiedenen Varianten des alternativen Spleißens verdeutlichen.

Insgesamt gibt es fünf verschiedene Formen des Spleißens:

a) Kassettenexons (mutually exclusive exons):

Bei dieser Form liegt jeweils eins von zwei Exons in der reife-mRNA vor.

Abb. 4: Kassettenexons (mutually exclusive exons)
Abb. 4: Kassettenexons (mutually exclusive exons)

 

b) Überspringen von Exons (exon skipping):

Einzelne Exons werden übersprungen und liegen daher nicht in der reifen-mRNA vor.

Abb. 5: Überspringen von Exons (exon skipping)
Abb. 5: Überspringen von Exons (exon skipping)

 

c) Beibehalten von Introns (Intron retention):

Introns werden nicht ausgeschnitten, sondern mit in die reife-mRNA übernommen.

Abb. 6: Beibehalten von Introns (Intron retention)
Abb. 6: Beibehalten von Introns (Intron retention)

 

d) Benutzen unterschiedlicher 5‘-splice-sites (alternative 5‘-splice site):

Ein Exon beginnt früher oder hört früher auf.

Abb. 7: Benutzen unterschiedlicher 5‘-splice-sites (alternative 5‘-splice site)
Abb. 7: Benutzen unterschiedlicher 5‘-splice-sites (alternative 5‘-splice site)

 

e) Benutzen unterschiedlicher 3‘-splice-sites (alternative 3‘- splice site):

Ein Exon fängt früher an oder hört früher auf.

Abb. 8: Benutzen unterschiedlicher 3‘-splice-sites (alternative 3‘- splice site)
Abb. 8: Benutzen unterschiedlicher 3‘-splice-sites (alternative 3‘- splice site)

2. Schritt:

Voraussetzung für den zweiten Schritt ist also die Verbindung der einzelnen informationstragenden Bereiche (Exons). Sobald diese Verbindung besteht, wird ein besonderes Nucleotid an das 5‘-Ende der mRNA  angesetzt. Es handelt sich um, Achtung jetzt wird es kompliziert, ein Guanin-Nucleotid mit einer Methylgruppe (CH3). Diese dient als eine Art Kappe und wird daher auch „cap-Struktur“ genannt. Durch diese Struktur wird verhindert, dass die mRNA im Cytoplasma durch Enzyme abgebaut wird. Die mRNA wird nach der Translation immer abgebaut, da die reife-mRNA sonst ständig abgelesen werden würde, wodurch zu viele Proteine entstehen würden. Außerdem erleichtert die Kappe gleichzeitig das Anheften an Ribosome.

 

3. Schritt:

Als Letztes wird an das 3‘-Ende eine Abfolge von Nucleotiden angeheftet. Diese Abfolge von bis zu 250 Adenin- Nucleotiden wird auch Poly-A-Schwanz genannt und schützt nun ebenfalls das 3‘-Ende vor dem Abbau durch Enzyme. Des Weiteren  dienen diese Nucleotide dazu, dass die mRNA in das Cytoplasma der Zelle befördert werden kann. Wenn einem diese Bezeichnungen (cap-Struktur; Poly-A-Schwanz) zu hoch sind, kann man auch einfach Kappe und Schwanz sagen. Die entstandene mRNA wird reife-mRNA genannt.

Abb. 9: reife-mRNA mit cap-Struktur und Poly-A-Schwanz
Abb. 9: reife-mRNA mit cap-Struktur und Poly-A-Schwanz

Der Transport der reife-mRNA ins Cytoplasma wird durch Karyopherine eingeleitet (lösliche Transportrezeptoren). Bei der Umschreibung der DNA in die prä-mRNA wird die prä-mRNA mit verschiedenen Proteinen beladen, wodurch sie zu einem Proteinkomplex wird. Diese Proteine sind Spleißing- und Prozessierungsfaktoren, sowie RNA-Bindeproteine. Solche Bindeproteine bewegen sich zwischen dem Zellkern und dem Cytoplasma hin und her und begleiten auf diesem Weg die reife-mRNA beim Transport. Damit die reife-mRNA ins Cytoplasma gelangen kann, wirken die Proteine auf die Kernporen ein und öffnen diese.

Sobald die Reifung der mRNA beendet ist, verlässt die reife-mRNA den Zellkern und wird dann an den Ribosomen in eine Polypeptidkette (Proteinkette) übersetzt (siehe Translation).