mRNA

I eukaryote celler blir et bestemt DNA-segment ( gen ) omskrevet i cellekjernen til en tilsvarende base-parring RNA-streng ( transkripsjon ). Dette pre-mRNA blir deretter gjort til modent mRNA ( behandlet ). Deretter eksporteres mRNA til cytoplasma via kjerneporer . Der foregår proteinbiosynteseribosomer . I dette tilfellet, som er nukleotidsekvensen til mRNA med tRNA i aminosyresekvensen til det produserte polypeptidet oversatt ( oversettelse ). Et mRNA kan brukes flere ganger; til slutt vil den bli demontert.

En mRNA eller messenger RNA ( engelsk messenger ribonukleinsyre ) til tysk messenger ribonukleinsyre (også messenger RNA eller messenger RNA ), en enkeltstrenget ribonukleinsyre (RNA), den genetiske informasjonen for utvikling av et bestemt protein i en celle overfører. MRNA-molekylet bærer meldingen fra deoksyribonukleinsyre (DNA) - som ligger i kjernen av eukaryoter - og fungerer som en konstruksjonsguide for proteinsyntese i cytoplasmaet på ribosomene .

Sekvensen av nukleinbaser ( basesekvens ) i gensegmentene til DNA-molekylene er viktig for en slik tegning . For at informasjonen skal kunne uttrykkes ( genuttrykk ), må den transkriberes til nukleotidsekvensen til mRNA-molekyler ( transkripsjon ). En RNA-streng blir opprettet ved hjelp av DNA- malen ; dette skjer under den enzymatiske effekten av en RNA-polymerase . Som en melding fra et mRNA kan informasjonen i basesekvensen leses på ribosomer og oversettes ved hjelp av tRNA- molekyler ( oversettelse ). I denne ribosomale proteinbiosyntesen spesifiserer den kodende basesekvensen til mRNA deretter sekvensen av aminosyrer ( aminosyresekvensen ) i den nybygde polypeptidkjeden - og dermed den primære strukturen til et bestemt protein.

Når det gjelder legemidler basert på mRNA, produserer celler deretter det respektive effektive proteinet basert på informasjonen som er brakt inn av dette. Dette kan for eksempel fungere som et antigen i mRNA-vaksiner .

transkripsjon

Under transkripsjonen blir en del av DNA omskrevet til en enkelt streng av RNA. Dette skjer under påvirkning av enzymet RNA polymerase . Den kodogene DNA-strengen fungerer som en mal for konstruksjonen av en RNA-streng, som deretter koder som mRNA for protein . I prokaryoter (levende vesener uten en kjerne) foregår denne transkripsjonsprosessen i cytoplasmaet , i eukaryoter (levende vesener med en kjerne) blir kjernegenomet transkribert i karyoplasma i kjernen til en celle.

Den faktiske transkripsjonsprosessen av en RNA-polymerase er den samme i prokaryoter og eukaryoter. I prokaryote celler (procytter) kan ribosomer imidlertid feste seg til det ennå ikke helt syntetiserte mRNA og begynne oversettelse . På denne måten kan syntesen av proteiner starte samtidig under transkripsjonen , noe som muliggjør spesielle former for genregulering (se demping ). På eukaryoter blir den primære RNA-transkripten (pre-mRNA) derimot først utsatt for forskjellige prosesser i cellekjernen (bearbeidet, se nedenfor ), og først deretter eksporteres den som mRNA fra kjernen til cytoplasmaet, hvor ribosomene befinner seg.

Prokaryoter har bare en type enzym, RNA-polymerase, som brukes til å bygge et RNA- polynukleotid . Eukaryoter har derimot forskjellige typer RNA-polymeraser; deres RNA-polymerase II katalyserer syntesen av pre-mRNA.

Eukaryote RNA-polymeraser
enzym Funksjonelt RNA
RNA-polymerase I. rRNA
RNA-polymerase II pre-mRNA (blant andre)
RNA-polymerase III tRNA (blant andre)
RNA-polymerase IV, V siRNA

En vesentlig forskjell mellom prokaryotisk og eukaryot mRNA er at prokaryotisk mRNA hovedsakelig er polycistronic , mens eukaryot mRNA vanligvis er monocistronic . Dette gjør det mulig for prokaryoter å ha informasjonen om flere gener - hver bak den andre på DNA - på bare et enkelt mRNA-transkripsjon, og til å begynne med syntesen av de kodede proteinene (oversettelse) under mRNA-syntesen (transkripsjon). Et slikt felles transkribert område på DNA, hvis gener funksjonelt hører sammen, kalles et operon .

Eukaryotisk pre-mRNA prosessering

Skjema for et eukaryotisk mRNA - etter behandling av pre-mRNA har det i tillegg en hette ( hette ) i 5'-enden og en poly A-hale ( hale ) til 3'-enden . Den kodende sekvens (CDS - grønn) blir oversatt ; de flankerende områdene ( 5'-UTR - gule; 3'-UTR - lilla) forblir oversatt.

I eukaryote celler opprettes et modent mRNA ved å behandle forløperen, hnRNA (engelsk heterogen nukleær RNA ) eller pre-mRNA (engelsk forløper messenger RNA , pre-mRNA). Disse prosesstrinn er fortsatt løper fra kjernen - bare da mRNA gjennom atom porer komme inn i cytoplasma hvor deretter til ribosomer , den proteinsyntese finner sted.

  • I 5'- enden syntetiseres den i transkripsjonen. Først får RNA en 5'-cap struktur (engelsk cap "cap"). Denne hetten består av en modifisert form av guanosin , 7-metylguanosin (m 7 G). Hettestrukturen beskytter RNA mot nedbrytning av nukleaser og tillater hettebindende kompleks , som bl.a. er viktig for kjerneeksport. Selv etter at den har blitt transportert inn i cytosolen , spiller 5'- hetten en rolle i gjenkjennelsen av mRNA av den lille ribosomale underenheten og dermed i begynnelsen av oversettelsen.
  • I 3'-enden , syntetisert sist under transkripsjon, gjennomgår RNA polyadenylering . I denne prosessen er en poly A-hale bestående av 30 til 200 adeninnukleotider festet. Dette beskytter også mRNA fra enzymatisk nedbrytning. I tillegg letter det - også gjennom interaksjoner med hetten i den andre enden - både kjerneeksporten og translaterbarheten til mRNA.
  • Ved å spleise (engelsk spleise ), fra den originale transkripsjonen (hnRNA), bestemte RNA-segmenter som introner fjernet, slik at de ikke lenger bidrar til kodingsinformasjonen ; de gjenværende seksjoner er forbundet med hverandre, og da representere den uttrykt genetiske informasjonen som eksoner Denne prosess finner sted i den. spliceosome , et kompleks av den hnRNA og snRNPer ( small nuclear ribonukleoprotein partikkel ; talt Snurp ) - som består av den snRNAer U1, U2, U4, U5 og U6 og rundt 50 proteiner - samt andre skjøtingsfaktorer. Gjennom alternativ spleising kan forskjellige mRNAer således oppstå fra samme hnRNA, som når det oversettes også kan føre til forskjellige proteiner.

På dette punktet griper også forskjellige regulatoriske prosesser inn i cellen. Om antisense-RNA og RNA-interferens kan mRNA nedbrytes, og slik kan oversettelsen forhindres. Videre finner den såkalte RNA-utgaven i noen tilfeller sted , hvorved nukleotider i et mRNA endres. Et eksempel på dette er apolipoprotein B mRNA, som er redigert i noen vev og ikke i andre. Utgaven skaper et annet stoppkodon oppstrøms , noe som fører til et kortere protein (med en annen funksjon) under oversettelsen.

Oversettelse

Under translasjon blir den kodende sekvensen oversatt fra nukleobaser av mRNA- nukleotidene til aminosyresekvensen til polypeptidkjeden til et protein . Den Nukleotidsekvensen av en åpen leseramme blir lest i trinn på tre og en spesifikk aminosyre er tilordnet hver basistriplett ved hjelp av tRNA- molekyler og dette er knyttet til den tidligere ved hjelp av en peptidbinding . Denne prosessen finner sted på ribosomene i cytoplasmaet og representerer den faktiske proteinbiosyntesen . I eukaryote celler kan ribosomene være frie eller feste seg til membranen i det endoplasmatiske retikulumet .

Hvert ribosom som gjenkjenner og binder til et mRNA, oversetter deretter den kodende nukleotidsekvensen til mRNA til den tilsvarende aminosyresekvensen til et protein i henhold til den genetiske koden . Aminosyremolekylene som kreves for dette, blir hentet inn av tRNA-molekyler og tatt fra cytoplasmaet i cellen. Mens et prokaryotisk mRNA ofte inneholder flere kodende seksjoner ( polygen mRNA ), er eukaryote mRNA vanligvis monocistronic og inneholder således bare en seksjon med en kodende sekvens.

Et ribosom oversetter bare ett mRNA om gangen og bygger i henhold til spesifikasjonene det kodede polypeptidet en gang. Ribosomet løsner seg deretter fra mRNA. Imidlertid kan flere ribosomer samtidig feste seg til et mRNA og hver syntetisere en polypeptidkjede. Et mRNA kan også leses ribosomalt flere ganger etter hverandre. Antallet dannede proteinmolekyler avhenger derfor av antall utførte translasjonsprosesser. Jo lenger et mRNA-molekyl eksisterer, jo oftere kan det brukes til dette formålet.

Nedbrytning

MRNA brytes senere enzymatisk ned av en ribonuklease (RNase) og brytes ned i nukleotidene, som deretter kan brukes igjen til å bygge nye RNA-molekyler. Med denne nedbrytningen , også kalt nedbrytning, slutter levetiden til et mRNA-molekyl. Varigheten av tilgjengeligheten til nedbrytning av nukleaser i cellen kan imidlertid variere og er viktig for reguleringen av proteinbiosyntese. Nedbrytningsprosessen skjer ofte i eukaryote celler i spesifikke strukturer, de såkalte P-kroppene i cytoplasmaet. Siden mRNA også kan lagres midlertidig her for en ny oversettelse i stedet for å bli brutt ned, er ytterligere reguleringsmåter mulig.

Rengjøring og bevis

RNA kan isoleres ved RNA-rensing , f.eks. B. for RNA med en poly-A-hale ved å bruke en oligo-dT-kolonne. Påvisning utføres ved Northern blot eller, etter RT-PCR, ved qPCR eller DNA-sekvensering .

mRNA vaksiner

Siden mRNA brytes ned enzymatisk i vertscellene på kort tid og også kan føre til frigjøring av cytokiner med uønskede effekter via aktivering av toll-lignende reseptorer, var forskning på medisiner basert på RNA opprinnelig nølende.

Når det brukes som vaksine, administreres et mRNA som koder for et valgt protein . Dette proteinet syntetiseres ribosomalt i cellene til vaksinen ved hjelp av mRNA tatt opp . Det kan deretter presenteres for immunsystemet ekstracellulært på celleoverflaten og fungere som et antigen . Som et resultat kan forskjellige immunresponser utløses. Denne metoden kan brukes til forskjellige formål, for eksempel i kreftbehandling, så vel som for influensavaksiner og for rabiesvaksiner .

Med utviklingen av mRNA-vaksiner for å beskytte mot sykdommen COVID-19 forårsaket av coronavirus SARS-CoV-2 , er flere prosjekter for tiden (per mars 2021) i prekliniske eller kliniske studier .

Hvis derimot modRNA ( nukleosidmodifisert mRNA ) brukes i stedet for normalt mRNA, kan rask enzymatisk nedbrytning og aktivering av toll-lignende reseptorer reduseres eller forhindres, noe som massivt akselererte utviklingen av mRNA-baserte vaksiner.

Se også

Portal: COVID-19  - Oversikt over Wikipedia-innhold om emnet COVID-19

litteratur

Individuelle bevis

  1. Entry messenger-RNA i leksikon med biologiSpektrum.de .
  2. Molecules on a Cell Journey in the UniSpiegel of the University of Heidelberg , januar 2002 utgave.
  3. B. Weide, JP Carralot, A. Reese, B. Scheel, TK Eigenler, I. Hoerr, HG Rädenee, C. Garbe, S. Pascolo: Resultater av den første fase I / II klinisk prøve vaksinasjon med direkte injeksjon av mRNA . I: Journal of immunotherapy. Volum 31, nummer 2, 2008 feb-mars, s. 180-188, doi : 10.1097 / CJI.0b013e31815ce501 , PMID 18481387 .
  4. B. Weide, S. Pascolo, B. Scheel, E. Derhovanessian, A. Pflugfelder, TK Eigenler, G. Pawelec, I. Hoerr, HG Rädenee, C. Garbe: Direkte injeksjon av protamin-beskyttede mRNA: Resultatene av en fase 1/2 vaksinasjonsforsøk hos metastaserende melanompasienter. I: Journal of immunotherapy. Volum 32, nummer 5, juni 2009, s. 498-507, doi : 10.1097 / CJI.0b013e3181a00068 , PMID 19609242 .
  5. M. Fotin-Mleczek, KM Duchardt, C. Lorenz, R. Pfeiffer, S. Ojkić-Zrna, J. Probst, KJ Kallen: Messenger RNA-baserte vaksiner med dobbel aktivitet indusere balansert TLR-7-avhengige adaptive immunresponser og gi antitumoraktivitet. I: Journal of immunotherapy. Volum 34, nummer 1, januar 2011, s. 1-15, doi : 10.1097 / CJI.0b013e3181f7dbe8 , PMID 21150709 .
  6. ^ FB Scorza, N. Pardi: Nye barn på blokken: RNA-baserte influensavirusvaksiner. I: Vaksiner. Volum 6, nummer 2, april 2018, s., Doi : 10.3390 / vaksiner6020020 , PMID 29614788 , PMC 6027361 (fri fulltekst).
  7. N. Armbruster, E. Jasny, B. Petsch: Advances in RNA Vaksiner Forebyggende Indikasjoner: A Case Study av en vaksine mot rabies. I: Vaksiner. Volum 7, nummer 4, september 2019, s., Doi : 10.3390 / vaksiner7040132 , PMID 31569785 , PMC 6963972 (fri fulltekst).
  8. Sammenlign: Alwin Schönberger: Ingmar Hoerr: "The corona pandemien var stein" profil.at, 10 mars 2021, åpnet 14.03.2021.