Prozessierung – RNA-Modifikation bei Eukaryoten

Prozessierung – RNA-Modifikation bei Eukaryoten Übung

• Beschreibe den Prozess des Spleißens.

  Tipps

  Den Prozess des Spleißens gibt es auch außerhalb der Biologie. Er beschreibt einen Prozess, bei dem Seilenden so miteinander verknüpft, oder eben verspleißt werden, dass eine dauerhafte und bruchsichere Verbindung entsteht. Überlege, was beim biologischen Spleißen verbunden werden soll und welche Vorbereitungen dafür nötig sind.

  Die Begriff Intron und Exon sind englische Abkürzungen.

  Intron: Intragenic region

  Exon: Expressed region

  Versuche, die Worte auseinanderzunehmen und zu übersetzen, um einen Hinweis auf ihre Funktion zu erhalten.

  Lösung

  Bevor die prä-mRNA als fertige mRNA aus dem Zellkern ins Cytoplasma zur Translation transportiert werden kann, wird sie dem Prozess des Spleißens unterzogen. Dabei werden sämtliche codierenden Abschnitte miteinander verbunden bzw. verspleißt.

  Eukaryotische Gene enthalten aber nicht nur codierende sondern auch nicht-codierende Abschnitte, welche bei der Transkription mit in die prä-mRNA überschrieben werden. Die codierenden Abschnitte heißen Exons, die nicht-codierenden Introns. Wenn sowohl Introns als auch Exons in einem Gen vorkommen, spricht man von einem Mosaikgen.

  Introns enthalten keinerlei Informationen, die zur Synthese von Proteinen notwendig wären, daher werden sie in Schleifen gelegt und aus der prä-mRNA herausgeschnitten. Der ganze Prozess des Spleißens wird von einem Proteinkomplex, dem Spleißosom, katalysiert.

• Vergleiche die Prozesse des Cappings und der Polyadenylierung miteinander.

  Tipps

  Nimmt man die Begriffe Capping und Polyadenylierung auseinander oder übersetzt sie, wird deutlich, welcher Begriff welchen Prozess beschreibt.

  Überlege, in welche Richtung die prä-mRNA ausgehend vom elterlichen DNA-Strang synthetisiert wird. Ein Teilschritt der RNA-Prozessierung setzt nämlich am Anfang des prä-mRNA-Stranges an. Nur dieser Teilschritt kann während der Transkription stattfinden. Alle anderen Prozesse sind nachgeschaltet.

  Beim Schutz der Enden der prä-mRNA werden entweder ein Guanin-Nukleotid oder Adenin-Nukleotide verbaut. Wenn du dir diese beiden Wörter genauer anschaust, kannst du zumindest ein Nukleotid einem bestimmten Prozess zuordnen und das andere Nukleotid via Ausschlussverfahren dem anderen Prozess.

  Lösung

  Bei der RNA-Prozessierung wird zunächst dafür gesorgt, dass die Enden der prä-mRNA vor enzymatischem Abbau im Cytoplasma geschützt sind. Das 5'-Ende bildet den Anfang des prä-mRNA-Stranges und wird durch eine sogenannte 5'-Cap-Struktur bestehend aus einem modifizierten Guanin-Nukleotid wie mit einer Kappe abgedeckt. Dieser Prozess findet co-transkriptionell statt und heißt Capping.

  Das 3'-Ende der prä-mRNA bildet das Ende des Stranges und kann daher erst nach der Transkription, also post-transkriptionell geschützt werden. Hier wird eine Kette aus Adenin-Nukleotiden angehängt, deren Länge die Lebensdauer der späteren mRNA bestimmen. Je länger die Kette, desto langlebiger die mRNA. Diese Kette wird auch als Poly-A-Schwanz bezeichnet. Der Prozess heißt Polyadenylierung.

  Sowohl das Capping als auch die Polyadenylierung dienen als Signal dafür, dass die mRNA ins Cytoplasma transportiert werden kann. Erst im weiteren Verlauf der RNA-Prozessierung kommt es bei dem RNA-Editing zur Einfügen oder Entfernen von Nukleotiden.

• Vergleiche die Proteinbiosynthese von Prokaryoten und Eukaryoten.

  Tipps

  Was ist der fundamentalste Unterschied zwischen Prokaryoten und Eukaryoten? Falls dir die Antwort nicht einfällt, versuche die Begriffe Prokaryot und Eukaryot auseinanderzunehmen und zu übersetzen.

  Prokaryoten sind um ein Vielfaches kleiner als Eukaryoten. Was bedeutet das für Prozesse wie die Proteinbiosynthese?

  Lösung

  Grundlegend verläuft die Proteinbiosynthese bei Prokaryoten und Eukaryoten ähnlich, wenn auch nicht identisch. Bei Eukaryoten sind die Prozesse Transkription und Translation räumlich voneinander getrennt, wobei die Transkription im Zellkern und die Translation im Cytoplasma stattfindet. Bei Prokaryoten gibt es keine solche Trennung, da sie keinen echten Zellkern besitzen. Prokaryotische DNA kommt frei im Cytoplasma vor und dort findet auch die gesamte Proteinbiosynthese statt. Diese räumliche Nähe sorgt dafür, dass die Herstellung von Proteinen in Prokaryoten schneller erfolgt als in Eukaryoten.

  Insgesamt ist die Proteinbiosynthese bei Eukaryoten deutlich komplexer als bei Prokaryoten. Die RNA-Prozessierung bestehend aus Capping, Polyadenylierung, RNA-Editing und Spleißen, findet nur in eukaryotischen Zellen statt. Das macht die mRNA von Eukaryoten stabiler und langlebiger als ihre prokaryotischen Gegenstücke. Da in Prokaryoten keine RNA-Prozessierung stattfindet, gibt es hier auch keine prä-mRNA. Bei der Transkription der prokaryotischen DNA entsteht also direkt die Transportform mRNA. Die Notwenigkeit des Spleißens entfällt in Prokaryoten, da ihre DNA keine Introns enthält. Die geringere Komplexität beim Ablauf der Proteinbiosynthese in Prokaryoten hat eine, im Vergleich zu Eukaryoten niedrigere Proteinvielfalt zur Folge.

• Skizziere den Ablauf der Prozesse der Proteinbiosynthese bei Eukaryoten.

  Tipps

  Überlege, wo die Proteinbiosynthese beginnt und endet.

  Bei der RNA-Prozessierung kommt zunächst der Schutz der Enden der RNA und danach ihre Modifikation.

  Die Enden der prä-mRNA werden in zwei Schritten geschützt. Dabei findet ein Prozess bereits während der Transkription statt, der andere erst danach.

  Die geschützte prä-mRNA wird zuerst verändert und danach verkürzt

  Lösung

  Der Verlauf der Proteinbiosynthese in Eukaryoten gestaltet sich wie folgt: Im Zellkern findet zunächst die Transkription statt, bei der die DNA in prä-mRNA übersetzt wird. Die prä-mRNA stellt dabei eine Vorform der fertigen mRNA dar und durchläuft vor dem Transport aus dem Zellkern noch einen Reifeprozess.

  Dieser Reifeprozess, oder auch RNA-Prozessierung, beginnt mit dem Schutz der RNA-Enden: Zuerst wird das 5'-Ende durch Capping und anschließend das 3'-Ende durch Polyadenylierung vor enzymatischem Abbau geschützt. Es folgt die Veränderung der prä-mRNA durch das RNA-Editing und schlussendlich die Entfernung der Introns durch das Spleißen.

  Die gereifte, fertige mRNA wird nun durch die Kernporen ins Cytoplasma transportiert, in welchem die Translation an den Ribosomen stattfindet.

• Ordne die Schritte der RNA-Prozessierung ihrer jeweiligen Definition zu.

  Tipps

  Übersetze die Begriffe Capping oder RNA-Editing ins Deutsche, um ihre Funktion zu erraten.

  Die prä-mRNA enthält Introns, die für die Proteinbiosynthese nicht zu gebrauchen sind. Wie werden sie entfernt?

  Lösung

  Die RNA-Prozessierung ist ein vierschrittiger Prozess, der während der Proteinbiosynthese im Zellkern abläuft. Dabei wird die prä-mRNA in verschieden Prozessen transportfähig gemacht oder auch verändert bis sie zur voll funktionsfähigen mRNA herangereift ist.

  Die beiden Enden der prä-mRNA werden durch das Capping und die Polyadenylierung vor enzymatischem Abbau geschützt. Beim Capping wird eine Cap-Struktur, bei der Polyadenylierung eine Kettenstruktur an das jeweilige Ende angehängt.

  Beim RNA-Editing kann die prä-mRNA verändert werden: Es können einzelne oder mehrere Nukleotide eingefügt oder entfernt werden. Außerdem können einzelne Basen oder Ribosen chemisch verändert werden.

  Beim Prozess des Spleißens werden die nicht-codierenden Regionen der prä-mRNA, die Introns, entfernt. Dadurch wird sichergestellt, dass sich nur noch für Proteine codierende Exons in der fertigen mRNA befinden.

• Erkläre die Funktion des RNA-Editings anhand der Schemata.

  Tipps

  Falls du eine Antwort nicht weißt, schaue noch mal genau in den abgebildeten Schemata nach. So gut wie alle Informationen, die du benötigst, sind daran integriert.

  Erinnere dich an die Grundlagen der Genetik:

  Was ist ein Codon und wie ist es aufgebaut? Woraus bestehen Proteine? Welche Basen gibt es? Wie wird das Ende eines codierenden RNA-Abschnittes markiert?

  Lösung

  Apolipoproteine sind Bestandteile der Lipoproteine, welche in der Fettverdauung aller Tierklassen vorkommen. Das Apolipoprotein B-Gen ist ein gut untersuchtes Beispiel für die Auswirkungen des RNA-Editing auf die Proteinbiosynthese. Das Gen enthält insgesamt 4564 Codons, wobei das 2153. Codon aus dem Basentriplett CAA besteht.

  Wird das Apolipoprotein B in der Leber synthetisiert, findet kein RNA-Editing statt. Es entsteht das Apolipoprotein B-100, welches aus einer Sequenz von 4563 Aminosäuren besteht, und für den Cholesterintransport im Blut zuständig ist.

  Wird das Apolipoprotein B stattdessen im Dünndarm synthetisiert, findet das RNA-Editing statt: Die Cytosin-Base des 2153. Codons wird durch den chemischen Prozess der Desaminierung zur Base Uracil umgewandelt. Damit ändert sich das Codon vom ursprünglichen CAA zu UAA. Das Basentriplett CAA codiert für die Aminosäure Glutamin mit dem Kürzel Gln. Das Basentriplett UAA ist jedoch ein Stop-Codon. Im Dünndarm bricht die Translation also am 2153. Codon des Apolipoprotein B Gens ab und ein verkürztes Protein aus 2152 Aminosäuren entsteht. Dieses Protein wird als Apolipoprotein B-48 bezeichnet und ist für die Absorption von Lipiden im Dünndarm zuständig.