MRNA

Aufgabe und Bedeutung der mRNA

Die mRNA oder Messenger-RNA, auf Deutsch Boten-Ribonukleinsäure, ist eine einzelsträngige Ribonukleinsäure (RNA). Sie überträgt die genetische Information für den Aufbau eines bestimmten Proteins in einer Zelle. Diese Information liegt ursprünglich als Reihenfolge von Nukleotiden in einem bestimmten Abschnitt der DNA, einem Gen, vor.

Proteine bestehen aus Ketten von Aminosäuren und beeinflussen Gestalt und Vorgänge einer Zelle. Die Reihenfolge ihrer Aminosäuren wird durch die Basensequenz eines Gens vorgegeben. Zur Genexpression wird die DNA-Information zunächst durch Transkription in die Nukleotidsequenz einer mRNA übertragen. Anschließend wird diese Sequenz bei der Translation in die Aminosäuresequenz einer Polypeptidkette übersetzt. Die mRNA verbindet damit die gespeicherte Erbinformation mit der Proteinbiosynthese an den Ribosomen.

Bei Eukaryoten befindet sich die DNA im Zellkern. Dort entsteht zunächst eine Vorstufe der mRNA, die prä-mRNA. Nach ihrer Prozessierung gelangt die reife mRNA durch Kernporen in das Cytoplasma. Sie kann dort mehrfach als Bauanleitung genutzt werden und wird schließlich abgebaut. Bei mRNA-basierten Medikamenten wird eine solche Bauanleitung von außen eingebracht, sodass die Zellen das jeweils wirksame Protein selbst herstellen.

Entstehung durch Transkription

Bei der Transkription schreibt das Enzym RNA-Polymerase einen DNA-Abschnitt in einen RNA-Einzelstrang um. Der codogene DNA-Strang dient dabei als Matrize, also als Vorlage für den Aufbau der RNA. Bei Prokaryoten, die keinen Zellkern besitzen, geschieht dies im Cytoplasma. Bei Eukaryoten wird das nukleäre Genom im Karyoplasma des Zellkerns transkribiert.

Der grundlegende Vorgang ist bei Prokaryoten und Eukaryoten gleich. Bei Prokaryoten können sich jedoch schon Ribosomen an eine noch nicht vollständig hergestellte mRNA anlagern und mit der Translation beginnen. Transkription und Proteinbildung können daher gleichzeitig ablaufen. Bei Eukaryoten wird das primäre RNA-Transkript dagegen zuerst im Zellkern prozessiert und erst danach als reife mRNA in das Cytoplasma exportiert.

Prokaryoten besitzen nur eine Art RNA-Polymerase für den Aufbau von RNA-Polynukleotiden. Eukaryoten haben mehrere Typen: RNA-Polymerase I synthetisiert rRNA, RNA-Polymerase II unter anderem prä-mRNA, RNA-Polymerase III unter anderem tRNA und RNA-Polymerasen IV und V siRNA.

Prokaryotische mRNA ist meist polycistronisch: Ein einziges Transkript kann Informationen mehrerer aufeinanderfolgender Gene enthalten. Ein gemeinsam transkribierter DNA-Bereich mit funktionell zusammengehörenden Genen heißt Operon. Eukaryotische mRNA ist gewöhnlich monocistronisch und besitzt somit meist nur einen codierenden Abschnitt.

Reifung der eukaryotischen prä-mRNA

Die eukaryotische Vorstufe heißt hnRNA, kurz für heterogeneous nuclear RNA, oder prä-mRNA. Ihre Prozessierung erfolgt im Zellkern. Erst anschließend kann die reife mRNA durch Kernporen in das Cytoplasma gelangen.

Am zuerst synthetisierten 5′-Ende erhält die RNA eine 5′-Cap-Struktur aus modifiziertem Guanosin, dem 7-Methylguanosin (m⁷G). Diese Kappe schützt vor dem Abbau durch Nukleasen, ermöglicht die Bindung des für den Kernexport wichtigen Cap-Binding-Komplexes und hilft später der kleinen ribosomalen Untereinheit, die mRNA für den Beginn der Translation zu erkennen.

Am zuletzt synthetisierten 3′-Ende findet die Polyadenylierung statt: Ein Poly-A-Schwanz aus 30 bis 200 Adenin-Nukleotiden wird angefügt. Er schützt ebenfalls vor enzymatischem Abbau und erleichtert durch Wechselwirkungen mit der Kappe sowohl den Kernexport als auch die Translation.

Beim Spleißen werden Introns, also nicht zur späteren codierenden Information beitragende Abschnitte, aus der hnRNA entfernt. Die verbleibenden Exons werden miteinander verbunden. Dies geschieht im Spleißosom, einem Komplex aus hnRNA, weiteren Spleißfaktoren und snRNPs. Die snRNPs bestehen aus den snRNAs U1, U2, U4, U5 und U6 sowie etwa 50 Proteinen. Durch alternatives Splicing können aus derselben hnRNA unterschiedliche mRNAs und damit unterschiedliche Proteine entstehen.

Die codierende Sequenz (CDS) der reifen mRNA wird translatiert; die flankierenden Bereiche 5′-UTR und 3′-UTR bleiben untranslatiert. Antisense-RNA und RNA-Interferenz können den Abbau einer mRNA auslösen und dadurch ihre Translation verhindern. Bei der RNA-Edition werden in einigen Fällen Nukleotide verändert. Bei der mRNA des Apolipoproteins B entsteht dadurch in manchen Geweben ein zweites, weiter vorn liegendes Stopcodon, sodass ein kürzeres Protein mit anderer Funktion gebildet wird.

Übersetzung in ein Protein

Bei der Translation wird die codierende Nukleotidsequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz einer Polypeptidkette übersetzt. Ein Ribosom liest den offenen Leserahmen in Dreierschritten. Jedes Basentriplett wird nach dem genetischen Code einer bestimmten Aminosäure zugeordnet. tRNA-Moleküle bringen die benötigten Aminosäuren aus dem Cytoplasma zum Ribosom; dort werden sie durch Peptidbindungen miteinander verknüpft.

Die Translation findet an Ribosomen im Cytoplasma statt. Bei Eukaryoten liegen diese entweder frei vor oder sind an die Membran des endoplasmatischen Retikulums gebunden. Jedes gebundene Ribosom übersetzt die codierende Sequenz einmal und löst sich danach von der mRNA. Mehrere Ribosomen können dieselbe mRNA gleichzeitig ablesen, und eine mRNA kann nacheinander mehrfach translatiert werden. Daher hängt die Menge des gebildeten Proteins von der Anzahl der Translationsvorgänge ab. Je länger eine mRNA verfügbar bleibt, desto häufiger kann sie verwendet werden.

Lebensdauer, Abbau und Nachweis

Am Ende ihrer Lebensdauer wird die mRNA durch eine Ribonuklease (RNase) enzymatisch in ihre Nukleotide zerlegt. Diese können anschließend für neue RNA-Moleküle wiederverwendet werden. Die Zeit bis zum Abbau ist unterschiedlich lang und beeinflusst die Regulation der Proteinbiosynthese.

In eukaryotischen Zellen erfolgt der Abbau häufig in besonderen Strukturen des Cytoplasmas, den P-bodies. Dort kann mRNA statt einer sofortigen Zersetzung auch vorübergehend gespeichert und später erneut translatiert werden.

Zur Untersuchung lässt sich RNA durch RNA-Reinigung isolieren. RNA mit einem Poly-A-Schwanz kann beispielsweise mithilfe einer Oligo-dT-Säule gewonnen werden. Nachweisen lässt sie sich durch einen Northern Blot oder nach einer RT-PCR durch qPCR beziehungsweise DNA-Sequenzierung.

mRNA-Impfstoffe

Bei einem mRNA-Impfstoff wird eine mRNA verabreicht, die ein ausgewähltes Protein codiert. Die Zellen des Impflings nehmen diese Information auf und stellen das Protein an ihren Ribosomen her. Anschließend kann es auf der Zelloberfläche dem Immunsystem präsentiert werden und als Antigen unterschiedliche Immunantworten auslösen. Das Verfahren kann unter anderem in der Krebstherapie sowie für Influenza- und Tollwutimpfstoffe eingesetzt werden.

Eine Schwierigkeit besteht darin, dass mRNA in Wirtszellen rasch enzymatisch abgebaut wird. Außerdem kann sie Toll-like-Rezeptoren aktivieren und dadurch eine Zytokin-Ausschüttung mit unerwünschten Wirkungen hervorrufen. Diese Eigenschaften trugen dazu bei, dass an RNA-basierten Medikamenten zunächst nur zögerlich geforscht wurde.

Nukleosid-modifizierte mRNA, kurz modRNA, kann den schnellen enzymatischen Abbau verlangsamen und die Aktivierung von Toll-like-Rezeptoren verhindern. Dadurch wird eine bessere Immunantwort möglich, was für die Entwicklung von Impfstoffen auf mRNA-Basis besonders wichtig ist.