RNA-Interferenz durch Mikro-RNA und siRNA
Wie Mikro-RNA und siRNA entstehen, wie sie über den RISC eine mRNA bremsen oder zerschneiden und wovon man sie abgrenzen muss.
Das Wichtigste in Kürze
- RNA-Interferenz ist die posttranskriptionale Stummschaltung einer mRNA durch kurze RNAs wie miRNA und siRNA.
- miRNA reift aus einer pri-miRNA über Drosha im Kern, Export durch Exportin-5 und Dicer im Cytoplasma.
- Reife miRNA ist einzelsträngig, etwa 21 bis 23 Nukleotide lang und sitzt im RISC, einem Proteinkomplex mit Ribonucleaseaktivität.
- miRNA paart weitgehend komplementär mit der mRNA und hemmt deren Translation. Am Spleißen ist sie nicht beteiligt.
- siRNA paart perfekt, Argonaut schneidet die mRNA. Synthetische siRNA dient experimentell zur gezielten mRNA-Inaktivierung.
Worum es geht
Kurze RNA-Moleküle können gezielt einzelne mRNAs ausschalten. Dieses Prinzip gehört zur Regulation der Genexpression. Mit Wirkstoffen wie Patisiran wird es heute auch therapeutisch genutzt.
Kleine regulatorische RNAs
Zellen steuern ihre Gene nicht nur über die Kontrolle von Transkription und Translation. Sie nutzen dafür auch kurze RNAs. Bei der RNA-Interferenz (RNAi) lagert sich eine kurze RNA an eine passende mRNA und schaltet sie stumm.
Das geschieht posttranskriptional. Das Gen wird also normal abgelesen, erst die fertige mRNA wird blockiert oder abgebaut. Die beiden wichtigsten Akteure sind Mikro-RNA (miRNA) und siRNA (small interfering RNA). Sie gehören zu den nichtcodierenden RNA-Spezies.
Der RISC (RNA-induced silencing complex) ist ein Proteinkomplex mit Ribonucleaseaktivität. Er trägt einen RNA-Einzelstrang als Suchsonde. Sein Kernprotein Argonaut kann eine gebundene mRNA schneiden.
Mikro-RNA
miRNAs entstehen aus größeren RNA-Vorstufen. Die RNA-Polymerase bildet zuerst eine lange pri-miRNA, die sich zu einer Haarnadel faltet. Die Ribonuclease Drosha schneidet sie im Kern zur kürzeren pre-miRNA. Exportin-5 bringt diese ins Cytoplasma. Dort kürzt Dicer sie zu einem kurzen Doppelstrang.
Nur ein Strang wird in den RISC geladen. Die reife miRNA ist deshalb einzelsträngig und etwa 21 bis 23 Nukleotide lang. Das entspricht ungefähr einem Strang synthetischer siRNA.
Der RISC bindet mit der miRNA an weitgehend, aber nicht vollständig komplementäre Sequenzen, meist in der 3′-UTR einer mRNA. Das Ribosom kann diese mRNA dann kaum noch translatieren. Oft wird sie zusätzlich abgebaut. So reguliert eine miRNA die Translation, häufig von vielen verschiedenen mRNAs zugleich.
Am Spleißen ist miRNA nicht beteiligt. Das übernimmt das Spleißosom mit seinen snRNAs im Kern. miRNA wirkt dagegen erst an der reifen mRNA im Cytoplasma.
siRNA
siRNA ist der klassische Vermittler der RNA-Interferenz. Sie ist ein kurzer Doppelstrang von etwa 21 Basenpaaren. Dicer schneidet sie aus langer doppelsträngiger RNA, etwa aus Viren. Sie kann aber auch synthetisch in die Zelle gebracht werden.
Auch hier gelangt nur ein Strang in den RISC. Anders als miRNA paart siRNA perfekt mit ihrer Ziel-mRNA. Argonaut schneidet die mRNA dann in der Mitte, und die Bruchstücke werden abgebaut. Man kann es sich wie einen Schlüssel vorstellen: Passt er nur ungefähr, klemmt das Schloss, passt er genau, öffnet die Schere.
Weil man die Sequenz frei wählen kann, setzt man synthetische siRNA experimentell ein, um eine bestimmte mRNA zu inaktivieren. Die Methode dazu heißt Gen-Knockdown. Der Arzneistoff Patisiran nutzt dasselbe Prinzip gegen die Transthyretin-Amyloidose.
siRNA hat eine klar umrissene Aufgabe. Sie wirkt beim Stummschalten von mRNA, nicht beim Spleißen der prä-mRNA. Die Peptidbindung knüpft sie ebenfalls nicht, denn das leistet die rRNA der großen Ribosomenuntereinheit als Ribozym.
Quiz
Aussage 1
Eine reife miRNA liegt im RISC als kurzer Einzelstrang vor, der an weitgehend komplementäre mRNA-Abschnitte bindet.
Aus dem Dicer-Produkt wird nur ein Strang in den RISC geladen. Er bindet nicht perfekt, sondern weitgehend komplementär, meist in der 3′-UTR.
Aussage 2
miRNAs wirken im Zellkern als Bestandteil des Spleißosoms beim Herausschneiden der Introns aus der prä-mRNA.
Das Spleißen übernimmt das Spleißosom mit snRNAs. miRNA wirkt im Cytoplasma an der reifen mRNA und hemmt deren Translation.
Aussage 3
Synthetische siRNA wird in der Zelle von der rRNA des Ribosoms genutzt, um Peptidbindungen zu knüpfen.
Die Peptidbindung knüpft die rRNA als Ribozym. siRNA wirkt bei der RNA-Interferenz und wird experimentell zur gezielten Inaktivierung von mRNA eingesetzt.
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