Modifikation der Enden: 5’-Cap und Poly(A)-Schwanz
Wie eukaryotische Prä-mRNA am 5’-Ende eine 7-Methylguanosin-Kappe und am 3’-Ende nach einer Spaltung einen Poly(A)-Schwanz erhält und wozu beides dient.
Das Wichtigste in Kürze
- Die 5’-Cap und der Poly(A)-Schwanz sind Modifikationen der Enden eukaryotischer Prä-mRNA und gehören zur RNA-Prozessierung.
- Die Cap besteht aus 7-Methylguanosin, das über eine 5’-5’-Triphosphatbrücke am ersten Nucleotid hängt; DNA trägt keine Cap, und das Startcodon enthält kein 7-Methylguanosin.
- Am 3’-Ende wird die Prä-mRNA zuerst hinter dem Signal AAUAAA gespalten, dann hängt die Poly(A)-Polymerase ohne Matrize rund 200 Adenylatreste an.
- Der Poly(A)-Schwanz stabilisiert die mRNA, indem er sie vor 3’-Exonucleasen schützt.
- An Capping und Polyadenylierung ist keine snRNA beteiligt; snRNA wirkt nur beim Spleißen.
Worum es geht
Eukaryotische mRNA verlässt den Zellkern erst, wenn beide Enden modifiziert sind: vorn eine Kappe, hinten ein Adenin-Schwanz. Beide Schritte gehören zur RNA-Prozessierung und bestimmen mit, wie lange eine mRNA hält. Auch die synthetische mRNA der mRNA-Impfstoffe trägt deshalb Cap und Poly(A)-Schwanz.
5’-Capping
Schon nach etwa 25 synthetisierten Nucleotiden erhält das 5’-Ende der Prä-mRNA seine 5’-Cap. Die Kappe besteht aus 7-Methylguanosin. Das ist ein Guanosin, das am Stickstoffatom N7 eine Methylgruppe trägt.
Ungewöhnlich ist die Verknüpfung. Eine 5’-5’-Triphosphatbrücke verbindet das 5’-Ende des Methylguanosins mit dem 5’-Ende des ersten Nucleotids. Im übrigen Strang sind die Nucleotide dagegen 3’-5’ verknüpft. Oft ist zusätzlich die 2’-OH-Gruppe des ersten Nucleotids methyliert.
Das Capping erledigen Enzyme. Eine Triphosphatase entfernt ein Phosphat vom 5’-Ende, eine Guanylyltransferase hängt GMP aus \(\ce{GTP}\) an. Eine Methyltransferase überträgt schließlich die Methylgruppe von S-Adenosylmethionin. Die fertige Cap schützt die mRNA vor 5’-Exonucleasen, fördert ihren Export ins Cytoplasma und wird für die Translationsinitiation gebraucht.
Wird im Examen gerne gefragt: Die methylierte Cap sitzt am 5’-Ende eukaryotischer mRNA, DNA trägt keine. Sie liegt vor der codierenden Region, das Startcodon AUG enthält also kein 7-Methylguanosin.
3’-Polyadenylierung
Auch das 3’-Ende wird umgebaut, und zwar in zwei Schritten. Zuerst wird die Prä-mRNA gespalten. Signal ist die Sequenz AAUAAA, die der Proteinkomplex CPSF erkennt. CstF bindet eine GU-reiche Sequenz weiter stromabwärts. Dazwischen, etwa 10 bis 30 Nucleotide hinter AAUAAA, wird geschnitten.
Erst an dieses neue 3’-Ende hängt die Poly(A)-Polymerase rund 200 Adenylatreste aus \(\ce{ATP}\). Sie braucht dafür keine Matrize. Diese Polyadenylierung erzeugt den Poly(A)-Schwanz, den Poly(A)-bindende Proteine (PABP) besetzen. Die Reihenfolge, erst Spaltung, dann Anhängen, solltest du sicher können.
Der Schwanz stabilisiert die mRNA, denn er schützt sie vor 3’-Exonucleasen. Im Cytoplasma wird er nach und nach verkürzt, ähnlich einer abbrennenden Lunte. Ist er weitgehend abgebaut, wird die mRNA zerstört (Regulation der mRNA-Stabilität). Fast alle eukaryotischen mRNAs sind polyadenyliert. Eine bekannte Ausnahme sind die Histon-mRNAs.
Capping und Polyadenylierung erledigen Enzyme und Proteinkomplexe. snRNA ist an keinem der beiden Schritte beteiligt, sie arbeitet nur beim Spleißen.
Quiz
Aussage 1
Das 7-Methylguanosin der Cap ist über eine 5’-5’-Triphosphatbrücke mit dem ersten Nucleotid der mRNA verbunden.
Die Cap ist ungewöhnlich verknüpft: 5’-Ende an 5’-Ende über drei Phosphatgruppen, nicht 3’-5’ wie im übrigen Strang.
Aussage 2
Der Poly(A)-Schwanz stabilisiert eukaryotische mRNA, weil er sie vor dem Abbau durch 3’-Exonucleasen schützt.
Solange der Schwanz lang genug ist, bleibt die mRNA erhalten. Wird er weitgehend abgebaut, wird die mRNA zerstört.
Aussage 3
Der Poly(A)-Schwanz wird direkt an das ursprüngliche 3’-Ende des Primärtranskripts angehängt, ohne dass vorher geschnitten wird.
Zuerst wird die Prä-mRNA etwa 10 bis 30 Nucleotide hinter AAUAAA gespalten. Erst an dieses neue 3’-Ende hängt die Poly(A)-Polymerase die Adenylatreste.
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