Spleißen, alternatives Spleißen und RNA-Editing
Wie das Spleißosom Introns aus der Prä-mRNA entfernt und wie alternatives Spleißen und RNA-Editing die Information der mRNA verändern.
Das Wichtigste in Kürze
- Spleißen ist der Prozessierungsschritt, der die nicht-codierenden Introns aus der Prä-mRNA entfernt und die codierenden Exons verknüpft, und zwar vor der Translation.
- Die reife mRNA ist kürzer als das Gen. Bei Hybridisierung mit genomischer DNA bilden die Introns ungepaarte DNA-Schleifen.
- Das Spleißosom besteht aus snRNA und Proteinen (snRNPs). Die snRNA katalysiert das Spleißen, Histone und DNA sind nicht beteiligt.
- Beim alternativen Spleißen entstehen aus einem Primärtranskript verschiedene Proteine, etwa Calcitonin und CGRP.
- RNA-Editing verändert einzelne Nucleobasen der Prä-mRNA vor der Translation, etwa bei ApoB-48.
Worum es geht
Eukaryotische Gene enthalten mehr Sequenz, als später im Protein ankommt. Bevor eine mRNA an das Ribosom gelangt, muss die Zelle deshalb die überzähligen Abschnitte herausschneiden. Dieser Schritt der RNA-Prozessierung erklärt auch, warum ein einziges Gen mehrere Proteine liefern kann.
Introns und Exons
Eukaryotische Gene sind Mosaikgene. Codierende Abschnitte, die Exons, wechseln mit nicht-codierenden Abschnitten ab, den Introns. Die Transkription kopiert beides in die Prä-mRNA, das Primärtranskript.
Spleißen heißt: Die Introns werden aus der Prä-mRNA entfernt, die Exons werden lückenlos miteinander verknüpft. Das geschieht im Zellkern und damit vor der Translation. Die Schnitte liegen an definierten Spleißstellen. Spleißen zerlegt die RNA also nicht in gleich große Stücke.
Exons gehen in die Expression, Introns bleiben in Kern und werden abgebaut.
Weil die Introns schon vor der Translation fehlen, sieht das Ribosom sie nie. Ihre Basensequenz wird nicht in die Aminosäuresequenz übersetzt. Sie können während der Translation auch keine Schleifen bilden, die irgendeinen Schritt behindern.
Die reife mRNA ist daher kürzer als das zugehörige Gen. Das lässt sich sichtbar machen: Man paart reife mRNA mit einem Einzelstrang der genomischen DNA (zur Methode siehe Nucleinsäure-Hybridisierung). Die Exon-Bereiche finden ihren Partner. Die Intron-Bereiche der DNA haben in der mRNA kein Gegenstück und wölben sich als ungepaarte DNA-Schleifen heraus. Jede Schleife entspricht einem Intron.
Anders als ihr Name vermuten lässt, haben Restriktionsenzyme mit dem Spleißen nichts zu tun. Sie schneiden DNA an Erkennungssequenzen. Introns aus RNA entfernt allein das Spleißosom.
Examensklassiker: Entfernt werden die nicht-codierenden Introns, verknüpft werden die codierenden Exons, nicht umgekehrt. Achte zusätzlich darauf, dass dies vor der Translation geschieht und die reife mRNA deshalb kürzer ist als das Gen.
Spleißosom
Das Spleißosom ist ein großer Komplex aus RNA und Proteinen im Zellkern. Es überführt die Prä-mRNA durch Spleißen in reife mRNA. Ohne Spleißosom kann ein intronhaltiges Primärtranskript nicht reifen.
Ein snRNP (small nuclear ribonucleoprotein, „Snurp“) besteht aus einer snRNA und mehreren Proteinen. Mehrere snRNPs lagern sich an der Prä-mRNA zum Spleißosom zusammen.
Die snRNA ist der aktive Teil. Sie erkennt die Spleißstellen durch Basenpaarung mit der Prä-mRNA und katalysiert die Spaltung und Verknüpfung. Hier arbeitet also RNA als Katalysator, ähnlich wie bei den Ribozymen. Dass snRNA zusammen mit Proteinen das Spleißosom bildet und das Spleißen katalysiert, wird im Examen gerne gefragt. Histone gehören nicht dazu, sie verpacken DNA im Chromatin. Auch DNA ist am Spleißen nicht beteiligt.
Der Mechanismus läuft über zwei Umesterungen. Ein Intron beginnt fast immer mit GU und endet mit AG. Dazwischen liegt ein Adenosin am Verzweigungspunkt.
- Erste Umesterung: Die 2’-OH-Gruppe des Verzweigungs-Adenosins greift die 5’-Spleißstelle an. Exon 1 wird frei, das Intron schließt sich zu einer Lassostruktur, dem Lariat.
- Zweite Umesterung: Die freie 3’-OH-Gruppe von Exon 1 greift die 3’-Spleißstelle an. Exon 1 und Exon 2 werden verknüpft.
- Freisetzung: Das Lariat-Intron löst sich ab und wird abgebaut.
Alternatives Spleißen
Die Zelle muss nicht immer alle Exons gleich verknüpfen. Beim alternativen Spleißen entstehen aus einem Primärtranskript verschiedene Exon-Kombinationen. So liefert ein Gen mehrere mRNAs und damit mehrere Proteine. Man kann sich die Exons wie Bausteine vorstellen, aus denen je nach Gewebe ein anderer Satz zusammengesteckt wird.
Ein bekanntes Beispiel ist das Calcitonin-Gen. In den C-Zellen der Schilddrüse entsteht daraus Calcitonin. In Neuronen wird dasselbe Primärtranskript anders gespleißt und liefert CGRP (calcitonin gene-related peptide).
Alternatives Spleißen ist ein Prozessierungsschritt der RNA. Das Gen selbst bleibt unverändert. Anders verhält es sich bei der somatischen Rekombination, denn dort wird die DNA von Lymphozyten umgebaut. Introns werden auch beim alternativen Spleißen nie translatiert, es wechseln also keine Intron- und Exonabschnitte bei der Translation ab.
RNA-Editing
Beim RNA-Editing verändert die Zelle einzelne Nucleobasen der Prä-mRNA nach der Transkription und vor der Translation. Das Protein kann dann von der Sequenz abweichen, die in der DNA steht.
Ein Beispiel liefert Apolipoprotein B. Im Darm wird in seiner mRNA ein Cytidin zu Uridin desaminiert. Dadurch entsteht ein Stoppcodon, und die Zelle bildet das verkürzte ApoB-48. Die Leber bildet ohne diese Änderung das vollständige ApoB-100.
Quiz
Aussage 1
Restriktionsendonukleasen sind die Enzyme, die Introns aus der Prä-mRNA herausschneiden.
Restriktionsenzyme schneiden DNA an Erkennungssequenzen. Introns aus RNA entfernt das Spleißosom.
Aussage 2
Durch alternatives Spleißen können aus einem einzigen Primärtranskript unterschiedliche Proteine entstehen.
Verschiedene Exon-Kombinationen ergeben verschiedene mRNAs, beim Calcitonin-Gen etwa Calcitonin oder CGRP.
Aussage 3
Im Spleißosom ist snRNA an der Katalyse der Spleißreaktion beteiligt.
Das Spleißosom besteht aus snRNA und Proteinen. Die snRNA erkennt die Spleißstellen und katalysiert die Reaktion.
Aussage 4
Histone bilden zusammen mit snRNA das Grundgerüst des Spleißosoms.
Das Spleißosom besteht aus snRNA und spezifischen Proteinen. Histone verpacken DNA im Chromatin und gehören nicht zum Spleißosom.
Aussage 5
Hybridisiert man reife mRNA mit einem Einzelstrang der genomischen DNA, bilden die Intron-Bereiche ungepaarte DNA-Schleifen.
Die Introns fehlen in der reifen mRNA. Die entsprechenden DNA-Abschnitte finden keinen Partner und wölben sich heraus.
Aussage 6
Beim Spleißen schneidet die Zelle die Exons aus der Prä-mRNA heraus und verknüpft die verbleibenden Abschnitte.
Umgekehrt: Entfernt werden die nicht-codierenden Introns, verknüpft werden die codierenden Exons.
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