Prozessierung – RNA-Modifikation bei Eukaryoten 07:03 min
Transkript Prozessierung – RNA-Modifikation bei Eukaryoten
Hallo! Heute unternehmen wir eine Reise in deinen Körper. Hast du gewusst, dass im menschlichen Organismus über 300.000 verschiedene Proteine vorkommen? Diese Zahl wird zumindest geschätzt. Allerdings haben wir nur 30.000 bis 40.000 Gene, die für diese Proteine kodieren. Wie ist das möglich? Das Geheimnis ist, dass nach der Transkription noch einige Modifikationen an der RNA stattfinden: die sogenannte „RNA-Prozessierung“. Das klingt zunächst etwas kompliziert. So ist es aber gar nicht. Ich werde dir zeigen, was bei der RNA-Prozessierung passiert und in welche Teilschritte sie sich gliedert. So wirst du es ganz leicht verstehen und dir merken können. Fangen wir erst einmal bei der Proteinbiosynthese an, also dem Weg von der DNA zum fertigen Protein. Sie gliedert sich in Transkription, also dem Umschreiben von DNA in RNA und der anschließenden Translation, dem Übersetzen von RNA zum Protein. Die RNA-Prozessierung schaltet sich genau zwischen Transkription und Translation, weshalb sie auch als „post-transkriptionelle Modifikation“ bezeichnet wird. Dabei musst du zunächst einmal wissen, dass die im Zellkern transkribierte mRNA lediglich eine Art Skizze ist: die Prä-mRNA. Sie muss auf verschiedenste Arten verändert werden, damit aus ihr viele verschieden Proteine entstehen können. Kommen wir zu den ersten beiden Teilschritten der RNA-Prozessierung: dem Capping und der Polyadenylierung. Dabei wird die Prä-mRNA an beiden Enden, dem 5’- und dem 3’-Ende, vor dem Abbau durch Enzyme geschützt. Das Capping schützt das 5’-Ende der Prä-mRNA durch das Anbinden eines modifizierten Guanin-Nukleotids, einer 5’-Cap-Struktur. Sie schützt quasi wie eine Kappe das 5’-Ende. Es erfolgt co-transkriptionell, also während der Transkription. Im zweiten Schritt, der Polyadenylierung, wird das 3’-Ende geschützt: durch einen sogenannten Poly-A-Schwanz. Dieser besteht aus einer lange Kette aus 50 bis 200 Adeninnukleotiden. Diese Modifikation erfolgt post-transkriptionell, also nach Beendigung der eigentlichen Transkription. Beide Teilschritte der Modifikation sind gleichzeitig Reifungssignale, die anzeigen, dass die mRNA ins Zytoplasma exportiert werden kann. Außerdem sind sie notwendig, damit ein Ribosom an das 5’-Ende der mRNA binden und mit dem Zusammenbau des Proteins beginnen kann. Eine weitere post-transkriptionelle Modifikation ist das RNA-Editing. Dabei werden Nukleotide eingefügt oder entfernt und Nukleobasen oder Ribosen chemisch verändert. So können nachträglich die Nukleotidsequenzen der mRNA verändert und viele verschiedene Proteinsynthesen ermöglicht werden. Eine letzte Form der Prozessierung ist das Spleißen. Dabei werden nichtcodierende Introns aus dem Mosaikgen herausgeschnitten. Die Introns bilden Schleifen, sodass die Enden der codierenden Exons dicht beieinander liegen und zusammengefügt werden können. Das Spleißen übernimmt ein großer Enzymkomplex, das Spleißosom. Sind diese vier Schritte abgeschlossen, erfolgt der Export der fertigen mRNA durch die Kernporen und der Transport zum Ribosom. Hier beginnt der eigentliche Zusammenbau der Proteine nach der Vorgabe durch die mRNA: die Translation. Schauen wir uns zum Schluss noch den Vergleich mit der Proteinbiosynthese bei Prokaryoten an. Der wohl größte Unterschied ist, dass bei Prokaryoten keine Prozessierung der mRNA stattfindet. Das macht die mRNA kurzlebiger, da die Enden nicht geschützt sind. Außerdem werden bei den Prokaryoten Proteine wesentlich schneller produziert. Grund dafür ist: Die DNA der Prokaryoten liegt frei im Zytoplasma vor und die Translation findet in unmittelbarer Nähe statt. Zudem muss die mRNA auch nicht gespleißt werden. Es gibt keine Introns. Fassen wir noch einmal zusammen: Die mRNA bei Eukaryoten wird vierfach modifiziert. Das nennt man Prozessierung. Die Enden werden durch eine 5’-Cap-Struktur und den Poly-A-Schwanz vor Abbau geschützt. Durch Editing werden Nukleotide herausgeschnitten oder hinzugefügt und Strukturen chemisch verändert. Beim Spleißen werden nicht-codierende Introns des Mosaikgens in Schleifen herausgeschnitten. Alle Modifikationen erfolgen im Zellkern. Mit Ausnahme der 5’-Cap-Struktur sind alle post-transkriptionell. Nach Umwandlung der Prä-mRNA in die mRNA wird diese zum Ribosom transportiert. Die Translation beginnt. Bei der Proteinbiosynthese der Prokaryoten gibt es keine Prozessierung. Die mRNA hat keine Introns und ist viel kurzlebiger. Proteine werden in unmittelbarer Nähe zur DNA und viel schneller translatiert. Daher ist die Varianz am Protein auch viel kleiner als bei Eukaryoten. Diese Modifikationen der RNA ermöglichen es, dass am Ende aus 30.000 bis 40.000 Genen im Erbmaterial rund 300.000 Proteine entstehen, durch die vielen verschiedenen Modifikationen in der RNA-Prozessierung. Tschüss und bis zum nächsten Mal.
Videobeschreibung
In diesem Video erfährst du, warum in deinem Körper viel mehr unterschiedliche Proteine produziert werden, als es dafür codierende Gene gibt. Wir schauen uns die Modifikationen an der RNA an, ordnen sie räumlich und zeitlich ein und vergleichen die Proteinbiosynthese bei Eukaryoten und Prokaryoten.
Der Tutor:
Prozessierung – RNA-Modifikation bei Eukaryoten
Prozessierung – RNA-Modifikation bei Eukaryoten Übung
Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Prozessierung – RNA-Modifikation bei Eukaryoten kannst du es wiederholen und üben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
