8.13:

8.13: Chromatinstruktur reguliert prä-mRNA-Prozessierung

Chromatin Structure Regulates pre-mRNA Processing

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Molecular Biology

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JoVE Core Molecular Biology

Chromatin Structure Regulates pre-mRNA Processing

8.12: RNA Splicing

8.14: Nuclear Export of mRNA

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02:41 min

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November 23, 2020

Overview

In eukaryotic cells, nascent mRNA transcripts need to undergo many post-transcriptional modifications to reach the cell cytoplasm and translate into functional proteins. For a long time, transcription and pre-mRNA processing were considered two independent events that occur sequentially in the cell. However, it has now been well established that transcription and pre-mRNA processing are two simultaneous processes that are precisely regulated inside the cell.

The chromatin structure, especially the nucleosome positioning and histone modifications on the gene, can profoundly control the rate of RNA polymerase activity and pre-mRNA processing at the transcription site. Specific histone modifications on exon-specific nucleosomes help recruit splicing factors to the splice sites and play an active role in exon selection during splicing. For example, histone deacetylation leads to a tight chromatin structure. This slows down the RNA polymerase activity giving enough time to recruit splicing factors even at weak splice sites, leading to the inclusion of alternative exons in the mature mRNA. On the contrary, histone acetylation results in a more open chromatin structure that allows a faster RNA polymerase activity and recruitment of splicing factors only to the strong splice sites, resulting in the exclusion of alternative exons. Therefore, chromatin structure plays an important role in constitutive as well as alternative splicing of the pre-mRNA and regulates the gene expression patterns in the cell.

Another example of regulation of RNA splicing by the chromatin structure is the enriched trimethylation of H3 histone lysine 36 on the nucleosomes, which helps to recruit splicing factors to the splicing site. Mutations in the methylation process of H3 histone can disrupt the splicing process and result in intron retention in the mature mRNA.

Overall, the regulation of pre-mRNA processing, especially splicing, results in creating a diverse pool of mRNA transcripts and hence, enormous protein diversity from a finite set of genes.

Transcript

In Eukaryoten ist die Prozessierung von prä-mRNA im Zellkern eng an ihre Transkription gekoppelt.

Sobald die RNA-Polymerase mit der Transkription beginnt, wird die neu synthetisierte prä-mRNA sofort durch verschiedene Faktoren gebunden, um zu reifer und funktionsfähiger mRNA verarbeitet zu werden.

Daher wirkt sich die Geschwindigkeit der Gentranskription durch die RNA-Polymerase direkt auf die Schritte der Prä-mRNA-Prozessierung aus.

Einer der Hauptfaktoren, der die Geschwindigkeit der RNA-Polymerase-Aktivität reguliert, ist die Chromatinstruktur des Gens, die die Positionierung der Nukleosomen und Histonmodifikationen auf der DNA-Vorlage umfasst.

Nukleosomen sind sehr strategisch auf bestimmten Regionen der DNA platziert. Sie wirken als Barriere und unterbrechen vorübergehend die Aktivität der RNA-Polymerase auf der DNA.

Zum Beispiel ist in den meisten Genen ein Nukleosom hinter dem Promotorelement positioniert. Es zwingt die RNA-Polymerase, an der transkriptionellen Startstelle zu pausieren, was genügend Zeit für die Assemblierung von Elongationsfaktoren und Chromatin-Remodeling-Komplex gibt, der dazu beiträgt, eine nukleosomenfreie Region auf der Matrizen-DNA zu schaffen. In der Zwischenzeit kann die Zelle 5′-Capping-Enzyme für die neu synthetisierte prä-mRNA rekrutieren.

Die Positionierung der Nukleosomen ist auch auf den Exons im Vergleich zu den Introns begünstigt. Spezifische Histonmodifikationen in diesen Exon-spezifischen Nukleosomen helfen dabei, Spleißosomenkomponenten zu rekrutieren, die dann im Rahmen der Synthese direkt auf die RNA übertragen werden können.

Diese Histonmodifikationen können auch zur Exon-Selektion auf dem entstehenden mRNA-Strang beitragen. Histonmodifikationen an den Nukleosomen können verschiedene Proteinfaktoren rekrutieren, die die Retention von konstitutiven oder alternativen Exons im reifen mRNA-Strang erleichtern können.

Schließlich kann der Ersatz von normalem Histon H3 durch seine Varianten auf dem Genkörper zu einer fehlerhaften Rekrutierung von Spleißfaktoren führen und die Intron-Retention verbessern, was zu einer Degradation der resultierenden mRNA über den Nonsense-vermittelten Weg oder zur Einführung von Mutationen im translatierten Protein führt.

Ein solches abnormales Spleißen wurde mit vielen Krankheiten in Verbindung gebracht, darunter neurodegenerative Erkrankungen und Krebs.

Key Terms and definitions

Pre-mRNA - Initial version of mRNA that undergoes modifications.
RNA Polymerase Activity – It produces RNA by following a DNA template.
Chromatin Structure – DNA packaging within cells affecting gene expression.
Splicing Factors – Proteins involved in cutting and rejoining RNA sequences.
Alternative Exons – Variable regions in RNA that can be included or excluded.

Learning Objectives

Define Pre-MRNA – Understand the initial RNA precursor (e.g., pre-mRNA).
Contrast RNA Polymerase Activity vs Splicing Factors – Understand how they interact in pre-mRNA processing (e.g., RNA synthesizing and editing).
Explore Chromatin Structure – Learn how it affects RNA processing (e.g., chromatin structure).
Explain Alternative Exons - Understand variable RNA sequences and their role in diversity (e.g., Alternative exons).
Apply in Context – Understand how all these factors control gene expression.

Questions that this video will help you answer

[Question 1] What is pre-mRNA and how does it get modified into mature mRNA?
[Question 2] How does chromatin structure influence pre-mRNA processing?
[Question 3] What role do alternative exons play in gene expression?

This video is also useful for

Students - Understanding chromatin structure, pre-mRNA, and its processing aids in genetics study.
Educators - Provides clear explanations to teach gene expression at molecular level.
Researchers - Relevant for studies in genetics, molecular biology, and biomedical research.
Science Enthusiasts – Offers insights into the intricacies of RNA processing and gene regulation.

Tags

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