11.2: Riboschalter

Riboswitches sind nichtkodierende mRNA-Domänen, die die Transkription und Translation von nachgeschalteten Genen ohne Hilfe von Proteinen regulieren. Riboswitches binden direkt an ein Metabolit und können einzigartige Stamm-Schleifen- oder Haarnadelstrukturen bilden, abhängig von der Menge des vorhandenen Metabolits. Sie bestehen aus zwei verschiedenen Regionen – einem Metaboliten-bindenden Aptamer und einer Expression-Plattform.

Das Aptamer weist eine hohe Spezifität für ein bestimmtes Metabolit auf, was es den Riboswitches ermöglicht, die Transkription auch in Anwesenheit vieler anderer Biomoleküle spezifisch zu regulieren. Aptamere binden an eine Reihe organischer Moleküle, einschließlich Purine, Koenzyme und Aminosäuren, sowie anorganische Moleküle wie Magnesiumkationen und Fluoridanionen. Die meisten Aptamere binden ihre Liganden durch Wasserstoffbrücken oder elektrostatische Wechselwirkungen. Es kann eine einzelne oder mehrere Bindungsstellen für den Liganden auf einem Riboswitch geben. Im Lysin-Riboswitch ist eine einzelne Lysin-Bindungsstelle auf dem Aptamer vorhanden. Im Gegensatz dazu sind im Glycin-Riboswitch zwei separate glycin-spezifische Aptamere auf der mRNA vorhanden, wodurch das Aptamer nur sehr hohe Konzentrationen von Glycin wahrnehmen kann, da der Riboswitch nur funktioniert, wenn zwei Moleküle gebunden sind.

Die Expression-Plattform reguliert die Transkription oder Translation durch Bildung einer Anti-Terminator- oder Terminator-Struktur. Die Bildung dieser Strukturen hängt von der Bindung des Metaboliten an das Aptamer ab. Bei niedrigen Konzentrationen binden Metaboliten nicht an das Aptamer. Dies signalisiert der Expression-Plattform, eine Anti-Terminator-Struktur zu bilden, die die Transkription oder Translation fortsetzen lässt. Im Gegensatz dazu, wenn der Metabolit in hohen Konzentrationen vorhanden ist, bindet er an das Aptamer. In diesem Fall bildet die Expression-Plattform eine Terminator-Struktur gefolgt von einer Reihe von Uracil-Resten, was die RNA-Polymerase dazu veranlasst, sich vom Transkript und dem DNA-Strang zu lösen und somit die Transkription zu beenden. Eine Expression-Plattform kann auch die Bindung des Ribosoms an das Transkript verhindern, indem sie eine Haarnadelstruktur mit der Ribosomen-Bindungsstelle, auch bekannt als Shine-Dalgarno-Sequenz, bildet und damit die Initiierung der Translation verhindert. Ein weiterer Mechanismus, durch den Riboswitches die Transkription regulieren, ist ihre Funktion als RNA-Enzyme oder Ribozyme, wie es beim glmS Riboswitch-Ribozym zu sehen ist. Diese Ribozyme spalten die Riboswitch-mRNA, wenn das Metabolit gebunden ist, und dann wird die verbleibende mRNA durch RNase abgebaut, was zur Hemmung der Translation führt.

Früher dachte man, dass Riboswitches nur in Bakterien und Archaeen vorhanden seien, aber kürzlich wurden sie auch in Pflanzen und Pilzen beobachtet. Bisher wurden bei Eukaryoten nur Thiaminpyrophosphat (TPP)-spezifische Riboswitches gefunden. Im Gegensatz zu Bakterien enthalten eukaryotische Gene Introns, die es nicht erlauben, dass Transkription und Translation gleichzeitig im selben Transkript stattfinden; daher regulieren diese Riboswitches die Transkription durch alternatives Spleißen. In einigen Pflanzen ist ein TPP-Riboswitch im 3'-unübersetzten Introngebiet des THIC-Gens vorhanden. Niedrige TPP-Spiegel maskieren die nahegelegene 5'-Spleißstelle der 3'-unübersetzten Region und erzeugen eine stabile mRNA. Wenn jedoch hohe Konzentrationen von TPP vorhanden sind, bindet TPP an den Riboswitch und legt die 5'-Spleißstelle der 3'-unübersetzten Region frei. Die Entfernung des Introns erzeugt eine instabile mRNA, die kein Protein produzieren kann.

Riboschalter sind kompliziert gefaltete mRNA-Strukturen, die direkt an einen Metaboliten binden und die Expression nachgeschalteter Gene auf dem Transkript ein- und ausschalten.

Diese Strukturen regulieren die Synthese verschiedener Metaboliten, darunter Guanin, Coenzym B12 und Lysin. Sie befinden sich in der Regel an den nicht-kodierenden 5'-Enden der prokaryotischen mRNA und benötigen keine Proteine, um zu funktionieren.

Riboschalter haben zwei Hauptdomänen – ein Aptamer, einen hochspezifischen Metaboliten-bindenden Sensor, und eine Expressionsplattform, die als Effektor für die Transkription oder Translation fungiert.

Ist ein Metabolit zu wenig vorhanden, kann er nicht an das Aptamer binden. Dies führt dazu, dass die Expressionsplattform eine Anti-Terminator-Struktur bildet, die es ermöglicht, dass Transkription und Translation ablaufen.

Wenn ein Metabolit über einer Schwellenwertkonzentration vorhanden ist, bindet er an das Aptamer. Dadurch ändert sich die Konformation der Expressionsplattform von der Antiterminator- zur Terminatorstruktur, die die Transkription und Translation hemmt.

Ein Riboschalter kann die Genexpression durch zwei verschiedene Mechanismen regulieren.

Der erste Mechanismus betrifft die Gentranskription. Wenn ein Metabolit an das Aptamer bindet, wandelt sich der Antiterminator in den Terminator um. Dies führt zur Freisetzung der RNA-Polymerase aus der mRNA und der DNA-Vorlage, was zur Beendigung der Transkription führt.

Der zweite Mechanismus beeinflusst die mRNA-Translation. Wenn ein Metabolit an das Aptamer bindet, blockiert der Terminator die Ribosomenbindungsstelle, wodurch die Stelle für die Ribosomenbindung unerreichbar wird und die Initiierung der Translation verhindert wird.