11.4: Regulierter mRNA-Transport

In Eukaryoten sind Transkription und Translation räumlich getrennt; eine mRNA wird zuerst im Kern synthetisiert und dann selektiv in das Zytoplasma transportiert, um dort in Protein übersetzt zu werden. Bevor der Transport stattfindet, durchläuft die prä-mRNA mehrere Schritte posttranskriptioneller Modifikationen, einschließlich Spleißen, 5'-Capping und das Hinzufügen eines Poly-Adenin-Schwanzes. Verschiedene Proteine binden während dieser Modifikationen an die prä-mRNA. Der mRNA-Transport erfolgt mit Hilfe mehrerer Proteine, die während der verschiedenen Stadien des mRNA-Transports spezifische Rollen spielen. Beispielsweise wird die mRNA durch die Kernporenkomplexe mit Hilfe eines Exporter-Proteins exportiert, das ein Heterodimer aus Kernexportfaktor 1 und Kernexporttransporter 1 ist. Diese Proteine erkennen spezifische Nukleotidsequenzen oder Stamm-Schleifen-Strukturen, die von der mRNA gebildet werden, und können verschiedene Arten von mRNA mit ähnlichen Bindungseigenschaften binden.

Normalerweise wird mRNA aus dem Kern erst dann transportiert, wenn sie vollständig verarbeitet ist. Einige RNA von spezifischen Viren, wie das Humane Immundefizienz-Virus (HIV), können jedoch diese Regel umgehen. HIV überträgt einige seiner prä-mRNA, die Introns enthält, mit Hilfe eines Proteins namens Rev vom Kern ins Zytoplasma. Rev wird von der HIV-RNA kodiert und bindet an die spezifischen Sequenzen in den Introns der prä-mRNA sowie an den Kernexportrezeptor. Dies erleichtert den Transport der Introns tragenden prä-mRNA ins Zytoplasma.

Zytoplasmatisches Schicksal der transportierten mRNA

Sobald sie in das Zytoplasma überführt wurde, hängt die weitere Reise der mRNA im Zytoplasma weitgehend davon ab, ob sie ein organspezifisches, sekretorisches oder zellspezifisches Protein kodiert. Im Fall von organspezifischen Proteinen wird das produzierte Protein mit Hilfe einer Signalpeptidsequenz zum jeweiligen Organell transportiert. Andererseits, wenn eine bestimmte mRNA ein sekretorisches Protein produziert, wird die mRNA zusammen mit dem assoziierten Ribosom und dem naszierenden Peptid zum endoplasmatischen Retikulum geleitet. Dies geschieht während der Anfangsphasen der Proteinsynthese, und der übertragene mRNA-Ribosomen-Komplex bleibt auf dem endoplasmatischen Retikulum, bis die Proteinsynthese abgeschlossen ist.

Im Gegensatz dazu werden manche mRNAs vor Beginn der Proteinproduktion an spezifische Orte im Zytoplasma transportiert. Solche Lokalisierungssignale, bekannt als Zip-Code-Regionen, befinden sich in den 3' unübersetzten Regionen der mRNA. Der Transport der mRNA zum Zielort kann zufällig oder durch zytoskeletale Filamente gerichtet sein. Diese mRNA-Lokalisierung hilft nicht nur den Zellen, hohe Konzentrationen von Proteinen in der Nähe des Zielorts zu produzieren, sondern eliminiert auch die Notwendigkeit für die Zelle, Ressourcen für den Transport des Proteins zu seinem Endziel zu verwenden.

Der Transport von mRNAs aus dem Zellkern zu bestimmten Stellen im Zytoplasma ist ein hochgradig regulierter Prozess, der durch eine Vielzahl von cis- und trans-wirkenden Elementen unterstützt wird.

mRNA enthält cis-wirkende Elemente an den 3'- und seltener an den 5'-untranslatierten Regionen der mRNA. Diese Lokalisierungselemente, die auch als Postleitzahlregionen bezeichnet werden, können bis zu tausend Basenpaare lang sein und bestimmen die zytoplasmatische Lokalisation der exportierten mRNA.

Zu den transaktiven Elementen gehören mRNA-bindende Proteine, die spezifische Sequenzen oder Strukturen erkennen, die von der mRNA gebildet werden, und zusammen mit RNA heterogene nukleäre Ribonukleoproteinpartikel bilden.

Die mRNA in diesen Partikeln wird dann mit Hilfe von Exporterproteinen, die sowohl mit der mRNA als auch mit den Kernporenkomplexen assoziiert sind, durch nukleäre Porenkomplexe exportiert.

Zellkernspezifische Proteine lösen sich von der mRNA, bevor sie in das Zytoplasma exportiert wird, während Exporterproteine die mRNA im Zytoplasma belassen und für den weiteren mRNA-Export in den Zellkern zurückkehren.

Einige mRNAs werden vor Beginn der Proteinproduktion an einen bestimmten Ort transportiert, der von ihren Postleitzahlensequenzen vorgegeben wird, und bleiben translational inaktiv, bis sie ihren Zielort erreichen.

Die mRNAs werden durch zufällige Diffusion oder mit Hilfe von Zytoskelett-Filamenten an den Zielort transportiert. Die mRNAs werden dann von Ankerproteinen eingefangen, die ihnen helfen, an einem bestimmten Ort zu bleiben.

Freie Ribosomen binden an mRNA und starten den Prozess der Translation zur Herstellung von Proteinen. Trägt das endgültige Protein eine Zielsequenz für eine Organelle, wird es zu der jeweiligen Organelle geleitet.

Wenn es sich bei dem synthetisierten Protein um eine Zelloberfläche oder ein sezerniertes Protein handelt, wird seine Zielpeptidsequenz erkannt, und der gesamte Komplex aus mRNA, Ribosom und neu synthetisiertem Peptid wird zur weiteren Synthese auf die Oberfläche des endoplasmatischen Retikulums übertragen.