11.4: Regulierter mRNA-Transport

Regulated mRNA Transport
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Molecular Biology
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Regulated mRNA Transport

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02:22 min
November 23, 2020

In eukaryotes, transcription and translation are compartmentalized; an mRNA is first synthesized in the nucleus and then selectively transported to the cytoplasm for protein synthesis. Before transport, a pre-mRNA undergoes several steps of post-transcriptional modifications including splicing, 5' capping, and the addition of a poly-adenine tail. Various proteins bind to the pre-mRNA during these modifications. The mRNA transport takes place with the help of multiple proteins playing specific roles during different stages of the mRNA transport. For example, mRNA is exported through the nuclear pore complexes with the help of an exporter protein, which is a heterodimer of nuclear export factor 1 and nuclear export transporter 1. These proteins recognize specific nucleotide sequences or stem-loop structures formed by the mRNA and can bind different types of mRNA with similar binding features.

 mRNA is usually only transported from the nucleus after it is fully processed. However, some RNA from specific viruses, such as the Human Immunodeficiency Virus (HIV), can circumvent this rule.  HIV transfers some of its intron carrying pre-mRNA from the nucleus to the cytoplasm with the help of a protein called Rev. Rev is encoded by HIV RNA and binds to the specific sequences present within the pre-mRNA introns as well as the nuclear export receptor. This facilitates the transport of the intron-carrying pre-mRNA to the cytoplasm.

Cytoplasmic Fate of the transported mRNA

Once transferred in the cytoplasm, the further journey of the mRNA within the cytoplasm largely depends on whether it encodes organelle-specific, secretory, or cell surface protein. In the case of organelle-specific proteins, the protein produced will be transported to the respective organelle with the help of a signal peptide sequence. On the other hand, if a particular mRNA produces a secretory protein, the mRNA will be directed to the endoplasmic reticulum along with the associated ribosome and nascent peptide. This will happen during the initial stages of the protein synthesis, and the transferred mRNA- ribosome complex will remain on the endoplasmic reticulum until the protein synthesis is complete.

In contrast, some mRNAs are transported to specific locations in the cytoplasm before starting protein production. Such localization signals, known as zip-code regions, are present in the 3' untranslated regions of the mRNA. mRNA transport to the target location can be either random or directed by cytoskeletal filaments. Such mRNA localization not only helps cells to produce high concentrations of proteins near to the target location, but it also eliminates the need for the cell to use resources to transport the protein to its final destination.

Transcript

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.