11.6: Stabilität und Genexpression von mRNA

Die Struktur und Stabilität von mRNA-Molekülen regulieren die Genexpression, da mRNAs ein entscheidender Schritt auf dem Weg vom Gen zum Protein sind. Bei Eukaryoten variiert die Halbwertszeit der mRNA von einigen Minuten bis zu mehreren Tagen. Die Stabilität der mRNA ist wesentlich für Wachstum und Entwicklung. Das Fehlen der Proteine, die ihre Stabilität regulieren, wie Tristetraprolin bei Mäusen, kann systemische Probleme verursachen, einschließlich Überwuchern des Knochenmarks, Entzündungen und Autoimmunität.

Cis-aktive Elemente, die an der mRNA-Stabilität beteiligt sind

Eine mRNA-Sequenz kodiert nicht nur Proteine, sondern enthält auch verschiedene cis-aktive Regionen, die allein oder mit Hilfe von trans-aktiven Proteinen die mRNA-Stabilität regulieren. Das 5'-Ende einer mRNA hat eine 7-Methylguanylat (m7G)-Kappe und das 3'-Ende eine Poly-A-Schwanz, die beide die mRNA vor Exonukleasen schützen. Ein Poly-A-Schwanz, der kürzer als 15-20 Nukleotide ist, kann zu Decapping und nachfolgendem Abbau der mRNA führen; daher ist die Länge des Poly-A-Schwanzes wichtig für die Stabilität der mRNA. Die 5'- und 3'-unübersetzten Regionen (UTR) der mRNA enthalten verschiedene Sequenzen, die als Bindungsstellen für Proteine dienen, die am mRNA-Abbau und der Stabilität beteiligt sind. Die 5'-UTR enthält Bindungsregionen für Proteine, die das Decapping oder die Entfernung der 5'-m7G-Kappe fördern. Die 3'-UTR einiger mRNAs, insbesondere solcher mit einer Halbwertszeit von weniger als 30 Minuten, trägt mehrere „AUUUA“-Wiederholungen, bekannt als AU-reiche Sequenzen. Wenn mRNA-destabilisierende Proteine an diese AU-reichen Sequenzen binden, fördern sie die schnelle Deadenylierung und den Abbau der mRNA. Andererseits, wenn mRNA-stabilisierende Proteine vorhanden sind, konkurrieren sie mit den destabilisierenden Proteinen um die Bindung an die AU-reichen Sequenzen und verringern die Abbaugeschwindigkeit der mRNA. Einige andere mRNAs enthalten auch spezifische Erkennungssequenzen für Endonukleasen.

Hauptwege des mRNA-Abbaus

Die häufigsten Mechanismen des mRNA-Abbaus beinhalten die Entfernung des 3'-Ende-Poly-A-Schwanzes und der 5'-m7G-Kappe. Deadenylierung, die Entfernung von Adeninen aus dem Poly-A-Schwanz, kann zum Abbau der mRNA durch zwei verschiedene Mechanismen führen. Der erste Mechanismus umfasst die Verkürzung des Poly-A-Schwanzes auf weniger als 15-20 Nukleotide, was die Assoziation zwischen der mRNA und ihren Bindungsproteinen destabilisiert. Dies setzt die 5'-m7G-Kappe den Decapping-Enzymen DCP1 und DCP2 aus. Das decappte und ungeschützte 5'-Ende der mRNA kann dann mit Hilfe der 5'-bis-3'-Exonuklease XRN1 abgebaut werden. Ein anderer Mechanismus des Abbaus umfasst die vollständige Entfernung des 3'-Poly-A-Schwanzes durch Deadenylasen und den nachfolgenden Abbau des ungeschützten 3'-Endes durch den zytoplasmatischen Exosomenkomplex in 3'-bis-5'-Richtung. Der 5'-bis-3'-mRNA-Abbau ist ein wichtiger Weg in Hefen, während der 3'-bis-5'-mRNA-Abbau ein wichtiger Weg in Säugetierzellen ist; jedoch kann mRNA auch gleichzeitig durch beide Mechanismen abgebaut werden. In einigen mRNAs ist die Deadenylierung keine Voraussetzung für den Abbau. Ein Mechanismus umfasst das Decapping des 5'-Endes, gefolgt von 5'-bis-3'-mRNA-Abbau mit der Exonuklease XRN1. Der andere weniger beobachtete Abbauweg beinhaltet eine interne Spaltung der mRNA durch Endonukleasen. Die neu entstandenen ungeschützten Enden der gespaltenen mRNA können dann leicht in 5'-bis-3'- und 3'-bis-5'-Richtungen mit Hilfe von XRN1 und dem Exosomenkomplex abgebaut werden. 

Diese Mechanismen gewährleisten, dass Zellen fehlerhafte oder unnötig gewordene mRNA effizient entfernen und so die Genexpression fein regulieren können, um die Zellfunktion und -gesundheit zu optimieren.

Das Ausmaß und der Zeitpunkt der Genexpression werden von der mRNA-Stabilität beeinflusst.

Stabile mRNAs können Halbwertszeiten von mehreren Stunden haben und für Proteine kodieren, die kontinuierlich produziert werden müssen. Die Proteinsynthese kann noch lange nach Beendigung der Transkription fortgesetzt werden, wenn eine mRNA nicht abgebaut wird.

Im Gegensatz dazu haben instabile mRNAs in der Regel kurze Halbwertszeiten von weniger als 30 Minuten und werden schnell abgebaut. Wenn die Transkription dieser Gene nicht kontinuierlich erfolgt, kann die mRNA nur für kurze Zeit translatiert werden. Dies hilft einem Organismus, die Produktion unnötiger Proteine schnell zu stoppen.

mRNAs werden auf drei verschiedenen Wegen abgebaut.

Die gebräuchlichste Methode ist der Deadenylierungs-abhängige Weg, bei dem Adenine aus dem Poly-A-Schwanz einer mRNA entfernt werden, wodurch deren Abbau an beiden Enden des Transkripts ausgelöst wird.

Der todenylierende Nukleasekomplex baut den Poly-A-Schwanz in einer Richtung von 3' bis 5' ab. Nachdem die Adenine entfernt wurden, wird die mRNA durch den zytoplasmatischen Exosomenkomplex in die gleiche Richtung weiter abgebaut.

Das 5'-Ende einer mRNA hat eine Kappe, um sie vor Exonukleasen zu schützen. Die mRNA bildet oft eine Schleife, in der ihre 5'-Kappe und ihr 3'-Poly-A-Schwanz von bestimmten Proteinen eng zusammengehalten werden.

Wenn der Poly-A-Schwanz auf weniger als 15 Reste reduziert wird, können viele dieser Proteine nicht an den Poly-A-Schwanz binden, wodurch die 5'-Kappe den entkoffeinierenden Enzymen ausgesetzt wird. Dies führt anschließend zum Entdeckeln des 5'-Endes.

Diese entkoppelte mRNA wird dann von 5'- in 3'-Richtung durch eine andere Exonuklease abgebaut.

Die zweite Art des Abbaus ist ein unabhängig von der Deadenylierung unabhängiger Weg, bei dem entkoffeinierende Enzyme die 5'-Kappen entfernen. Eine Exonuklease baut dann die ungeschützte mRNA vom 5'- bis zum 3'-Ende ab.

Der dritte und am seltensten verwendete Weg ist die interne Spaltung einer mRNA mit Hilfe spezifischer Endonukleasen. Die Fragmente der mRNA haben ungeschützte 5'- und 3'-Enden. Spezifische Exonukleasen können dann auf diese ungeschützten Enden einwirken und die mRNA abbauen.

Der Abbau von mRNA findet in aggregierten Proteinkörpern statt, die als Prozessierung oder P-Körper bezeichnet werden. Diese P-Körper enthalten Enzyme, einschließlich derjenigen, die am Decapping und dem 5'- bis 3'-Abbau der mRNA beteiligt sind.