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14.9: RNA-Spleißen
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RNA-Spleißen
 

PROTOKOLLE

14.9: RNA-Spleißen

Überblick

Der Prozess, bei dem die Eukaryontische RNA vor der Proteinübersetzung bearbeitet wird, wird Spleißen genannt. Dabei werden Bereiche, die nicht für Proteine kodieren, entfernt und proteinkodierende Abschnitte zusammengefügt. Das Spleißen erlaubt auch die Expression mehrerer Proteinvarianten von einem einzigen Gen. Bei der Entwicklung, Gewebedifferenzierung und der Anpassung an Umweltstress spielt es eine entscheidende Rolle. Fehler beim Spleißen können zu Krankheiten wie Krebs führen.

Die von eukaryontischer DNA transkribierte RNA durchläuft mehrere Modifikationen

Der von eukaryontischer DNA transkribierte RNA-Strang wird als primäres Transkript bezeichnet. Die primären Transkripte, die als mRNA bezeichnet werden, werden als Vorläufer-Boten-RNA (pre-mRNA) bezeichnet. Die prä-mRNA wird dann zu reifer mRNA prozessiert, die für die Proteinübersetzung geeignet ist. Eukaryontische prä-mRNA enthält abwechselnde Sequenzen von Exons und Introns. Exons sind Nukleotidsequenzen, die für Proteine kodieren, während Introns die nicht-kodierenden Bereiche darstellen. Das RNA-Spleißen ist der Prozess, bei dem Introns entfernt und Exons zusammengefügt werden.

Die Spleißung erfolgt innerhalb des Nucleus

.

Das Spleißen wird durch das Spleißosom vermittelt. Das ist ein Komplex aus Proteinen und RNA. Man bezeichnet ihn als kleine nukleare Ribonukleoproteine (snRNPs). Das Spleißosom erkennt spezifische Nukleotidsequenzen an Exon- und Intron-Grenzen. Zunächst bindet es an eine GU-haltige Sequenz am 5’ Ende des Introns und an eine Verzweigungspunkt-Sequenz, die ein A gegen das 3' Ende des Introns enthält. In einer Anzahl sorgfältig abgestimmter Schritte bringen dann andere snRNPs den Verzweigungspunkt nahe an die 5’ Spleißstelle. Anschließend spaltet eine chemische Reaktion das 5’ Ende des Introns von seinem stromaufwärts gelegenen Exon ab und verbindet es mit dem Verzweigungspunkt, wobei eine Schleife entsteht, die man Lariat nennt. Um das Lariat freizusetzen, reagiert das 3’ Ende des stromaufwärtigen Exons mit der AG-haltigen Sequenz des Introns nahe dem 5’ Ende des stromabwärtigen Exons. Diese Reaktion flickt die beiden Exons zusammen und schließt damit den Spleißprozeß ab.

Das Spleißen erlaubt die Expression mehrerer Proteine aus einem einzigen Gen

Der Prozess, bei dem verschiedene Kombinationen von Exons in der Prä-mRNA verbunden werden, nennt sich alternatives Spleißen. Sein Ziel ist es, reife mRNA zu bilden. Alternatives Spleißen produziert mehrere verschiedene Proteine aus einem einzigen prä-mRNA-Transkript.

Normalerweise werden Exons in der Reihenfolge zusammengefügt, in der sie in einem Gen erscheinen. Während des alternativen Spleißens kann diese bevorzugte Sequenz von Exons jedoch verändert werden. Verschiedene Muster des alternativen Spleißens sind Exon-Skipping, alternatives 5’ oder 3’ Spleißen und Intron-Retention. Diese Muster werden durch die Länge der Exons oder Introns und die Stärke der Spleißstellen bestimmt. Folglich können Exons, die kürzer als andere Exons sind, vom Spleißosom übersehen und in der reifen mRNA ausgelassen werden. Im Gegensatz dazu können Introns, die signifikant kürzer als andere Introns sind, der Entfernung durch das Spleißosom entgehen und werden in der reifen mRNA zurückgehalten.

Die Stärke der Spleißstellen wird durch die Sequenzerhaltung um alternative Exons herum bestimmt. Diese beeinflussen die vom Spleißosom gewählten 5’ oder 3’ Spleißstellen. So erzeugt das alternative Spleißen Varianten reifer mRNA, die aus dem gleichen DNA-Abschnitt kopiert wurden.

Die RNA-Sequenzvarianten produzieren während der Translation verschiedene Proteine mit zusätzlichen oder weniger Aminosäuren, Verschiebungen im Leseraster oder einem vorzeitigen Stoppcodon. Dadurch entstehen Protein-Isoformen mit unterschiedlichen biologischen Eigenschaften wie Funktion, zelluläre Lokalisierung und Interaktion mit anderen Proteinen. Alternatives Spleißen spielt eine wichtige Rolle bei der Genexpression und steuert somit die Entwicklung von Organen, das Überleben oder die Vermehrung von Zellen und die Anpassung an Veränderungen der Umwelt.

Abnormales Spleißen kann zu Krankheiten führen

Fehler beim Spleißen können durch Mutationen im Gen selbst oder in den regulatorischen Elementen, die die Expression des Gens kontrollieren, verursacht werden. Eine Mutation, die in der Exon- oder Intronsequenz eines bestimmten Gentranskripts auftritt, wird als cis-Mutation bezeichnet. Eine Mutation in der Spleißmaschinerie betrifft mehrere Gene und wird als Trans-Mutation bezeichnet.

Fehler beim Spleißen erzeugen anomale Protein-Isoformen, die zu Krankheiten, wie z. B. Krebs, beitragen können. Zum Beispiel erzeugt das alternative Spleißen des BCL2L1-Gens eine lange und kurze Protein-Isoform—BCL-XL und BCL-XS, d.h. durch die Verwendung von alternativen 5’ Spleißstellen. Die längere BCL-XL-Isoform fördert das Überleben der Zellen und wird bei verschiedenen Krebsarten (z.B. Blut-, Brust-und Leberkrebs) stark exprimiert. Die Expression der kurzen BCL-XS-Isoform, die den Zelltod fördert, wird bei Krebs unterdrückt.


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