„Životní cyklus“ mRNA v eukaryotické buňce. RNA je přepsána v jádře; po kompletním zpracování je transportována do cytoplazmy a přeložena ribozomem. Na konci své životnosti je mRNA degradována.
Messenger Ribonukleová kyselina (mRNA) je RNA, která kóduje a přenáší informace z DNA během transkripce do míst syntézy bílkovin, aby prošla translací za účelem získání genového produktu.
Krátký život molekuly mRNA začíná transkripcí a nakonec končí degradací. Během svého života může být molekula mRNA také zpracována, upravována a transportována před translací. Eukaryotické molekuly mRNA často vyžadují rozsáhlé zpracování a transport, zatímco prokaryotické molekuly nikoli.
Během transkripce vytváří RNA polymeráza kopii genu z DNA do mRNA podle potřeby. Tento proces je podobný u eukaryot a prokaryot. Jeden významný rozdíl je však v tom, že eukaryotická RNA polymeráza se během transkripce spojuje s enzymy zpracovávajícími mRNA, takže zpracování může po zahájení transkripce rychle pokračovat. Krátkodobý, nezpracovaný nebo částečně zpracovaný produkt se označuje jako pre-mRNA; po kompletním zpracování se označuje jako zralá mRNA.
Eukaryotické pre-mRNA zpracování
Zpracování mRNA se značně liší mezi eukaryoty a prokaryoty. Prokaryotická mRNA je v podstatě zralá po transkripci a nevyžaduje žádné zpracování, s výjimkou vzácných případů. Eukaryotická pre-mRNA však vyžaduje rozsáhlé zpracování.
Splicing je proces, při kterém je pre-mRNA modifikována tak, aby odstranila určité úseky nekódujících sekvencí zvané introny; úseky, které zůstávají, zahrnují sekvence kódující proteiny a nazývají se exony. Někdy mohou být zprávy pre-mRNA splicentovány několika různými způsoby, což umožňuje jednomu genu kódovat více proteinů. Tento proces se nazývá alternativní splicing. Splicing je obvykle prováděn RNA-proteinovým komplexem zvaným spliceozom, ale některé RNA molekuly jsou také schopny katalyzovat své vlastní splicing (viz ribozymy).
5′ uzávěr je modifikovaný guaninový nukleotid, který se přidává na „přední“ (5′ konec) pre-mRNA. Tato modifikace je kritická pro rozpoznání a správné navázání mRNA na ribozom, stejně jako pro ochranu před 5′ exonukleázami. Může být také důležitá pro další základní procesy, jako je splétání a transport.
Polyadenylace je kovalentní vazba polyadenylylové části na molekulu RNA posla. V eukaryotických organismech je polyadenylace mechanismus, kterým většina molekul RNA (mRNA) posla končí na svých 3′ koncích. Ocas poly(A) napomáhá stabilitě mRNA tím, že ji chrání před exonukleázami. Polyadenylace je také důležitá pro ukončení transkripce, export mRNA z jádra a překlad. Některé prokaryotické mRNA jsou také polyadenylované, i když funkce ocásku poly(A) je odlišná od funkce u eukaryot.
K polyadenylaci dochází během transkripce DNA do RNA a bezprostředně po ní. Po ukončení transkripce je řetězec mRNA štěpen působením komplexu endonukleázy spojeného s RNA polymerázou. Místo štěpení je charakterizováno přítomností sekvence bází AAUAAA v blízkosti místa štěpení. Po štěpení mRNA se na volný 3′ konec v místě štěpení přidá 80 až 250 zbytků adenosinu. Tato reakce je katalyzována polyadenylátovou polymerázou.
V některých případech se mRNA upraví a změní se složení nukleotidů této mRNA. Příkladem u lidí je apolipoprotein B mRNA, který se upravuje v některých tkáních, ale v jiných ne. Úprava vytvoří kodon včasného zastavení, který po překladu vytvoří kratší protein.
Dalším rozdílem mezi eukaryoty a prokaryoty je transport mRNA. Protože eukaryotická transkripce a translace je kompartmentálně oddělena, musí být eukaryotické mRNA exportovány z jádra do cytoplazmy. Zralé mRNA jsou rozpoznány podle jejich zpracovaných modifikací a poté exportovány přes jaderný pór.
Protože prokaryotická mRNA nemusí být zpracována ani transportována, může být překlad ribozomem zahájen ihned po zahájení transkripce. Proto lze říci, že prokaryotický překlad je spojen s transkripcí a dochází ke kotranskripci.
Eukaryotická mRNA, která byla zpracována a transportována do cytoplazmy (tj. zralá mRNA), pak může být přeložena ribozomem. Překlad může nastat u ribozomů volně plovoucích v cytoplazmě nebo směrovaných do endoplazmatického retikula částicí rozpoznávající signál. Proto na rozdíl od prokaryot není eukaryotický překlad přímo spojen s transkripcí.
Po určité době zpráva degraduje na své komponentní nukleotidy, obvykle za pomoci RNáz. V důsledku zpracování mRNA jsou eukaryotické mRNA obecně stabilnější než prokaryotické mRNA.
Struktura zralé eukaryotické mRNA. Plně zpracovaná mRNA zahrnuje 5′ uzávěr, 5′ UTR, kódovací oblast, 3′ UTR a poly(A) ocas.
5′ cap, také nazývaný RNA cap, RNA 7-methylguanosin cap nebo RNA m7G cap, je modifikovaný guaninový nukleotid, který byl přidán na „přední“ nebo 5′ konec messengerové RNA krátce po zahájení transkripce. 5′ cap se skládá z terminálního 7-methylguanosinového zbytku, který je navázán vazbou 5′-5′-trifosfátu na první transkribovaný nukleotid. Jeho přítomnost je rozhodující pro rozpoznání ribozomem a ochranu před RNázami.
Cap adice je spojena s transkripcí a dochází k ní co-transkripcí tak, že se vzájemně ovlivňují. Krátce po zahájení transkripce je 5′ konec syntetizované mRNA vázán komplexem cap-syntetizující spojenou s RNA polymerázou. Tento enzymatický komplex katalyzuje chemické reakce, které jsou potřebné pro limitování mRNA. Syntéza probíhá jako multikroková biochemická reakce.
Za prvé se štěpí trifosfát na 5′ konci nově syntetizované RNA. Enzym fosfohydrroláza štěpí vazby gama fosfodiesteru a zároveň opouští alfa a beta fosfáty. Za druhé enzym guanylyltransferáza přenáší guanin a jeho alfa fosfát na beta fosfát 5′ konce mRNA, čímž vzniká vazba 5′-5′-trifosfátu. Za třetí, pozice dusíku-7 (N-7) nově přidaného guaninu je metylována (guaninemethylace) enzymem guanin-7-methyltransferáza. Nakonec 2′-O-methyltransferáza metyluje 2′ pozici ribózového cukru. Tato methylová skupina poskytuje RNA mimořádnou stabilitu díky ochraně před štěpením fosforu nukleofilním útokem sousedního vodíku. Po uzávěru 5′ konce se uvolňuje z komplexu syntetizujícího uzávěr a následně je vázána komplexem vázajícím uzávěr spojeným s RNA polymerázou.
Kódovací oblasti se skládají z kodonů, které jsou ribozomem dekódovány a přeloženy do bílkovin. Kódovací oblasti začínají počátečním kodonem a končí jedním ze tří možných stop kodonů. Kromě kódování bílkovin mohou části kódujících oblastí sloužit také jako regulační sekvence jako exonické zesilovače splétání nebo tlumiče exonického splétání.
Monocistronická versus polycistronická mRNA
Molekula mRNA je prý monocistronická, pokud obsahuje genetickou informaci k překladu pouze jediné bílkoviny. To je případ většiny eukaryotických mRNA.
Na druhé straně polycistronová mRNA nese informace několika proteinů, které jsou přeloženy do jednotlivých proteinů. Většina mRNA nalezená v prokaryotech je polycistronová.
Příkladem polycistronové mRNA je biosyntetická dráha tryptofanu v E.Coli: jediná mRNA molekula asi 7000 nukleotidů long specifikuje pět enzymů, z nichž každý má na mRNA svůj vlastní start a stop signál. Další klasický příklad je nalezen v lacoperonu, kde jsou geny lacZ, lacY a lacA přepsány do jediné polycistronové mRNA.
Monocistronní mRNA je v některých případech (např. viry) přeložena do polyproteinu, který je proteolytickým štěpením zpracován na zralé genové produkty.
Příklady polycistronové mRNA u eukaryot se často nacházejí v chloroplastech cévních rostlin. Tato významná výjimka z jinak monocistronové povahy nukleárních genů u eukaryot může být interpretována jako důkaz podporující endosymbiotickou teorii.
Nepřeložené oblasti (UTR) jsou úseky RNA před počátečním kodonem a po stop kodonu, které nejsou přeloženy, nazývané pět prvočíselných nepřeložených oblastí (5′ UTR) a tři prvočíselné nepřeložené oblasti (3′ UTR). Tyto oblasti jsou přepsány jako součást stejného přepisu jako kódovací oblast. Nepřeloženým oblastem bylo přiřazeno několik rolí v genové expresi, včetně stability mRNA, lokalizace mRNA a translační účinnosti. Schopnost UTR vykonávat tyto funkce závisí na sekvenci UTR a může se mezi mRNA lišit.
Stabilita mRNA může být zprostředkována 5′ UTR a 3′ UTR díky rozdílné afinitě k určitým enzymům degradujícím RNA zvaným ribonukleázy, které mohou podporovat nebo inhibovat relativní stabilitu molekuly RNA. Čím větší je stabilita mRNA, tím více bílkovin může být z tohoto transkriptu vyrobeno.
Cytoplazmatická lokalizace mRNA je považována za funkci 3′ UTR. Proteiny, které jsou potřebné v určité oblasti buňky, tam mohou být skutečně přeloženy; v takovém případě může 3′ UTR obsahovat sekvence, které umožňují lokalizaci přepisu do této oblasti pro překlad.
Překladatelská efektivita, a dokonce i inhibice překladu úplně, může být zprostředkována UTR. Proteiny, které se vážou buď na 3′ nebo 5′ UTR, mohou ovlivnit překlad zásahem do schopnosti ribozomu vázat se na mRNA.
Některé prvky obsažené v nepřeložených oblastech tvoří při přepisu do RNA charakteristickou sekundární strukturu. Tyto strukturální mRNA prvky se podílejí na regulaci mRNA. Některé, jako například prvek SECIS, jsou cílem pro vazbu proteinů. Jedna třída mRNA prvku, riboswitche, přímo váže malé molekuly, mění jejich záhyb za účelem úpravy úrovně transkripce nebo překladu. V těchto případech mRNA reguluje sama sebe.
Ocas 3′ poly(A) je dlouhá sekvence adeninových nukleotidů (často několik stovek) přidaných do „ocasu“ nebo 3′ konce pre-mRNA působením enzymu, polyadenylátové polymerázy. Ocas poly(A) se přidává na přepisy, které obsahují specifickou sekvenci, signál AAUAAA. Význam signálu AAUAAA je demonstrován mutací v lidském alfa 2-globinovém genu, který mutuje původní sekvenci AATAAA na AATAAG, což může vést k nedostatku hemoglobinu.
Během transkripce dvouvláknová DNA produkuje mRNA ze smyslového vlákna; druhé, komplementární, vlákno DNA se označuje jako anti-smyslové. Anti-smyslová mRNA je RNA komplementární v pořadí k jedné nebo více mRNA. V některých organismech může přítomnost anti-smyslové mRNA inhibovat expresi genů spárováním bází se specifickými mRNA. V biochemickém výzkumu byl tento efekt použit ke studiu funkce genů, prostým vypnutím studovaného genu přidáním jeho anti-smyslového mRNA transkriptu. Takové studie byly provedeny na červu Caenorhabditis elegans a bakterii Escherichia coli. To hraje roli v interferenci RNA.
Life of mRNA Flash animace