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Tag: rRNA

Biomolekül des Monats: nicht-codierende RNA

Spätestens seit Aufkommen der mRNA-Impfstoffe haben viele zumindest eine grobe Ahnung, was RNA ist. Aber es gibt nicht nur die mRNA, denn eigentlich ist die mRNA – wenn auch die prominenteste der RNA-Arten – deutlich in der Minderheit. Tatsächlich sind 98% aller RNA von Eukaryoten (das heißt Lebewesen mit Zellkern) sogenannte nicht-codierende RNA. Daher sind die nicht-codierenden RNAs meine Biomoleküle des Monats, und in diesem Text werden wir uns diese zu wenig beachteten 98% der RNA etwas genauer anschauen.

mRNA und Translation

Aber beginnen wir doch trotzdem kurz mit der mRNA. Das „m“ steht hier für messenger und genau das ist die mRNA. Sie transportiert die Information über den Aufbau von Proteinen, die auf der DNA gespeichert ist, zu den Ribosomen. Die wiederum übersetzen diese Information dann in einem Translation genannten Prozess in ein Protein. Daher ist die mRNA auch codierende RNA – sie codiert Informationen für den Aufbau von Proteinen.

Für die Translation werden klassischerweise noch zwei anderen Typen von RNA gebraucht: die ribosomale rRNA und die transfer- tRNA. Das sind schon die ersten beiden nicht-codierenden RNAs, denn sie tragen keine Information über die Aminosäuresequenz eines Proteins. Stattdessen ist die rRNA Bestandteil der Ribosomen und die tRNA transportiert die Aminosäuren zum Ribosom und macht die eigentliche „Übersetzungsarbeit“ von mRNA zu Protein.

Dreidimensionale Struktur einer tRNA . Ganz unten, an der “Spitze” befindet sich das Anticodon, das an die mRNA bindet und eine bestimmte Abfolge von drei Basen erkennt (S. cerevisiae Phe-tRNA, PDB 1EHZ)

“Die RNA ist keine Wäscheleine”

Bevor wir uns die anderen nicht-codierenden RNAs anschauen, müssen wir kurz klären, was RNA eigentlich ist: RNA ist eine Nukleinsäure – die Abkürzung RNA steht für ribonucleic acid – und besteht wie die DNA aus einem Zucker-Phosphat-Rückgrat und einer Abfolge von Basen, die bei der mRNA die Information codiert.

Der Unterschied zur DNA besteht in dem Zucker – Ribose statt 2‘-Desoxyribose – und in einer Base – Uracil statt Thymin. Einige Arten von RNA beinhalten aber tatsächlich noch andere, seltenere Basen. Außerdem ist RNA keine Doppelhelix sondern liegt typischerweise einzelsträngig vor. Aber, wie mein Biolehrer in der Schule immer sagte, „die RNA ist keine Wäscheleine“. Stattdessen bildet auch sie lokale Strukturen und Basenpaarungen mit komplementären Basen (U und A sowie C und G) des gleichen oder eines anderen RNA-Strangs.

Aufbau der RNA aus Zucker-Phosphat-Rückgrat und Basen

Und RNAs, die an komplementäre RNA-Stränge binden können, sind weitere wichtige nicht-codierende RNAs.

Interferenz – Kontrolle der Genexpression

Sowohl miRNAs (mi für micro) als auch siRNAs (si für small interfering) machen sich die Bindung an komplementäre mRNA zunutze, um die Genexpression – also die tatsächliche Umsetzung der genetischen Information in ein Protein – zu regulieren.

miRNAs sind genetisch codiert und nach einem relativ komplizierten Herstellungsprozess entsteht ein doppelsträngiges Stück RNA, die reife miRNA. Zusammen mit einigen Protein kann einer dieser RNA-Stränge einen miRISC genannten Komplex bilden. Die miRNA in miRISC kann jetzt an eine komplementäre Stelle in einem mRNA-Strang binden. Typischerweise findet diese Bindung in einem Teil der mRNA statt, die 3‘-untranslatierte Region genannt wird und keine Information über den Aufbau eines Proteins trägt. Die Bindung von miRNA und RISC führt dann dazu, dass der mRNA-Strang abgebaut wird, und das darauf codierte Protein wird nicht hergestellt. Das geschieht, indem die schützenden Enden der mRNA – 3‘-poly-A-Ende und 5‘-cap – entfernt werden. Ohne diesen Schutz ist mRNA in einer Zelle extrem instabil und wird sehr schnell zerstört.

RISC aus einem Protein (blau) und miRNA gebunden and eine mRNA (beides rot) (PDB 6N4O)

Da die Biologie in den allermeisten Fällen effizient ist und Mechanismen für unterschiedliche Dinge verwendet – was für uns dann oft chaotisch erscheint – ist das nicht die einzige Funktion der miRNA: Sie kann auch die Translation gebundener mRNA hemmen, oder sogar die Genexpression direkt an der DNA im Zellkern beeinflussen.

Ganz ähnlich funktioniert die siRNA. Ihre Biosynthese ist zwar etwas anders, aber auch sie bildet RISCs, die bestimmte mRNA-Stränge erkennen und diese zerstören oder anderweitig ihre Translation verhindern. Durch die komplementäre Basenpaarung der mi- oder siRNA mit ihrer Ziel-mRNA ist dieser Regulationsmechanismus sehr spezifisch.

Diese Spezifität kann man auch für die Arzneitherapie nutzen. Es ist möglich, ganz gezielt Gene, die in eine Erkrankung involviert sind, abzuschalten. Givosiran beispielsweise ist ein siRNA-basierter Arzneistoff, der zur Behandlung der akuten intermittierenden Porphyrie verwendet wird – über Porphyrien habe ich in meinem Text über Häm ein wenig geschrieben. Das gleiche Prinzip wird häufig in der Molekularbiologie verwendet: Durch das Abschalten eines bestimmten Genes kann z.B. dessen Rolle in einem biologischen Prozess untersucht werden.

Ribozyme

Obwohl das noch lange nicht alle nicht-codierenden RNAs waren, möchte ich zum Abschluss nur noch eine davon erwähnen: die Ribozyme. Ribozyme sind RNA-Moleküle, die chemische Reaktionen katalysieren können, ganz genauso wie die bekannteren und häufigeren Enzyme. Ein Beispiel habe ich weiter oben sogar schon einmal erwähnt. Denn manche rRNAs, aus der Ribosomen aufgebaut sind, besitzen katalytische Aktivität und fügen die Aminosäuren eines gerade entstehenden Proteins zusammen.

Ribozyme sind außerdem eine wichtige Stütze der RNA-Welt-Hypothese. Sie besagt, dass die frühesten Lebewesen auf RNA sowohl als Informationsspeicher als auch zur Katalyse von Reaktionen basierten. Diese Aufgaben werden in allen modernen Lebensformen vorranging von DNA bzw.  Proteinen übernommen, womit die Ribozyme eine Art „Überbleibsel“ der RNA-Welt sein könnten. (Eine sehr anschauliche, aber nicht wirklich zutreffende Beschreibung von Ribozymen wären Fossilien aus der RNA-Welt.)

Das war jetzt also ein kurzer Rundumschlag zu den 98% der RNA, die keine mRNA sind. Es gäbe – wie bei fast jedem Thema – noch so viel mehr zu sagen, aber das muss dann wohl bis zu einem anderen Blogpost warten. Und falls ihr keine neuen Beiträge mehr verpassen wollt, dann abonniert doch gerne meinen Email-Newsletter.

Biomolekül des Monats: Das Ribosom

Ich denke, es ist schon in mehreren meiner Texte deutlich geworden, dass Proteine extrem wichtig, facettenreich und spannend sind. Laut der Deutschen Gesellschaft für Ernährung besteht jede:r von uns aus etwa 7 bis 13 kg davon. Und diese Menge an Proteinen muss erst einmal hergestellt werden. Deshalb besitzt jeder Mensch in etwa 100 Trillionen (also 100.000.000.000.000.000.000) Stück des Organells, das für die Biosynthese von Proteinen zuständig ist: Das Ribosom. In diesem Text möchte ich euch zeigen, wie Ribosomen funktionieren und kann euch hoffentlich einen Eindruck davon vermitteln, wieso ich sie so faszinierend finde.

Was sind Ribosomen, und wie funktionieren sie?

Obwohl das Ribosom bisher das bisher größte Biomolekül des Monats ist und wohl auch für einige Zeit bleiben wird, ist es für ein Organell ziemlich klein. Ribosomen haben gerade einmal einen Durchmesser von ca. 20 nm und ein Gewicht von 4,2 MDa (= Megadalton). Da steht für Dalton und ist eine Einheit, die oft für (Bio-)Moleküle verwendet wird. Ein Dalton entspricht ungefähr dem Gewicht eines Protons oder Neutrons. Ein Ribosom wiegt damit in etwa ein trillionstel Gramm.

Ribosomen stellen zwar Proteine her, bestehen aber zum Teil auch selbst aus Proteinen. Außerdem bestehen sie aus RNA, die deshalb rRNA (ribosomale RNA) genannt wird. Aufgebaut sind Ribosomen aus zwei Untereinheiten, einer großen und einer kleinen.

Cryo-EM Struktur eines menschlichen Ribosoms (Khatter et al. 2015, https://doi.org/10.1038/nature14427 )

Zwischen diesen Untereinheit können Ribosomen einen mRNA-Strang binden (wie bei einem Burger: die Untereinheiten sind die Brötchenhälften und die mRNA ist der Belag). Die mRNA transportiert die Information, die auf DNA gespeichert ist, aus dem Zellkern zu den Ribosomen in das Cytosol. Ribosomen können dann die Protein-Baupläne, die auf der mRNA als Basenabfolge codiert sind, in eine Aminosäuresequenz übersetzen – und das Protein dann auch gleichzeitig herstellen.

Dazu benutzten Ribosomen nochmal eine andere Art von RNA: die tRNA. Wenn das Ribosom der Übersetzer zwischen mRNA und Protein ist, dann ist die tRNA das Wörterbuch. Sie kann – innerhalb des Ribosoms – an die mRNA binden. Jeweils drei Basen in der mRNA codieren für eine Aminosäure in einem Protein. Diese drei Basen (das Codon) erkennt die tRNA, und an ihrem anderen Ende trägt sie die passende Aminosäure. Wenn die tRNA an die mRNA bindet, wird diese Aminosäure dann zu der wachsenden Kette aus Aminosäure hinzugefügt. Für eine ausführlichere Erklärung dieses Prozesses (der Translation) schaut doch gerne hier.

Animation der Funktionsweise eines Ribosoms: Die große UE ist grün, die kleine UE ist gelb. Die blauen tRNA-Moleküle binden an den mRNA-Strang und die Aminosäurekette wächst. (Quelle: Bensaccount at en.wikipedia, CC BY 3.0)

Ich möchte jetzt nämlich noch eines der (für mich) faszinierendsten Dinge in der Biologie ansprechen: Den Fakt, dass es nur 20 verschiedene Aminosäuren gibt, aus denen Proteine bestehen können. (Der eine oder die andere wird jetzt Fragen: was ist mit Pyrrolysin und Selenocystein, sollten es dann nicht 22 Aminosäuren sein? Und ja, das stimmt, aber die beiden sind Spezialfälle und wir ignorieren sie jetzt einfach.) Obwohl es nur diese 20 verschiedenen Aminosäuren gibt, besitzen allein Menschen um die 100.000 verschiedene Proteine. Die haben außerdem extrem unterschiedliche Aufgaben, z.B. als Enzyme, als Transporter, als Antikörper oder als Strukturproteine wie Keratin, aus dem Haare bestehen. Und trotzdem, obwohl es eine solche unglaubliche strukturelle und funktionelle Vielfalt gibt, bestehen diese 100.000 unterschiedlichen Proteine nur aus 20 verschiedenen Aminosäuren.

Ribosomen und Antibiotika

Weil das hier ein Blog über die Wissenschaft hinter Arzneimitteln ist, gibt es noch eine Sache, die ich unbedingt ansprechen muss: Das sind die Antibiotika, die an der Proteinbiosynthese angreifen. Davon gibt es tatsächlich auch eine ganze Menge, zum Beispiel Erythromycin, Tetracyclin oder Gentamicin.

Das ist möglich, weil sich die Ribosomen von Eukaryoten (Lebewesen, die Zellkerne besitzen) wie Menschen relativ stark von den Ribosomen von Bakterien unterscheiden. Die eukaryotischen Ribosomen werden als 80S Ribosomen bezeichnet. S steht für Svedberg und ist eine etwas umständliche Einheit, die (in diesem Fall) vor allem die Größe der Ribosomen beschreibt. (Genau genommen ist es die Einheit für den Sedimentationskoeffizienten. Der hängt neben der Masse eines Teilchen von dessen Form und den Wechselwirkungen mit dem Lösungsmittel ab. Da Form und Wechselwirkungen bei Ribosomen aber ähnlich sind, beschreibt es hier v.a. den Massenunterschied.)

Die eukaryotischen 80S Ribosomen bestehen aus einer 60S Untereinheit und einer 40S Untereinheit. Die bakteriellen Ribosomen dagegen sind kleiner, es sind 70S Ribosomen mit einer 50S und einer 30S Untereinheit. Dieser Unterschied im Aufbau der Ribosomen ermöglicht es, dass Antibiotika selektiv nur an bakteriellen Ribosomen wirken können. Dadurch wird die Proteinbiosynthese der Bakterien gestört und sie sterben ab, während menschliche Zellen unbeschadet bleiben.

Natürlich gäbe es zu Ribosomen noch sehr viel mehr zu sagen. Trotzdem soll es das mit diesem Biomolekül des Monats jetzt gewesen sein. Wenn es euch gefallen hat, dann lest gerne auch den Beitrag von letztem Monat oder abonniert meinen Newsletter, um nichts mehr zu verpassen (am Desktop auf der rechten Seite oder am Handy ganz unten)!

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