Sekundärstruktur und Funktion in mRNA und einzelsträngiger Virus-RNA

Zusammenfassung

• Sowohl mRNA als auch die RNA von ssRNA-Viren können eine Sekundärstruktur aufweisen, die häufig für die Regulation der Translation wichtig ist
• Das Ausmaß der Sekundärstruktur von RNAs hängt von der Basenzusammensetzung und -sequenz ab, so dass RNAs unterschiedlicher Faltungsgrade möglich sind.
• Schwache RNA-RNA-Wasserstoffbindungen können durch schwache RNA-Protein-Wechselwirkungen konkurriert werden, so dass eine dynamische Situation möglich ist – unter manchen Umständen eine Sekundärstruktur, die unter anderen abgewickelt wird.

Nachweis der Sekundärstruktur in mRNA und viralen RNAs

Arbeiten in den späten 1960er und frühen 1970er Jahren zur Translation der polycistronischen einzelsträngigen Virus-RNAs (MS2, R17, Qβ usw.) lieferten Hinweise auf ihre Sekundärstruktur. Das Ausmaß der Maskierung der Ribosomenbindungsstellen (Shine- und Dalgarno-Regionen) verschiedener Cistrons beeinflusste ihre Translation, und Behandlungen und Mutationen, die die Sekundärstruktur zerstörten, stimulierten die Translation. Diese Veröffentlichung von Iserentant und Fiers aus dem Jahr 1980 und diese Veröffentlichung aus dem Jahr 1982 von Hall et al. Einträge zu dieser Literatur bereitstellen.

Eukaryotische mRNAs haben normalerweise keine Ribosomen-Bindungsstellen, obwohl dies bei bestimmten RNA-Viren wie Polio der Fall ist, und diese haben eine charakteristische Sekundärstruktur (Ribosomen-Landeplatz) – siehe z. B. dieses Papier von Sonenbergs Gruppe . Die Mehrheit der eukaryotischen mRNAs hat jedoch eine ausgedehnte Sekundärstruktur an ihren 5'-Enden, die eine spezifische Helikase – den Initiationsfaktor eIF4A – in Verbindung mit eIF4B und eIF4H erfordert, um sich aufzuwickeln – siehe z. B. Svitkin et al., RNA ( 2001 ) .

Die Sekundärstruktur variiert mit der Sequenz

Ein wenig Nachdenken genügt, um sich davon zu überzeugen, dass das Ausmaß der Selbstfaltung einer einzelsträngigen RNA von ihrer Nukleotidsequenz abhängt. Das Ausmaß der Wasserstoffbrückenbindung beispielsweise eines (AG) _n -Polymers (A geht keine Basenpaare mit G in einer Watson-Crick-Helix ein) wäre erwartungsgemäß viel geringer als das eines (AU) _n -Polymers, bei dem A –U Basenpaarung kann auftreten. Ebenso führen kontinuierliche Strecken komplementärer Basen wahrscheinlich zu einer zusätzlichen Stabilisierung durch Basenstapelungund damit in einer stabileren Sekundärstruktur als die gleiche Anzahl eingestreuter Basenpaare. Die Tatsache, dass die Sekundärstruktur einer mRNA verändert werden kann, indem die Nukleotidsequenz verändert wird, ohne die Aminosäuresequenz des Proteinprodukts zu verändern, wird durch den in dieser Veröffentlichung von Gaspar et al . , Nukleinsäureforschung, (2013) .

Konkurrenz durch Proteine

Es wurde bereits erwähnt, dass Proteine ​​(eIF4A und andere Initiationsfaktoren) an der Entwindung eukaryotischer mRNA beteiligt sind, und es gibt zahlreiche Beispiele für die Wechselwirkung von Proteinen mit spezifischen Nukleinsäurestrukturen (einschließlich des ribosomalen Landeplatzes (auch bekannt als interne Ribosomeneintrittsstelle – IRES). ), oben bereits erwähnt und unten gezeigt).

[IRES für Hepatitis-C-Virus-RNA, die Interaktionsbereiche mit verschiedenen Proteinen zeigt. Aus Hellen und Sarnow, Genes and Development (2001) ]

Die allgemeine Besorgnis, dass die mRNA-Sekundärstruktur die Sekundärstruktur behindern würde, hat eine gewisse Grundlage, aber die Bewegung des Ribosoms kann die Sekundärstruktur stören, wie die anfänglichen RNA-Phagen-Experimente zeigten. Man sollte sich daran erinnern, dass das Ribosom nach Bildung jeder Peptidbindung die Translokation der mRNA um drei Nukleotide in Bezug auf die A- und P-Stellen verursacht, so dass es kontinuierlich eine treibende Kraft auf die mRNA ausübt.

Bei Viren war das Tabakmosaikvirus (TMV) – ein positives einzelsträngiges RNA-Virus – das erste Virus, dessen Struktur durch Röntgenkristallographie bestimmt wurde. Es gibt daher eine Fülle von Details bezüglich der Organisation von RNA und Protein in ihrem Virion – dieser PDB-Artikel „Molekül des Monats“ (unten mit der RNA in Rot dargestellt) ist ziemlich zugänglich (in zweierlei Hinsicht). ( Ein Schema des Virions eines anderen Virus – Vesicular Stomatitis Virus – VSV – ist ebenfalls gezeigt.)

Der Zusammenbau des TMV-Virions umfasst die anfängliche Selbstorganisation des Proteins, gefolgt von der Zufuhr der geschlungenen RNA (Sekundärstruktur), die sich um den inneren Kern wickelt. Der Aufbauursprung der Sekundärstruktur der TMV-RNA ist unten gezeigt.