5'-Cap-Struktur

3D-Stäbchenmodell von mRNA, bestehend aus sechs Basenpaaren mit m7G-Cap-Struktur, nach PDB 1AV6
Schemazeichnung der m7G-Cap-Struktur.
Strukturformel vom Ausschnitt des 5'-Endes einer G-Cap-Struktur.

Die Cap-Struktur (zu deutsch Kappe) ist eine chemische Veränderung an mRNA-Molekülen in Eukaryoten, die die Stabilität der RNA drastisch erhöht und wichtig für den Transport der RNA aus dem Kern in das Cytoplasma und die darauf folgende Translation der mRNAs durch die Ribosomen ist.

Dabei handelt es sich meist um ein modifiziertes Guanin-Nukleotid, welches während der Transkription des Gens über eine seltene 5’-5’-Phosphodiesterbindung an das Kopfende der RNA geknüpft wird (engl. Capping). Capping findet wie auch das Splicing und die Polyadenylierung (engl. Tailing) cotranskriptionell statt, das heißt noch während die RNA-Polymerase die RNA synthetisiert. Man spricht daher auch von einer RNA-Fabrik.

Capping wird außer bei mRNA auch bei vielen nicht kodierenden RNAs gefunden.

Cap-Strukturen

Polymerase II

Bei mRNAs, die durch die RNA-Polymerase II transkribiert werden, findet sich die klassische m7G-Cap. Hier wird (nach Hydrolyse des terminalen γ-Phosphates durch die Triphosphatase) durch das so genannte Capping-Enzym ein GMP-Rest (von GTP) in Form einer 5’-5’-Phosphodiesterbindung auf das 5’-Ende der RNA übertragen und anschließend an Position 7 des Guanins mithilfe der mRNA-cap-Methyltransferase unter Verbrauch von S-Adenosylmethionin (SAM), ein universeller Methylgruppendonor, methyliert, es resultiert: 5’-5’ m7GpppN. Zusätzlich treten weitere Methylierungen der ersten Basen der mRNA in Position 2’ auf, man spricht dann von Cap1 (nur die erste Base methyliert) oder Cap2 (die ersten beiden Basen methyliert).

Weiterhin findet man z.B. in Trypanosomen weitaus kompliziertere Cap-Strukturen, bei denen nicht nur das erste Nukleotid modifiziert ist, sondern auch darauf folgende (z.B. Trypanosoma brucei Cap-4).

Polymerase III

Transkripte der RNA-Polymerase III erhalten keine solchen 5’-Cap Strukturen, bei einigen wenigen RNAs findet sich aber eine Monomethylierung an einem γ-Phosphatrest (z.B. U6 snRNA).

Viren

Manche Viren zeigen eine Eigenart im Biosyntheseweg der Cap-Struktur: GTP wird zunächst methyliert und erst anschließend auf die RNA übertragen.

Funktion

Wie auch der Poly-A-Schwanz am 3’-Ende von mRNAs spielt die Cap-Struktur eine wichtige Rolle beim Stabilisieren der mRNAs. Ohne diese Struktur werden die mRNAs im Cytoplasma schnell von 5’ nach 3’ durch Exonukleasen abgebaut.

Auch beim Ausschleusen der RNA aus dem Zellkern durch die Kernporen in das Cytoplasma (RNA-Export) spielt die Cap eine wichtige Rolle. Sie wird noch während der Transkription vom Cap-Binding-Komplex gebunden, der im Zusammenwirken mit anderen Faktoren einen effektiven Transport sichert.

Von entscheidender Wichtigkeit ist die Cap auch bei der Initiation der Translation. Sowohl gebunden durch CBC (während der ersten Runde der Translation) als auch durch eIF4E (während aller weiterer Runden) sorgt sie dafür, dass das Ribosom rekrutiert wird und mit der Initialisierung beginnt. Dabei kommt es zu einem Ringschluss der RNA (closed loop model of translation), bei dem das 5’-Ende mit dem Poly-A-Schwanz interagiert (über eIF4E, eIF4G und das cytoplasmatische Poly-A-Bindeprotein PABPC).

Da einige Viren ausschließlich im Cytoplasma replizieren, erhalten sie von der zellulären Maschinerie keine Cap-Struktur. Um die Nachteile auszugleichen, die dies mit sich bringt, stehlen sie eine Cap von zellulären mRNAs, man spricht von Cap-snatching. Eine mRNA des Wirtsorganismus wird dabei nahe dem 5’-Ende gespalten (welches ja die Cap trägt) und als sogenannter capped-leader dazu benutzt die virale Translation zu initiieren.

Die Tatsache, dass virale Polymerasen kein m7G-Cap produzieren, ermöglicht eine spezifische Unterscheidung von "fremder" und "körpereigener" RNA - eine RNA, die lediglich ein ungecaptes Triphosphat am 5'-Ende trägt, kann als Hinweis auf eine Infektion gelten. In der Tat gibt es im angeborenen Immunsystem (dessen grundlegende Aufgabe die Unterscheidung von "Fremd" und "Selbst" ist) mit RIG-I einen intrazellulären Rezeptor, der genau diese Struktur als PAMP erkennt und in der Folge eine antivirale Immunantwort auslöst.[1]

Literatur

Einzelnachweise

  1. http://www.sciencemag.org/content/314/5801/994.abstract Hornung et al.,Science 10 November 2006:Vol. 314 no. 5801 pp. 994-997. Originalpublikation in Science über die Erkennung von ungecapter RNA