5'-Cap-Struktur

Die Cap-Struktur ist eine Modifizierung des 5’-Endes, die bei allen eukaryotischen mRNAs und vielen noncoding RNAs gefunden wird. Dabei handelt es sich meist um ein modifiziertes Guanin-Nukleotid, welches während der Transkription des Gens über eine seltene 5’-5’-Phosphodi-Esterbindung an das Kopfende der RNA geknüpft wird (man spricht dabei von Capping).

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Diese Kappen-Struktur erhöht die Stabilität der RNA dramatisch und ist wichtig für den Transport der RNA aus dem Kern in das Cytoplasma und die darauf folgende Translation der mRNAs durch die Ribosomen. Capping findet wie auch das Splicing und die Polyadenylierung (Tailing) cotranskriptionell statt, d.h. noch während die RNA-Polymerase die RNA synthetisiert. Man spricht daher auch von einer RNA-Fabrik (vgl. Splicing).

Welche Cap-Strukturen gibt es?

  Bei messenger RNAs, die durch die RNA-Polymerase II transkribiert werden, findet sich die klassische m⁷G-Cap. Hier wird (nach Hydrolyse des terminalen gamma 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 unter Verbrauch von S-Adenosylmethionin (SAM / Adomet, universeller Methylgruppendonor) methyliert, es resultiert: 5’-5’ m⁷GpppN. Zusätzlich treten weitere Methylierungen der ersten Basen der mRNA auf, man spricht dann von Cap1, Cap2 usw.

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

Bei einigen snRNAs, die beim Splicing wichtige Funktionen wahrnehmen, findet sich die m₃G-cap, eine Abwandlung der m⁷G-cap, bei der während der Reifung im Cytoplasma zwei zusätzliche Methylgruppen auf Position 2 der Base übertragen wurden (m_2,2,7trimethyl-Guanosin-cap).

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).

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).

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 Exonucleasen 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 (CBC20 und CBC80) 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.