Hírvivő RNS

A hírvivő RNS vagy angolos rövidítéssel mRNS (messenger RNA) egyszálú ribonukleinsav, amely az örökletes genetikai információt közvetíti a sejtek információit tároló DNS molekulából a fehérjeszintézis helyszínére, a riboszómákhoz. Miután az mRNS átíródott a DNS-ről, az eukarióta sejtekben jelentős módosulásokon megy keresztül (baktériumokban ez a fázis elmarad), majd a citoplazmába kerül, ahol a riboszómákhoz kapcsolódva az adenin, citozin, guanin, uracil nukleobázisok szekvenciája alapján elkészülnek az új proteinek.

Bővebben: A molekuláris biológia centrális dogmája

Az mRNS életciklusa eukarióta sejtben. Az RNS a sejtmagban átíródik a DNS-ről, modifikáció után kikerül a citoplazmába, ahol a riboszómákon végbemegy a transzláció folyamata. Végül az mRNS lebomlik

Egy mRNS és több tRNS-molekula így működik együtt peptidek vagy fehérjék előállítására a riboszómában. A fehérjeszintézis során, az mRNS-t tervrajzként használva, a riboszóma aminosavakat rögzít egymáshoz megfelelő sorrendben, peptidkötéseken keresztül. Ebben a folyamatban a tRNS az aminosavak szállítását végzi

Az mRNS néhány száz vagy néhány ezer nukleotid alapegységekből álló lineáris polimer molekula. Az mRNS-ről lefordításra kerülő tripleteket Sydney Brenner nevezte el az ötvenes évek végén kodonoknak. Az mRNS szerkezetének kódoló részén három triplet nukleotid határoz meg (a genetikai kódszótárban 5’→3’ irányban felírt RNS kodonok vannak aminosavakhoz rendelve^[1]) egy aminosavat a fehérjékben, a genetikai kódnak megfelelően.

Az 1950-es évek végére a molekuláris biológia előtt nem volt még válasz arra a kérdésre, hogy a DNS-ből származó információk hogyan alakulnak át fehérjékké. Az mRNS létét először a Nobel-díjas Jacques Monod és François Jacob feltételezte, majd ennek alapján Jacob, Sydney Brenner és Matthew Meselson fedezte fel a molekulát 1961-ben.^[2] 2020-ban az mRNS-kutatások eredményei nyitottak utat a világjárványt okozó SARS-CoV-2 vírus fertőzés legyőzéséhez.^[3] Az emberi sejtekben lévő messenger RNS (mRNS) módosított változatának megtervezése, majd a célba juttatására szolgáló rendszer kifejlesztése révén Karikó Katalin és Drew Weissman kutatómunkája alapozta meg a Pfizer/BioNTech és a Moderna gyógyszergyártók által kifejlesztett védőoltások technológiáját.^[4]

Felépítése

A DNS- és RNS-molekulához hasonlóan a hírvivő RNS is nukleotidokból épül fel. A nukleotidok foszforsavat, öt szénatomos cukrot (pentóz), és nitrogén tartalmú szerves bázist tartalmaznak. Az RNS-ek pentózként ribózt, szerves bázisként pedig adenint, guanint, citozint, valamint a DNS-molekuláktól eltérően timin helyett uracilt tartalmaznak. Minden RNS-molekula egyetlen polinukleotid-szálból épül fel, amely változatos másodlagos térszerkezetet vehet fel.

Az mRNS életciklusa

A molekuláris biológia központi dogmájának áttekintése

Az egyszálú RNS és a kettős szálú DNS megfelelő nukleobázisainak összehasonlítása

Az exonok és intronok egyszerűsített ábrázolása a pre-mRNS-ben, a pre-mRNS a splicingnek nevezett mechanizmus révén kész mRNS-t termel

Az mRNS-molekula a transzkripcióval kezdi létét, melynek során a DNS egyik száláról az RNS-polimeráz enzim, annak szekvenciája alapján RNS-másolatot készít. Bakteriális sejtekben ez a másolat máris képes ellátni a funkcióját és gyakran már akkor rákapcsolódnak a riboszómák, mielőtt a transzkripció teljesen véget érne. Eukarióta sejtekben azonban az RNS-polimeráz egy enzimkomplexum része, amely ezt a prekurzor mRNS-t (pre-mRNS-t) modifikálja, "érett mRNS-sé" alakítja át.

Poszttranszkripciós módosítások

Az 5' cap szerkezete

5' cap: az érett mRNS (leolvasási szempontból) elején, az 5' végén elhelyezkedő első nukleotidhoz egy 7-metilguanozin molekula kapcsolódik 5'-5' trifoszfátkötéssel. Ez az úgynevezett "sapka" (angolul cap), amelynek megléte alapvető fontosságú ahhoz, hogy a riboszóma felismerje az mRNS-t, a sejt ribonukleázai (RNáz) viszont ne bontsák le. Prokarióta sejtek, illetve mitokondriumok és kloroplasztiszok mRNS-ein nincs sapka.

Az 5' cap nem sokkal a transzkripció megkezdése után, még az átírás befejezése előtt kapcsolódik az mRNS első nukleotidjához a transzkripciós komplex egyik enzime révén.

Splicing: Az eukarióta gének több nem-kódoló szakaszt, úgynevezett intront tartalmaznak. Ezek a transzkripció során átíródnak az mRNS-be, de aztán a splicing (szplájszing) folyamata révén kivágódnak belőle és a riboszómákig már csak a kódoló szekvencia jut el. Egyes gének esetében az enzimek a kódoló szakaszok egy részét is kivágják, és ennek szabályozásával egy génről eltérő fehérjék készíthetők (alternatív splicing). A splicingot többnyire egy enzimkomplexum végzi, de egyes RNS-molekulák maguk is rendelkeznek enzimaktivitással (ribozimek) és képesek maguk elvégezni a splicingot.

Ritka esetekben a kódoló szakaszt is megváltoztatják. Az ember esetében az apolipoprotein B mRNS-t bizonyos szövetekben módosítják, korai stopkodont hoznak létre benne, amely megállítja a transzlációt, és rövidebb fehérjék jönnek létre.

Poliadeniláció: az érett mRNS 3'-végén egy hosszú, akár sok száz adenilcsoportból álló poli(A) farok található (vagyis szekvenciája AAAAA...). Újabban felfedezték, hogy rövid uridilszakaszok is betölthetik a szerepét.^[5] A poli(A) farok megvédi az mRNS-t a lebontó nukleázoktól, segíti a transzportját és a transzlációt. Prokarióta mRNS is lehet poliadenilálva, de ott a "farok" nemhogy védene a nukleázoktól, hanem elősegíti a lebontást.

A poliadenilációra közvetlenül az átírás után (vagy akár közben) kerül sor. Az RNS-polimeráz emzimkomplexumának egyik tagja levágja a molekula végét és a poliadenilát-polimeráz enzim kb. 250 adenilcsoportot kapcsol a 3'-véghez. Akárcsak a splicing esetében, a poliadenilációnak is több alternatív variációja lehetséges.

Transzport

A prokarióták esetében nincs szükség transzportra, mert a DNS és a riboszómák nincsenek térben elválasztva egymástól. Az eukarióták esetében, azonban a sejtmagban elhelyezkedő kromoszómáktól ki kell szállítani az mRNS-t a citoplazmába.^[6] Az érett mRNS 5' cap-jét a CBP20 és CBP80 proteinek^[7] és a transzkripciós/export komplex (TREX)^[8][9] ismeri fel, és áttranszportálják a maghártya pórusain. A transzportnak több útvonala is lehetséges.^[10] Az idegsejtek esetében a sejttestben elhelyezkedő magból a dendritek riboszómáiig az mRNS-nek jelentős távolságot kell megtennie.

Transzláció

Baktériumok esetében a transzláció azonnal megkezdődik az átírás után, sőt esetenként már közben is (ún. transzkripcióhoz kapcsolt transzláció).

Az eukarióta mRNS-t a citoplazmában szabadon úszó vagy az endoplazmatikus retikulumhoz kötött riboszómák kötik meg (utóbbi esetben a szignálfelismerő részecskék vezetik oda). A kapcsolódás után a riboszómák az mRNS szekvenciája alapján a transzfer RNS-ek által szállított aminosavakból megszintetizálják a fehérjét.^[11]

Az eukarióta mRNS-ek többnyire monocisztronikusak (a cisztron az a génszakasz, amelyről egy fehérje íródik át), vagyis egy protein készül róluk.^[12][13] A baktériumok (beleértve a mitokondriumokat is^[14]) hírvivő RNS-ei azonban gyakran több nyitott leolvasási keretet (open reading frame, ORF) tartalmaznak és több polipeptidlánc készülhet róluk. Ezek a fehérjék általában hasonló funkciójúak és együttesen operonokat alkotnak.

Szerkezete

Az mRNS bázissorrendjének lefordítása a riboszómán történik. Az első kodonokat Marshal Nirenberg határozta meg 1961-ben.^[15] A sejtplazmában minden tRNS bázishármasával kapcsolódó része az antikodon, amely a komplementaritás alapján felismeri az mRNS molekulában a kodont. Az olvasás mindig a lánckezdő metionintól (AUG) kezdődik, és a stop jelig tart, amelyhez nem kapcsolódik aminosav.

Érett mRNS szerkezete. A transzlációra kész mRNS 5' cap-et, 5' UTR-t, kódoló szakaszt, 3' UTR-t és poli(A) farkat tartalmaz

Kódoló szakasz

Az RNS-interferencia egyszerűsített folyamata: a sejtbe bejutó kettős szálú RNS-t a dicer enzim rövid szakaszokra vágja, amelyek beépülnek a RISC komplexbe; utóbbi minden hasonló szekvenciájú mRNS-t lebont

A kódoló szakasz szekvenciája fehérjékké íródik át a genetikai kódnak megfelelően. Ez a régió egy startkodonnal kezdődik és stopkodonnal ér véget. A startkodon általában az AUG hármas, amely eukariótákban metionint kódol, míg prokariótákban a startkodon az N-formilmetionint (módosult aminosavat) jelenti. A stopkodon az UAA, UAG vagy UGA. A kódoló szakasz esetenként másodlagos RNS-szerkezetet vehet fel, amely megvédi a lebontó enzimektől,^[16][17] vagy olyan szekvenciák lehetnek benne, amelyek elősegítik vagy gátolják az intronok splicingját.

Átíratlan régiók

Az érett mRNS-ben a kódoló szakasz előtt és után fehérjévé át nem írt régiók találhatók, angol rövidítéssel ezeket UTR-nek hívják (untranslated region), elhelyezkedésüknek megfelelően 5'UTR-nek vagy 3'UTR-nek. Ezeknek a szekvenciáknak különböző funkciókat tulajdonítanak, szerepük lehet az mRNS stabilitásában, transzportjában és a transzláció hatékonyságában egyaránt.

Az UTR-ek védhetik az mRNS-t a lebontás ellen (vagy ellenkezőleg, elősegíthetik azt) aszerint, hogy csökkentik vagy növelik kapcsolódási képességét a lebontó ribonukleázokhoz vagy a lebontást segítő másodlagos proteinekhez. Egyes fehérjék kapcsolódhatnak az UTR-ekhez, amelyek befolyásolják a riboszómák mRNS-kötő képességét, sőt esetenként teljesen megakadályozhatják a transzlációt. A 3'UTR-hez mikroRNS-ek is kötődhetnek, ahol a fehérjékhez hasonló hatást fejthetnek ki.

Feltételezik, hogy az mRNS szállítási helye a citoplazmában is a 3'UTR-ben van kódolva.

Egyes esetekben az UTR-ek RNS-e olyan másodlagos struktúrát vehet fel, amely saját maga képes kisebb molekulákat megkötni és változtatni a transzláció hatékonyságát (ún. ribokapcsolók, riboswitch-ek). Ilyenkor az RNS saját magát szabályozza.

Lebomlás

A különböző génekről készült mRNS-ek élettartama nagyon változó lehet, baktériumokban néhány másodperctől több mint egy óráig, emlősökben pár perctől akár napokig is megmaradhatnak.^[18] Minél stabilabb egy mRNS, annál több fehérje készül róla. Az RNS stabilitását regulálva a sejt befolyásolhatja a proteinszintézis mértékét és alkalmazkodni tud a környezet gyors változásaihoz.

Prokarióták

A bakteriális mRNS élettartama általában jóval rövidebb, mint az eukariótáké. Az RNS-t lebontóenzimek kombinációjával tüntetik el, amelyek közé endonukleázok (az RNS-lánc belsejében hasítanak) és 5' vagy 3' exonukleázok (amelyek a lánc valamelyik végéről kezdik a bontást) tartoznak. Egyes esetekben kis (pár tíz vagy száz bázis hosszú) egyszálú RNS-ek kapcsolódnak a lebontásra ítélt mRNS-hez, hogy a kétszálú RNS-re specializálódott RNáz III is szerephez jusson.

Eukarióták

Egy infografika, amely elmagyarázza a SARS-CoV-2 mRNS vakcinák (és általában az mRNS vakcinák) működését

Az eukarióták esetében az 5'caphoz kapcsolódó transzlációs iniciációs faktorok (eIF-4E és eIF-4G) és a poli(A) farok-kötő protein védi az mRNS-t a bontóenzimektől. Az RNS-bontást az ún. P-testek (processzáló testek) és az exoszómák végzik.^[19] A feleslegessé vált mRNS-eken erre specializálódott exonukleázok rövidítik meg a poli(A) farkat.

Az RNS-interferencia folyamata is az mRNS-ek lebontásával szabályozza a génexpressziót. A feltevések szerint főleg vírusellenes sejten belüli védekezési mechanizmus során kis, 20-25 nukleotidból álló RNS-szakaszok kapcsolódnak a hírvivő RNS-hez és a kettős szálú RNS-ekre specializálódott RNázok pedig lebontják őket.^[20]

Alkalmazása

A hírvivő RNS felhasználható bármely fertőzés szimulációjaként. Amikor egy oltóanyag célja, hogy kiváltsa az immunrendszer reakcióját egy kórokozó ellen anélkül, hogy az betegséget okozna. Az mRNS-t a sejtbe juttatva olyan fehérjék termelésére késztetik a szervezetet, amelyek betegségek vagy fertőzések gyógyítására alkalmasak. 2020-ban a COVID-19 járvány ellen dolgoztak ki olyan RNS-alapú vakcinákat, amelyek elkészítéséhez többek között Karikó Katalin mRNS-terápiás szabadalma is hozzájárult. A kifejlesztett vakcina alapvetően biotechnológiai módszerrel módosított hírvivő RNS molekulákat tartalmaz, az immunrendszert serkentő vírusfehérje egy lipid nanorészecskébe zárva jut a szervezetbe. Az mRNS alapú védőoltás beadása után, az mRNS molekulák a véráramon keresztül a vérsejtek citoplazmájába kerülnek, ezután a fertőző vírus elleni sikeres védekezéshez szükséges fehérje előállítását már az immunrendszer végzi el.^[21][22][23]