RNA: Definition, Aufbau, Funktion

RNA, mRNA, Nukleinsäuren, DNA – viele Begriffe, die leicht zu verwechseln sind. Wie grenzen sie sich voneinander ab und wie sind sie verknüpft? Und was hat die RNA mit Impfungen zu tun? Dieser Artikel schafft Ordnung in das Gedankenchaos und beschäftigt sich mit der Definition der RNA, ihren Aufgaben und unterschiedlichen Subtypen.

RNA – Definition

Die Ribonukleinsäure (engl. ribonucleic acid, RNA) ist ein Makromolekül, welches aus Nukleotiden zusammengebaut ist. Diese lagern sich zu einer einfachen Helix zusammen. Ein Nukleotid besteht jeweils aus einer Base, einem Zucker- und einem Phosphatteil.

Der Name ergibt sich aus diesen Bestandteilen:

• Ribo-: Ribose, der Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen und einer Hydroxygruppe (OH)
• -nukleinsäure: Aufbau des Makromoleküls aus Nukleotiden und die chemische Eigenschaft als Säure

RNAs kommen im Zellkern und im Zytoplasma einer Zelle vor und übernehmen wichtige Aufgaben in der Proteinbiosynthese, wo sie den Bauplan für die zu bildenden Proteine darstellen. In Viren können sie auch Träger der Erbinformation sein, diese Aufgabe übernimmt allerdings beim Menschen eher die DNA.

RNA – Biochemischer Aufbau

Die Grundeinheit der RNA bilden die Nukleotide. Sie bestehen aus einer Base, einem Zucker (Pentose) und einem Phosphatrest. Die Base ist ein Derivat (Abkömmling) von einem Purin- oder Pyrimidinmolekül:

• Adenin (A): ein Purin
• Guanin (G): ein Purin
• Cytosin (C): ein Pyrimidin
• Uracil (U): ein Pyrimidin, ausschließlich in der RNA
• Hypoxanthin: seltene Base in der RNA, meistens im Rahmen des RNA-Editings
• weitere ungewöhnliche oder modifizierte Basen, besonders in rRNAs oder rRNAs, wie etwa Pseudouridin oder Dihydrouracil

Da die Ribonukleinsäure ein einsträngiges Molekül ist, gehen die Basen bei einfacher Betrachtung der RNA keine Bindung ein. Doch auch sie können nach dem Prinzip der Basenpaarung komplementär ergänzt werden. Dabei bindet an Adenin immer Thymin bei Bindung an eine DNA oder Uracil bei Bindung an eine RNA, an Guanin immer Cytosin und umgekehrt und an Uracil immer Adenin. Das ist die Grundlage, damit die RNA ihre Funktion ausüben kann.

Der Zucker ist die Pentose Ribose, ein Fünferring. An dem C2-Atom ist eine Hydroxygruppe angelagert, die der Desoxyribose fehlt. Der Zucker und die Base sind mittels einer N-glykosidischen Bindung verknüpft.

Ein Nukleotid kann bis zu drei Phosphatreste besitzen, wovon der erste Rest an die Ribose mittels einer Phosphorsäureesterbindung angelagert ist. Untereinander verknüpfen sie sich durch Phosphorsäureanhydridbindungen.

Die Nukleotide binden über Phosphodiesterbrücken der Ribosen aneinander und bilden damit eine Kette, wobei das Rückgrat aus dem Zucker und Phosphatrest besteht. Die Kette ist bei RNAs meistens kürzer als die DNA, kann aber in ihrer Länge stark variieren und reicht von unter 100 Nukleotiden bis hin zu mehreren tausend Nukleotiden.

Unterschiede und Gemeinsamkeiten zur DNA

Abgesehen von den sich unterscheidenden Aufgaben und der Länge, zeigt sich die DNA in ihrer typischen Doppelhelix, während die RNA typischerweise als Einzelstrang vorliegt. Sie kann aber auch abschnittweise eine Doppelhelix bilden. Außerdem gibt es in der DNA die Base Uracil (U) nicht, diese ist lediglich Bestandteil der RNA und wird analog zu Thymin (T) eingebaut.

Ein weiterer Unterschied lässt sich im Namen erkennen: Desoxyribonukleinsäure besagt, dass das Zuckermolekül (Ribose) eine Hydroxylgruppe weniger besitzt (desoxy) als die RNA. Dadurch ist die DNA stabiler gebaut.

Trotzdem folgen beide Typen dem gleichen Aufbau aus Nukleotiden und dem Prinzip der Basenpaarung. Dadurch können beide miteinander interagieren und sogar verschmelzen, wenn die Basen komplementär zueinander liegen.

RNA – Subtypen und ihre Funktionen

Es existiert nicht nur die eine RNA, sondern viele verschiedene Formen, wodurch sie eine Bandbreite von unterschiedlichen Funktionen übernimmt. Diese sind in den folgenden Abschnitten hinsichtlich ihrer Struktur und Aufgaben ausgeführt.

Messenger RNA (mRNA) und heterogene nukleäre RNA (hnRNA)

Die mRNA ist eine codierende RNA, die als Bauplan (Matrize) für die Translation von Proteinen dient. Im Rahmen der Transkription entsteht sie aus einer DNA-Vorlage im Zellkern und wandern dann in das Zytoplasma zu den Ribosomen.

Die Länge und Struktur ist abhängig von der Matrize, also dem DNA-Abschnitt, der zur mRNA transkribiert wurde. Sie entspricht dem komplementären Bild der übertragenen DNA. Außerdem enthält das primäre Transkript der mRNA bei Eukaryoten noch eine Cap-Struktur am 5′-Ende und einen Poly(A)-Schwanz am 3′-Ende.

Bevor das Stadium der mRNA erreicht wird, entsteht genau genommen direkt nach der Transkription im Zellkern die heterogene nukleäre RNA (hnRNA). Bevor sie als mRNA den Zellkern verlassen kann, findet eine posttranskriptionale Modifikation, wie eben genanntes Capping, die Polyadenylierung und das Spleißen statt.

Transfer RNA (tRNA)

Im Zytosol schwimmen die tRNA-Moleküle herum. Sie bestehen aus 65 bis 110 Nukleotiden und weisen eine typische kleeblattförmige Struktur auf. Sie sind eine der wenigen Formen der RNA, die stellenweise doppelsträngig sind.

Die tRNA weist einige charakteristische Merkmale auf:

• Anticodonschleife: Mit einer Bindestelle erkennt sie eine komplementäre mRNA-Sequenz (Codon), wodurch sie an diese binden kann. Die Bindestelle besteht aus drei Basen, dem sogenannten Anticodon.
• Bindestelle einer Aminosäure: Jede tRNA bindet eine Aminosäure, den Grundbaustein jedes Proteins. Die Stelle befindet sich am 3’OH-Ende und enthält die Sequenz CCA.
• modifizierte Basen: Dihydrouridin und Pseudouridin befinden sich in jeweils einer der Schleifen der tRNA und geben ihnen ihre Namen (Dihydrouridinschleife und T-Arm). Sie stabilisieren die räumliche Struktur der tRNA.

Zusammengefasst enthält die tRNA Codons, mit denen sie eine Aminosäure binden und sich selbst an die mRNA anlagern kann. Deshalb gilt sie als Adaptermolekül in der Proteinbiosynthese, sie übersetzt die Nukleotidsequenz der mRNA in eine Aminosäuresequenz der Peptidkette. Sie sammelt im Zytoplasma die Aminosäuren ein und bringt sie zum Ribosom, wo die mRNA bindet und die Translation stattfindet.

Ribosomale RNA (rRNA)

Die Ribosomen selbst bestehen aus der ribosomalen RNA (rRNA), welche somit als Katalysator der Translation dient. Man unterschiedet bei Eukaryoten zwischen 5S-, 5,8S-, 18S- und 28S-rRNA, wobei S die Svedberg-Einheit bezeichnet, den Sedimentationskoeffizienten. Die Klassifikation erfolgt nach der Sedimentation, die durch die unterschiedliche Masse und Form verschieden ausfällt.

Die 28S-rRNA bildet spezifisch die Peptidbindung und ist damit ein Ribozym. Gemeinsam mit der 5S- und 5,8S-rRNA ist sie Bestandteil der großen ribosomalen Untereinheit, während die 18S-rRNA die kleine Untereinheit bildet.

Small nuclear und small nucleolar RNAs (snRNA bzw. snoRNA)

Die small nuclear RNA (snRNA) ist ein Klasse von nicht-codierenden RNAs, die sich im Zellkern befinden. Sie sind Bestandteil des Spleißosoms und damit am Vorgang des Spleißens der hnRNA beteiligt.

Nicht damit zu verwechseln ist die small nucleolar RNA (snoRNA), welche sich im Nukleolus des Zellkerns befinden. Sie modifizieren selbst andere RNA-Moleküle, wie die rRNAs.

MikroRNA (miRNA) und small interfering RNA (siRNA)

Die mikroRNA zählt zur Klasse der nicht-codierenden, regulatorischen RNAs. Das bedeutet, dass aus ihnen keine Proteine gebildet werden, sondern sie Einfluss auf die Genexpression nehmen. Im Genom sind sie in Introns codiert. Genau genommen binden sie an komplementäre mRNAs, die dadurch abgebaut werden und verhindern somit, dass die Translation stattfindet. Strukturell sind sie sehr kurz mit einer Länge von 20 bis 30 Nukleotiden.

Ebenfalls so klein sind die small interfering RNAs (siRNAs), die zur gleichen Klasse gehören wie die miRNAs. Sie verwenden den gleichen Mechanismus des Gene Silencing, werden aber nur experimentell eingesetzt oder entstehen bei viraler Infektion. Sie kommen also nicht von Anfang an in der Zelle vor, sondern werden von außen in die Zelle eingebracht.

RNA-Inferferenz

Der Vorgang, den beide Moleküle ausführen ist auch als RNA-Inferenz bekannt (RNAi). Dabei schalten kurze RNAs spezifische Ziel-RNAs aus. Das Ziel ist die Herunterregulation der Genexpression (Gene silencing) und eine Abwehr von zellfremder RNA, wobei letzteres Teil der unspezifischen Immunantwort gegen Viren ist.

Durch den Vorgang inhibieren die regulatorische RNAs die Translation und destabilisieren die mRNA, was mit dem Abbau der mRNA endet.

RNA-Bestandteile anderer Moleküle

Die RNA bildet auch Abschnitte von anderen Molekülen. Dazu zählt zum einen die small cytoplasmic RNA (scRNA) als Teil des Signalerkennungspartikels und zum anderen die human telomerase RNA (hTR) als Teil der Telomerase.

Die scRNA ist gemeinsam mit sechs Proteinen Bestandteil des signal recognition participle (SRP). Es kommt im Zytoplasma vor und transportiert die neu entstandenen Proteine vom Ribosom zu den verantwortlichen Kompartimenten in der Zelle. Auch diese RNA weist viele doppelhelikale Strukturen auf.

Die Telomerase ist eine DNA-Polymerase, welche Telomere verlängern kann und funkgiert als Reverse Transkriptase. Sie ist besonders bei sich häufig teilenden Zellen wichtig, da sie den Verlust von Strukturgenen verhindert. Die hTR dient als Vorlage für die Abschnitte, die die Telomerase wieder auffüllt und besteht aus der spezifischen Sequenz 5′-UAACCCUA-3′.

Weitere Typen

Neben den bisher aufgezählten Formen gibt es viele weitere kleinere Subtypen. Dazu zählen folgende:

• piRNA: piwi-interacting RNA
• lncRNA: large non-coding RNA
• crRNA: clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR-RNA)
• tracrRNA: transactivating CRISPR-RNA)
• gRNA: guide RNA
• shRNA: small hairpin RNA

Sie besitzen regulatorische Funktionen und kommen in Bakterien im Rahmen ihres CRISPR-System vor. Die gRNA ist aber beispielsweise eine synthetische RNA als Bestandteil der CRISPR/Cas9 Methode in der Gentechnik.

RNAs übernehmen also nicht nur im Körper wichtige Aufgaben, sondern können sich auch im Rahmen der Forschung und Gentechnik zu Nutze gemacht werden (siehe Infobox “Was ist die mRNA-Impfung?”).