Interne Ribosomen-Eintrittsstelle

Eine interne Ribosomen-Eintrittsstelle ( IRES ) ist ein RNA- Element, das die Translation unabhängig von der 5'-Cap-Struktur ermöglicht und somit Teil des Gesamtprozesses der Proteinbiosynthese ist . Die Translation in Eukaryoten beginnt fast immer an der 5'-Cap -Struktur der mRNA und ist von dieser abhängig. Dort bildet sich der Translationsinitiationskomplex, und die Ribosomen binden an die mRNA. IRES-Elemente hingegen ermöglichen es den Ribosomen, unabhängig von der 5'-Cap-Struktur an die mRNA zu binden und die Translation zu beginnen.

IRES-Sequenzen wurden erstmals 1988 in den RNA-Genomen des Poliovirus (PV) und ^des Enzephalomyokarditisvirus (EMCV) in den Laboren von Nahum Sonenberg ^{[ 1 ]} bzw. Eckard Wimmer [ ^{2 ]} entdeckt. Sie werden als distinkte Bereiche von RNA-Molekülen beschrieben, die das eukaryotische Ribosom an die mRNA rekrutieren können . Dieser Prozess wird auch als cap-unabhängige Translation bezeichnet. Es wurde gezeigt, dass IRES-Elemente eine distinkte Sekundär- oder sogar Tertiärstruktur aufweisen , jedoch wurden bisher keine ähnlichen Strukturmerkmale auf Primär- oder Sekundärstrukturebene beschrieben, die allen IRES-Segmenten gemeinsam sind.

Die Verwendung von IRES-Sequenzen in der Molekularbiologie wurde schnell üblich, da sie ein gängiges Werkzeug zur Expression mehrerer Gene aus einer einzigen Transkriptionseinheit in einem genetischen Vektor darstellt. In solchen Vektoren wird die Translation des ersten Cistrons an der 5'-Cap-Struktur initiiert, und die Translation jedes nachfolgenden Cistrons wird durch ein am 5'-Ende angehängtes IRES-Element ermöglicht. ^{[ 3 ]}

IRES-Elemente finden sich am häufigsten in der 5'-untranslatierten Region , können aber auch an anderen Stellen in mRNAs vorkommen. Die mRNA von Viren der Familie Dicistroviridae besitzt zwei offene Leserahmen (ORFs), deren Translation jeweils durch ein spezifisches IRES gesteuert wird. Es wurde auch vermutet, dass einige zelluläre mRNAs von Säugetieren IRES aufweisen, dies ist jedoch umstritten. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Viele dieser zellulären IRES-Elemente befinden sich in mRNAs, die Proteine ​​kodieren, welche für das Überleben unter Stressbedingungen und andere lebenswichtige Prozesse verantwortlich sind. Stand September 2009 sind 60 tierische und 8 pflanzliche Viren bekannt, die IRES-Elemente enthalten, sowie 115 mRNA-Sequenzen, die diese ebenfalls aufweisen. ^{[ 6 ]}

Viren nutzen IRES häufig, um die virale Translation aufrechtzuerhalten, wenn die Translation des Wirts gehemmt ist. Diese Mechanismen der Translationshemmung im Wirt sind vielfältig und können je nach Virustyp sowohl vom Virus als auch vom Wirt initiiert werden. Bei den meisten Picornaviren, wie beispielsweise dem Poliovirus , geschieht dies jedoch durch die proteolytische Spaltung von eIF4G, wodurch die Interaktion mit dem 5'-Cap -bindenden Protein eIF4E verhindert wird . Die Interaktion dieser beiden eukaryotischen Initiationsfaktoren (eIFs) des eIF4F- Komplexes ist für die Rekrutierung der ribosomalen 40S-Untereinheit an das 5'-Ende der mRNA notwendig . Man geht davon aus, dass dies mit der Bildung der Poly(A)-Schwanzschleife zwischen dem 5'-Cap und dem 3'- Poly(A)-Schwanz der mRNA einhergeht . Das Virus kann sogar partiell gespaltenes eIF4G nutzen , um die IRES-vermittelte Translation zu initiieren.

Zellen können IRES auch nutzen, um die Translation bestimmter Proteine ​​während der Mitose und des programmierten Zelltods zu erhöhen . In der Mitose dephosphoryliert die Zelle eIF4E , sodass es nur noch eine geringe Affinität zur 5'-Cap-Struktur aufweist . Dadurch werden die 40S-ribosomale Untereinheit und die Translationsmaschinerie zu den IRES innerhalb der mRNA umgeleitet. Viele an der Mitose beteiligte Proteine ​​werden von IRES-mRNA kodiert. Beim programmierten Zelltod führt die Spaltung von eIF-4G, beispielsweise durch Viren, zu einer verminderten Translation. Der Mangel an essentiellen Proteinen trägt ebenso zum Zelltod bei wie die Translation von IRES-mRNA-Sequenzen, die für Proteine ​​kodieren, die den Zelltod steuern. ^{[ 7 ]}

Der Mechanismus viraler IRES-Funktionen ist bisher besser charakterisiert als der zellulärer IRES-Funktionen ^{[ 8 ]} , der weiterhin Gegenstand der Forschung ist. HCV -ähnliche IRES binden direkt an die 40S -ribosomale Untereinheit und positionieren ihre Initiationscodons ohne mRNA-Scanning in der ribosomalen P-Stelle . Diese IRES nutzen weiterhin die eukaryotischen Initiationsfaktoren (eIFs) eIF2 , eIF3 , eIF5 und eIF5B , benötigen aber nicht die Faktoren eIF1 , eIF1A und den eIF4F- Komplex. Im Gegensatz dazu binden Picornavirus- IRES nicht direkt an die 40S-Untereinheit, sondern werden über die eIF4G -Bindungsstelle rekrutiert ^{[ 9 ]} . Viele virale (und zelluläre) IRES benötigen zusätzliche Proteine, sogenannte IRES -Trans -Acting-Faktoren (ITAFs), um ihre Funktion zu vermitteln. Die Rolle der ITAFs in der IRES-Funktion wird noch untersucht.

Die Untersuchung von Sequenzen auf potenzielle IRES-Funktion basierte im Allgemeinen auf bicistronischen Reporter -Assays . Dabei wird ein potenzielles IRES-Segment in ein Plasmid zwischen zwei Cistrons eingefügt , die für zwei verschiedene Reporterproteine ​​kodieren. Ein Promotor stromaufwärts des ersten Cistrons steuert die Transkription beider Cistrons in eine einzige mRNA. Zellen werden mit dem Plasmid transfiziert, und anschließend werden Assays durchgeführt, um die Expression der beiden Reporter in den Zellen zu quantifizieren. Ein Anstieg des Expressionsverhältnisses des nachgeschalteten Reporters zum vorgeschalteten Reporter gilt als Beleg für IRES-Aktivität in der Testsequenz. Ohne Charakterisierung der von solchen Plasmiden produzierten mRNA-Spezies können jedoch andere Erklärungen für den Anstieg dieses Verhältnisses nicht ausgeschlossen werden. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Beispielsweise sind mehrere Fälle bekannt, in denen vermutete IRES-Elemente später als Promotor- funktionell beschrieben wurden. Unerwartete Spleißaktivität innerhalb mehrerer beschriebener IRES-Elemente wurde auch als Ursache für die scheinbare IRES-Funktion in bicistronischen Reportertests identifiziert. ^{[ 10 ]} Ein Promotor oder Spleißakzeptor innerhalb einer Testsequenz kann zur Produktion monocistronischer mRNA führen, deren nachfolgendes Cistron durch konventionelle cap-abhängige anstatt durch IRES-vermittelte Initiation translatiert wird. Eine spätere Studie, die eine Vielzahl unerwarteter, aberranter mRNA-Spezies aus Reporterplasmiden dokumentierte, zeigte, dass Spleißakzeptorstellen sowohl IRES- als auch Promotorelemente in Tests mit solchen Plasmiden imitieren können. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, Ergebnisse von Reporterassays ohne sorgfältige RNA-Analyse mit Vorsicht zu interpretieren. ^{[ 11 ]}

IRES-Sequenzen werden in der Molekularbiologie häufig verwendet, um mehrere Gene unter der Kontrolle desselben Promotors zu koexprimieren und so eine polycistronische mRNA nachzuahmen. In den letzten Jahrzehnten wurden IRES-Sequenzen zur Entwicklung hunderter genetisch veränderter Nagetiermodelle eingesetzt. ^{[ 12 ]} Der Vorteil dieser Technik liegt in der verbesserten Handhabung der Moleküle. Der Nachteil der Verwendung einer IRES besteht darin, dass die Expression jedes nachfolgenden Gens abnimmt. ^{[ 13 ]}

Ein weiteres virales Element zur Etablierung polycistronischer mRNA in Eukaryoten sind 2A-Peptide . Hierbei sind die potenzielle Verringerung der Genexpression und der Grad der unvollständigen Trennung von Proteinen kontextabhängig. ^{[ 14 ]}

• Ribosomenbindungsstelle
• Ribosomen-Shunting
• RAN-Übersetzung

• IRESite
• Malys N , McCarthy JE (März 2011). „Translationsinitiierung: Variationen im Mechanismus sind zu erwarten“ . Cellular and Molecular Life Sciences . 68 ( 6): 991–1003 . doi : 10.1007/s00018-010-0588-z . PMC  11115079. PMID  21076851. S2CID  31720000 .