Recodierungw, recoding, gesteuerte Veränderung in der linearen, gerasterten Ablesung oder der Bedeutung von Codewörtern bei der Peptidsynthese am Ribosom ( vgl. Abb. ). Der genetische Code diktiert im Normalfall, in welche Aminosäuren eine Nucleinsäuresequenz (Nucleotidsequenz) übersetzt wird. Die Information (genetische Information) ist dabei sequentiell in Nucleotid-Tripletts (Basentriplett), den sog. Codonen (Codon), auf der messenger-RNA (mRNA) angeordnet, wobei Aminosäuren sowie Startsignale und Stopsignale eigene, spezifische Codonen besitzen. Bei einer Anzahl von mRNAs gibt es jedoch zusätzliche, hauptsächlich in der mRNA selbst gespeicherte Informationen, die bestimmen, in welcher Form der genetische Code angewendet werden soll. Diese werden als Recodierungssignale bezeichnet und können sowohl eine Änderung in der sequentiellen Translation der mRNA bewirken als auch die in den Codonen enthaltene Information modifizieren. Im ersten Fall kommt es zu einer temporären Auflösung der ansonsten linearen, nicht überlappenden Ablesung der mRNA; die Bedeutung einzelner Codonen entspricht jedoch unverändert der des universellen genetischen Codes. Im zweiten Fall bleibt das Lese-Raster erhalten, die Recodierungssignale führen aber zu punktuell unterschiedlicher Interpretation gleicher Codonen, d.h., Aminosäure-, Start- und Stop-Codonen können an bestimmten Positionen ihre bisherige Bedeutung zugunsten einer neuen, eventuell vom universellen Code abweichenden, verlieren. Die molekulare Untersuchung der Recodierung offenbart 2 Schlüsselkomponenten auf der mRNA: zum einen die Reaktionsstelle, an der es zur Recodierung kommt, zum anderen das die Recodierung auslösende Element, die Stimulationsstelle. Ein Beispiel für eine Veränderung der linearen Ablesung von mRNA stellt das Release-Factor-2-Gen (RF2) von Escherichia coli dar ( vgl. Abb. ), dessen Genprodukt bei der Termination der Translation benötigt wird. Die RF2-mRNA veranlaßt ca. 30% der Ribosomen, nach Codon 25 in das +1-Leseraster zu wechseln und damit ein vollständiges und aktives RF2-Protein zu synthetisieren. Das Recodierungssignal auf der mRNA besteht aus der Rastersprungstelle (Codon 25 und 26, wobei Codon 26 ein Stopcodon [UGA] ist) als Reaktionsstelle und einer aufwärts (upstream) gelegenen (bereits translatierten) Sequenz der Stimulationsstelle, die über eine Paarung mit komplementärer ribosomaler RNA den Rastersprung des Ribosoms auslösen kann. Es kommt zur Kompetition zwischen dem Terminationsfaktor RF2 (Terminator) selbst, der am UGA-Stopcodon zur Ablösung der mRNA vom Ribosom führt, und dem Rastersprung (frame-shift). Der Sinn der Recodierung ist in diesem Fall die Autoregulation der Menge an RF2-Protein, denn hohe Konzentrationen an RF2 führen zu verstärkter Termination an Codon 26, niedrige Konzentrationen an RF2 hingegen erhöhen den Prozentsatz an Rastersprungereignissen und lassen damit die Konzentration an RF2 wieder ansteigen. Ein wichtiges Element stellt Recodierung bei einer Klasse von Retroviren ( vgl. Abb. ) bzw. retroviralen Elementen dar, die eine große Gruppe von mRNA-Sequenzen zur Synthese von Fusionsproteinen enthalten. Hier besteht die Reaktionsstelle aus einer Heptanucleotid-Sequenz, an der das Ribosom, verursacht durch eine Tandem-Verschiebung der transfer-RNAs in der P-Bindungsstelle bzw. A-Bindungsstelle im Ribosom, in das –1-Leseraster springen kann. Die Stimulationsstelle befindet sich hier abwärts (downstream) der Rastersprungstelle in Form einer Haarnadelschleife oder Pseudoknotenstruktur. Ein ähnliches Ereignis findet bei der Expression des dnaX-Gens in E.coli statt. Auch chromosomale Gene Höherer Organismen können eine ähnliche Form der Expressionsregulation durch Rastersprung während der mRNA-Translation aufweisen. Beispiel hierfür ist das Antizym – ein Enzym, welches das Protein Ornithin-Decarboxylase destabilisiert. Die Rastersprungeffizienz ist dabei über die Konzentration an Polyaminen reguliert. Ein extremes Beispiel für Recodierung durch Rastersprung wurde beim T4-Gen 60 Hop (Hop von engl. hopping) entdeckt ( vgl. Abb. ). Hierbei besteht die Reaktionsstelle aus 2 identischen GGA-Codonen, die über 50 Nucleotide auseinanderliegen. Am ersten Codon angelangt, springen fast 100% der Ribosomen zum zweiten GGA-Codon, um den Kettenabbruch durch ein Stopcodon, das im Zwischenbereich der beiden Codonen liegt, zu vermeiden und ein vollständiges Protein zu synthetisieren. Die RNA zwischen den beiden GGA-Codonen ist dabei zu einer räumlichen Struktur gefaltet. Die stimulatorischen Signale der Recodierung sind in diesem Fall sowohl in der mRNA selbst als auch in der naszierenden Polypeptidkette lokalisiert. – Der zweite Typ von Recodierung verändert die Bedeutung von Codonen. Beispiel hierfür ist der Einbau der Aminosäure Selenocystein (SeCys) bei der Proteinbiosynthese ( vgl. Abb. ). Es existiert kein nur für den Einbau von SeCys reserviertes Codon. Statt dessen wird SeCys durch mRNA-interne UGA-Codonen codiert, die normalerweise zu den Stop-Codonen zählen und Kettenabbruch verursachen. Dieser Bedeutungswandel ist für mehrere Säuger- und bakterielle Gene beschrieben. Im Gen des Selenoproteins P-Plasmaprotein in Säugern z.B. kommen 10 UGA-Codonen vor, von denen mindestens 7 für Selenocystein codieren. Ein UGA-Codon allein ist jedoch eindeutig nicht ausreichend, um für Selenocystein zu codieren, da keine Unterscheidung zu wirklichen UGA-Stop-Codonen möglich wäre. Bei Bakterien weiß man inzwischen, daß eine spezifische minor-transfer-RNA, ein spezifischer Elongationsfaktor und eine besondere Sequenz auf der messenger-RNA, die unterhalb der Recodierungsstelle liegt, für die Selenocystein-Insertion notwendig sind. Bei Säugern ist darüber noch weniger bekannt; jedoch ist klar, daß auch hier abwärtsliegende Sequenzen auf der mRNA essentiell sind. Ferner ist bekannt, daß diese Information in 1 Fall mehr als 200 Basenpaare unterhalb des UGA-Codons in einem bereits nicht mehr codierenden Abschnitt der mRNA liegt. Ein ähnliches Recodierungsprinzip wurde bei Retroviren gefunden. Hier kann ein Stop-Codon in Abhängigkeit von einer unterhalb liegenden Pseudoknotenstruktur als Aminosäurecodon gelesen werden und führt zur Synthese eines Fusionsproteins. Bei den bisher untersuchten Recodierungsereignissen bleibt offen, ob die stimulatorischen Sequenzen die Translationsrate beeinflussen oder ob diese Sequenzen mit den Ribosomen interagieren – möglicherweise über assoziierte Proteine. Die bisher vorhandenen Daten zeigen eine Universalität des Recodierungsprinzips auf; die Recodierungsregeln können dabei bedingt als übergeordneter genetischer Code verstanden werden. Komplexität und Vielzahl der beteiligten Komponenten zeigen jedoch keine einfache Eins-zu-Eins-Übersetzung an, wie man sie für einen echten Code erwarten würde. Die Entdeckung weiterer Recodierungsprinzipien ist anzunehmen, und es wird vermutet, daß Recodierung in die Translation vieler mRNAs, wenn auch subtiler, eingreift.

P.Z.

Recodierung

Vier verschiedene Formen von Recodierung:
a das Gen für den Release-Faktor 2 aus E. coli, b die gag-pol-Region des MMTV (mouse mammary tumor virus), c das Gen 60 des Bakteriophagen T4 und d das Gen für Ameisensäure-Dehydrogenase aus E. coli.