Cajal-Körper

snRNPs sind makromolekulare Komplexe, die für die Genexpression benötigt werden. snRNPs lagern sich u. a. zusammen zu einem Spleißosom, welches dazu dient, Introns aus einer neu erzeugten RNA herauszuschneiden.

Forscher haben schnell erkannt, dass Cajal-Körper eine Vielzahl von Proteinen und RNAs enthalten, die an der RNA-Verarbeitung beteiligt sind, insbesondere die zum Spleißen notwendigen snRNAs (U1, U2, U4, U5 und U6) und die damit verbundenen Proteine.[5] Cajal-Körper in Zellkulturen sind empfindlich gegenüber der Hemmung von Transkription, Spleißen und snRNP-Biogenese. Hierbei verschwinden zuerst die snRNPs nach Transkription und Spleißhemmung aus den CBs, gefolgt von der Auflösung des Cajal-Körpers kurz darauf. Dies zeigt, dass die ständige Produktion und das Recycling von snRNPs für die Integrität der Cajal-Körper unerlässlich sind.[2]

In allen Spezies, die bis heute erforscht wurden, sind die spleißosomalen snRNPs in den Cajal-Körpern gebündelt.[1]

Wie der Name andeutet, ist SMN bei Säugetieren Voraussetzung für die Funktion von Motoneuronen, insbesondere des Rückenmarks. Mutationen des Gens dieses Proteins können zu einer spinalen Muskelatrophie führen. Biochemische Studien zeigen, dass SMN in Wirbeltierzellen in einem makromolekularen Komplex auftritt, der aus SMN selbst und mehreren anderen Faktoren besteht. Dieser Komplex fungiert im Cytoplasma als Chaperon für die Montage der snRNAs mit dem siebengliedrigen Ring aus Sm-Proteinen. SMN begleitet die neu hergestellten snRNPs bei ihrer Rückkehr in den Kern, aber ob SMN eine spezifische Funktion im Cajal-Körper hat, ist nicht bekannt.[5]

Das Coilin-Protein ist eine der wichtigsten molekularen Komponenten von Cajal-Körpern. Nach seiner Entdeckung in HeLa-Zellen wurde Coilin schnell zum Marker für CBs in Säugerzellen. Trotz seiner Nützlichkeit als Marker für Cajal-Körper ist relativ wenig über Coilin als Protein bekannt, insbesondere welche biochemischen Funktionen es darin haben könnte.[5]

Die Coilin-Proteine von Mensch und Maus sind ähnlich groß, 62,6 kDa bzw. 62,3 kDa. Coilin bindet an das Survival-Motor-Neuron-Protein (SMN) und an verschiedene Sm- und Lsm-Proteine, was darauf hindeutet, dass es zur Montage oder Modifikation von snRNPs beiträgt. Es scheint, dass Coilin (und die Verbindung von Cajal-Körpern) den Verbund von snRNPs begünstigt, entweder durch die Förderung des finalen Reifeprozesses der snRNPs oder dadurch, dass Wechselbeziehungen zwischen individuellen snRNPs zur Bildung übergeordneter Komplexe ermöglicht werden.[1]

Coilin scheint für die Integrität und Funktion des Cajal-Körpers unerlässlich zu sein. In Abwesenheit von CBs laufen die gleichen Reaktionen mit geringerer Effizienz im Karyoplasma ab. Dies steht im Einklang mit der Ansicht des Cajal-Körpers als Mittel zur Steigerung der Effizienz der snRNP-Anordnung durch die Konzentration von Enzymen und Substraten in einer Region des Karyoplasmas. So ist in den drei Organismen, in denen Coilin-Mutationen untersucht wurden, Coilin für die normale CB-Bildung erforderlich, aber weder Coilin noch ein typisches CB sind für die Lebensfähigkeit wesentlich.[3]

Zusätzlich zu seiner strukturellen Rolle fungiert Coilin als Klebstoff, um die Cajal-Körper mit dem Nukleolus zu verbinden.

Während der Biogenese von snRNAs zu gereiften snRNPs müssen die snRNAs ins Cytoplasma und die erstellten snRNPs dann zurück in den Zellkern transportiert werden.

1) Zuerst wird aus der DNA die snRNA mithilfe des RNA-Polymerase-II-Moleküls transkribiert.

2) Nun werden an die snRNA weitere Moleküle angelagert, die als Transportsignal dienen. Hierdurch wird das snRNA-Molekül durch eine Kernpore in das Cytoplasma exportiert.

3) Im Cytoplasma binden sich Sm-Proteine mit dem SMN-Protein-Komplex an die snRNAs. (Sm/LSm-Proteine werden durch eine Anordnung in Ringen von sechs oder sieben einzelnen LSm-Proteinmolekülen definiert und spielen eine Vielzahl verschiedener Rollen bei der mRNA-Verarbeitung und -Regulierung.) Zudem wird die snRNA durch weitere Enzyme modifiziert. Hierbei wird der Kern des snRNP-Moleküls gebildet.

4) Das snRNP wird über eine Kernpore wieder in den Zellkern transportiert.

5) Im Zellkern finden weitere Modifikationen des snRNP-Moleküls im Cajal-Körper statt. Hier werden z. B. weitere spezifische Proteine hinzugefügt. Nach der endgültigen Reifung des snRNPs wird das Molekül für den Spleißprozess eingesetzt.

Sowohl große als auch kleine U-snRNA-Gene finden sich oft in der Nähe von nukleären Cajal-Körpern. Mehrere Studien haben gezeigt, dass snRNA-Transkription und die dabei entstehenden snRNAs für die Assoziation von CBs mit dem U-snRNA-Gen notwendig sind. Es wurde vorgeschlagen, dass CBs an der Organisation von snRNA-Genen im Zellkern beteiligt sind. snRNAs sind vielleicht bereits ab ihrer Bildung mit den CBs verbunden. Das Fehlen von Proteinen, die für die Integrität von CBs essentiell sind, führt zu einer geringeren Expression aller snRNAs. Wie genau CBs die snRNA-Expression verbessern, ist derzeit unklar.[2]

Aus der Tatsache, dass Coilin direkt mit snRNAs assoziiert ist und sogar eine direkte Rolle bei deren Verarbeitung spielen könnte, kann man schließen, dass CBs an der 3'-Endverarbeitung von pre-snRNAs beteiligt sind. Nach der Spaltung an deren 3'-Ende werden snRNAs über einen Komplex in das Cytoplasma exportiert (1). Dieser enthält unter anderem die Proteine XPO1 und PHAX, die sich beide in CBs befinden.[2] Das 5'-Ende der snRNA wird durch das CBC-Protein (Cap-Binding Complex) mit dem Komplex verbunden.

(2) Nach Abschluss der Phase im Cytoplasma kehren die neu gebildeten snRNPs des Kerns in den Kern zurück und akkumulieren sich zunächst in CBs. Die genauen molekularen Signale, die die unfertigen snRNPs zu den CBs bringen, sind jedoch unbekannt. Coilin interagiert direkt mit snRNAs und den Sm-Proteinen und dient somit möglicherweise als CB-Zielsignal. Es wurde gezeigt, dass das Protein SART3 wichtig für die korrekte CB-Lokalisierung von U4- und U5-snRNAs ist. Auch der SMN-Komplex, der mit dem Sm-Ring im Cytoplasma interagiert, wurde vorgeschlagen, neue snRNPs zu den CBs zu bringen, indem eine Domäne im SMN-Protein mit Coilin wechselwirkt.

Nach dem Import in den Cajal-Körper wird die neue snRNA durch Methylierung und durch Isomerisierung von Uridinen zu Pseudouridinen modifiziert. Die snRNPs müssen weiterhin mit snRNP-spezifischen Proteinen verbunden werden. Der letzte Schritt in der snRNP-Reifung ist die Bildung der spleißfähigen Moleküle U2- und U4/U6/U5-snRNPs (tri-snRPs).

(3) Während des Spleißens durchläuft das tri-snRNP eine Umlagerung, die zur Freisetzung einzelner snRNPs aus dem Post-Spleiß-Spleißsystem führt. Die genaue molekulare Zusammensetzung von snRNPs nach dem Spleißen ist jedoch nicht genau definiert.

(4) Die Cajal-Körper scheinen auch an der Wiederzusammenstellung von snRNPs nach dem Spleiß-Vorgang beteiligt zu sein. Der SMN-Komplex wurde auch im Zellkern (Gems und CBs) gefunden und wurde als wichtig für das snRNP-Recycling angesehen. So ist es plausibel, dass der nukleäre SMN-Komplex an der Reparatur von beschädigten Sm-Ringen beteiligt ist. Dies könnte in den CBs stattfinden. Eine alternative Hypothese deutet darauf hin, dass der SMN-Komplex den Sm-Ring während des snRNP-Abbaus demontiert.

Die Qualität der snRNP-Bildung wird offenbar an mehreren Punkten entlang des Herstellungsweges kontrolliert. Zuerst sind weitere Proteine an der Erkennung und dem Abbau von anormalen snRNAs im Kern beteiligt. Ein molekularer Mechanismus, der beschreibt, wie falsch gefaltete snRNAs erkannt werden, ist jedoch unbekannt. Es wurde gezeigt, dass ein zusätzlicher Kontrollpunkt existiert, der die letzten Schritte der snRNP-Reifung kontrolliert, unausgereifte snRNPs sequestriert und nur reife Partikel in die Spleißreaktion eindringen lässt.[2]