IRES (Biologie)

1988 wurde erstmals eine internal ribosomal entry site (IRES) im RNA-Genom des Poliovirus und des Encephalomyocarditis-Virus in den Laboren von Nahum Sonenberg^[2] und Eckard Wimmer beschrieben.^[3] Der Vorgang des dadurch vermittelten Translationsbeginns wurde als internal initiation of translation bezeichnet.

Üblicherweise tragen eukaryotische zelluläre mRNAs ein speziell angebundenes Nukleotid an ihrem 5'-Ende, die sogenannte 5'-Cap-Struktur, welche zusammen mit weiteren zellulären Faktoren die Bindung an Ribosomen vermittelt. Bei der Proteinbiosynthese wird damit gewöhnlich die Translation eingeleitet. Von diesem komplexen Steuerungssystem ausgenommen sind manche viralen Genome, die mittels einer IRES unmittelbar an die 40S-Untereinheit von Ribosomen binden können und so den Aufbau virentypischer Proteine durch den zellulären Syntheseapparat veranlassen. Daneben wurden in Eukaryoten auch für einige ihrer Gene – beispielsweise für das Onkogen c-Myc, die Ornithin-Decarboxylase, den Fibroblasten-Wachstumsfaktor 2 oder den endothelialen Wachstumsfaktor – in den transkribierten mRNAs besondere Sekundärstrukturen beschrieben, die auf ähnliche Weise als interne ribosomale Eintrittsstelle bei der Proteinbiosynthese funktionieren.^[4] Über Cap-unabhängige Translationselemente ist darüber hinaus ein weiterer alternativer Mechanismus zur Einleitung der Translation möglich.

Manche der IRES werden in den Zusammenhang mit Krankheiten gebracht; so scheint der Funktionsverlust eines IRES-Elements auf der mRNA des Connexin 32-Gens eine Hauptursache der Charcot-Marie-Tooth-Krankheit zu sein.^[5]

Die molekularen Mechanismen von viralen IRES sind umfangreicher charakterisiert als die der eukaryotischen.^[6] Das IRES des Hepatitis-C-Virus bindet direkt an die P-Stelle der 40S-ribosomale Untereinheit, daher sind mit dieser IRES keine eukaryotischen Initiationsfaktoren wie eIF1, 1A, 4A, 4B und 4E nötig. Die Picornavirus-IRES bindet über eIF4 an die 40S-Untereinheit.^[7] Manche viralen und eukaryotischen IRES benötigen weitere zelluläre Proteine, die als IRES-trans-acting factor (ITAF) bezeichnet werden.

Einige RNA-Viren besitzen eine IRES, womit die Produktion von viralen Proteinen an Ribosomen der Zelle unabhängig von Initiationsfaktoren gestartet werden kann. Dies gilt beispielsweise für das Hepatitis-C-Virus und für die Picornaviren, z. B. das Poliovirus. Entdeckt wurde die IRES-Struktur beim Poliovirus, das in der Zellkultur die Synthese von zellulären Proteinen zugunsten der viralen Produkte blockiert. Da hier der zelluläre Initiationsfaktor eIF4G durch virale Enzyme gespalten wird, können nur noch solche RNA-Stränge translatiert werden, die wie die Virus-RNA eine IRES enthalten. Davon abweichende Varianten einer IRES kommen bei Dicistroviridae vor.^[8]

IRES-Elemente werden auch im Zuge eines Vektordesigns eingesetzt, beispielsweise für die Coexpression eines Reportergens zur Kontrolle der Transfektions- oder Transduktionseffizienz. Hierbei wird das zu klonierende Gen meistens vor die IRES gesetzt (in 5'-Richtung), das Reportergen dahinter. Die Expression des Reportergens zeigt die Synthese der mRNA in voller Länge an.^[9]

Virale IRES-Sequenzen werden in der technischen Molekularbiologie häufig eingesetzt, um polycistronische mRNA nachzuahmen. Hierzu werden mehrere Gene auf einem Plasmid hintereinander kloniert und zwischen die Gene jeweils eine IRES-Sequenz geschaltet. Bei diesem Konstrukt wird nur noch ein einziger Promoter und Terminator benötigt. Allerdings haben die eingeführten IRES-Sequenzen den Nachteil, dass sich die Expressionseffizienz für jedes weitere nachfolgende Gen verringert.^[10]

Eine technische Alternative zu den IRES stellen die viralen 2A-Peptide dar. Beim Einsatz von 2A-Peptid-Sequenzen wird die Genregulation eines bakteriellen Operons imitiert und eine künstlich geschaffene Reihung mehrerer Gene in einem gemeinsamen offenen Leserahmen über nur einen Promotor reguliert. Durch die je zwischengeschalteten selbst-spaltenden 2A-Peptide – Oligopeptide aus rund zwanzig Aminosäuren – werden die gemeinsam exprimierten Genprodukte in einzelne Proteine zerlegt.^[11] Der Vorteil gegenüber einer Verwendung von IRES-Sequenzen ist hierbei die äquimolare Expression der Proteine über den gemeinsamen Promotor. Allerdings verbleiben nach Spaltung der 2A-Peptide kurze Peptidanteile an den Termini der exprimierten Proteine, die deren Funktion stören können.^[12]