Inteine

Ein Intein ist eine Aminosäuresequenz eines Proteins, die sich selbst (autokatalytisch) aus diesem ausschneiden und die verbleibenden Stücke (Exteine) wieder durch eine Peptidbindung verknüpfen kann. Da einige Inteine ebenfalls eine Endonuklease enthalten, sind ihre codierenden Gene eine Form eigennütziger DNA.

Mechanismus der Inteine mit dem N-extein (rot), dem Intein (schwarz) und dem C-Extein (blau). X ist ein Sauerstoff oder Schwefelatom.

Eigenschaften

Bis heute wurden Inteine in allen drei Domänen (Superreichen) des Lebens gefunden (Eukaryoten, Bakterien und Archaeen), sowie bei Viren. Es sind mit Stand 2014 über 116 Inteine in Eukaryoten bekannt, 1137 in Bakterien und 381 in Archaeen sowie 243 in Viren einschließlich Bakteriophagen. (2002 waren es noch 113 in Eukaryoten, 289 in Bakterien, 182 in Archaeen, und mit Stand 2005 lediglich 2 in Viren) Die Längen betragen zwischen 138 und 844 Aminosäuren. Die meisten Inteine beinhalten eine Endonuklease-Domäne, die eine Rolle in der Inteinverbreitung spielt. Die Endonuklease spaltet nur inteinfreie Allele des inteinhaltigen Gens (auf dem homologen Chromosom), wodurch es bei der Reparatur des Doppelstrangbruches zu einer Einführung der intein-codierenden DNA in diese Schnittstelle durch das DNA-Reparatur-System kommt. Durch diesen Prozess wurde das Intein vermehrt und die Zelle ist homozygot für das inteinhaltige Gen, wodurch bei der Zellteilung das Intein automatisch an alle Tochterzellen weitervermehrt wird. Deshalb werden Inteine (oder besser die Gensegmente, die für die Inteine codieren) als „eigennützige genetische Elemente“ bezeichnet. Allerdings wäre es präziser, sie als parasitär zu bezeichnen.

Inteine werden in Analogie zu den beim Spleißen herausgeschnittenen RNA-Sequenzen auch als Proteinintrone bezeichnet, die Autoproteolyse und Relegation als Proteinspleißen. Es sind bisher drei Mechanismen bei Inteinen beschrieben worden.

Intein-vermitteltes Proteinspleißen tritt nach der Translation der mRNA in ein Protein auf. Dieses Vorläuferprotein (pre-cursor) enthält mindestens drei Segmente: Ein N-Extein, ein Intein und ein C-Extein. Nach dem Spleißvorgang wird das Resultat ebenfalls als Extein bezeichnet.

Inteinbenennung

Der erste Teil des Inteinnamens besteht aus dem wissenschaftlichen Namen des Organismus, in dem es gefunden wurde. Der zweite Teil basiert auf dem Gen oder Extein, in dem es vorkommt. Zum Beispiel würde das zweite Intein aus Thermococcus fumicolans im Gen der DNA-Polymerase als Tfu Pol-2 bezeichnet werden. Bei der Nummerierung der Inteine wird bei dem 5'-Ende des Gens begonnen.

Getrennte Inteine

In einigen Fällen liegen Inteine eines Vorläuferproteins auf verschiedenen Genen. Hierbei spricht man von getrennten Inteinen (englisch split inteins). Ein Beispiel hierfür ist die katalytische Untereinheit alpha der DNA-Polymerase III in Cyanobakterien, wie zum Beispiel Synechocystis sp. (Bezeichnung Ssp DnaE). Das Protein der DnaE wird durch zwei über 700 kbp entfernte Gene codiert. Eines enthält den N-Terminus (dnaE-n) und eine 123 Aminosäuren lange Inteinsequenz, und das zweite codiert für eine zweite 36 AS lange Inteinsequenz und den C-Terminus (dnaE-c). Durch Transspleißen werden die beiden Proteinteile zu einem funktionalen Protein zusammengeführt.

Anwendungen

Inteine werden in der Biotechnologie zum Beispiel bei der Proteinsynthese genutzt, um Proteinsegmente im Zuge einer Molekülmarkierung selektiv, zum Beispiel mit schweren Atomen, zu markieren. Dies ist bei der Untersuchung von großen Proteinen mittels NMR hilfreich. Außerdem können Polypeptide miteinander verknüpft werden (Proteinligation). So wird es unter anderem möglich, zytotoxische Proteine zu exprimieren, Zyklisierungen durchzuführen (zur Stabilitätserhöhung) und Proteinstrukturen zu untersuchen.

Manche Inteine können durch Thiole oder durch Absenken des pH-Werts ausgelöst werden.

Geschichte

Das erste Intein wurde 1988 durch einen Sequenzvergleich der ATPasen von Neurospora crassa, der Karotte und der Bäckerhefe entdeckt. Die Inteinsequenz wurde dabei irrtümlich als Calcium-Ionentransporter klassifiziert. Im Jahr 1990 wurde der Verlust der Inteinsequenz nach der Translation beschrieben.

Einzelnachweise

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