Haarnadelstrukturen

Haarnadelstrukturen sind lokale Faltungen von einsträngigen Nukleinsäuren, bei denen ein Abschnitt der Sequenz so in sich hineinragt, dass er mit einem komplementären Abschnitt Paare bildet. Dadurch entstehen ein Stiel (Stem), der aus Basenpaarungen besteht, und eine Schleife (Loop), die aus ungepaarter Sequenz besteht. Неmmungen in DNA- und RNA-Kontexten unterscheiden sich durch das Vorhandensein von Stiel und Loop sowie durch zusätzliche Merkmale wie Bulges oder Innen-Loops.

Aufbau und Varianten: Der Stiel ergibt sich durch Wasserstoffbrücken zwischen komplementären Nukleotiden, der Loop enthält unpaarte Nukleotide. Bausteine wie Bulges (Einzelstrang-Lücken) oder Innenloops können Stiel-Schleife-Muster stören oder modulieren. In RNA spielen Haarnadelstrukturen eine zentrale Rolle für die Faltung in kompakte Sekundärstrukturen; in DNA können Palindromsequenzen zu Haarstrukturen oder zu cruciformen Formationen führen, besonders unter bestimmten Bedingungen der Replikation oder Reparatur.

Bildung und Stabilität: Die Bildung hängt von Basenabgleich, G-C-Tripeln, Salzkonzentration und Temperatur ab. Haarnadelstrukturen sind oft thermodynamisch stabiler, wenn der Stiel durch GC-Paare verstärkt wird. In vivo können Proteine und RNA-Bindungspartner die Struktur zusätzlich stabilisieren oder verändern.

Funktionen: In RNA regulieren Haarnadelstrukturen die Genexpression (z. B. in Übersetzungssteuerung oder mRNA-Stabilität) und kommen in Vorstufen von miRNA (Pre-miRNA) vor. Sie spielen auch Rollen in der Termination bakterieller Transkription und in ribozymischen Aktivitäten. In DNA tragen sie zu Replikation, Rekombination oder Genomorganisation bei.

Methoden: Strukturaufklärung erfolgt durch experimentelle Techniken wie NMR, Röntgenkristallographie, chemische oder enzymatische Probing-Methoden sowie durch Computersimulationen und Vorhersagewerkzeuge (z. B. Mfold, ViennaRNA).

Beispiele: Intrinsic- bzw. Rho-unabhängige Termination in Bakterien beruht oft auf GC-reichen Haarnadelstrukturen; Pre-miRNA-Haarnadelstrukturen dienen als Vorstufen für die Reifung.