Mikrobiologie

Při procesu transkripce, je informace zakódovaná v sekvenci DNA jednoho nebo více genů přepsána do vlákna RNA, které se také nazývá transkript RNA. Výsledná jednořetězcová molekula RNA, složená z ribonukleotidů obsahujících báze adenin (A), cytosin (C), guanin (G) a uracil (U), funguje jako pohyblivá molekulární kopie původní sekvence DNA. Transkripce u prokaryot a eukaryot vyžaduje, aby se dvojitá šroubovice DNA v oblasti syntézy RNA částečně rozvinula. Odvinutá oblast se nazývá transkripční bublina. Transkripce určitého genu probíhá vždy z jednoho ze dvou vláken DNA, které slouží jako templát, tzv. antisense vlákna. Produkt RNA je komplementární k templátovému vláknu DNA a je téměř identický s netemplátovým vláknem DNA neboli smyslovým vláknem. Jediný rozdíl spočívá v tom, že v RNA jsou všechny nukleotidy T nahrazeny nukleotidy U; při syntéze RNA se U začlení, když je v komplementárním antisense vlákně A.

Přepis u bakterií

Bakterie používají k přepisu všech svých genů stejnou RNA polymerázu. Stejně jako polymeráza DNA přidává polymeráza RNA nukleotidy jeden po druhém na 3′-OH skupinu rostoucího nukleotidového řetězce. Jedním z kritických rozdílů v činnosti mezi DNA polymerázou a RNA polymerázou je požadavek na 3′-OH, na který se přidávají nukleotidy: DNA polymeráza takovou 3′-OH skupinu vyžaduje, a proto je nutný primer, zatímco RNA polymeráza ji nepotřebuje. Během transkripce se k rostoucímu vláknu RNA přidává ribonukleotid komplementární k templátovému vláknu DNA a kovalentní fosfodiesterová vazba vzniká dehydratační syntézou mezi novým nukleotidem a posledním přidaným nukleotidem. U E. coli se RNA polymeráza skládá ze šesti polypeptidových podjednotek, z nichž pět tvoří jádro enzymu polymerázy zodpovědné za přidávání nukleotidů RNA k rostoucímu vláknu. Šestá podjednotka se nazývá sigma (σ). Faktor σ umožňuje RNA polymeráze navázat se na specifický promotor, a tím umožnit přepis různých genů. Existují různé faktory σ, které umožňují transkripci různých genů.

Iniciace

Iniciace transkripce začíná u promotoru, sekvence DNA, na kterou se naváže transkripční stroj a zahájí transkripci. Pár nukleotidů ve dvojité šroubovici DNA, který odpovídá místu, z něhož se přepisuje první 5′ nukleotid RNA, je iniciační místo. Nukleotidy předcházející iniciačnímu místu se označují jako „upstream“, zatímco nukleotidy následující za iniciačním místem se nazývají „downstream“. Ve většině případů se promotory nacházejí těsně před geny, které regulují. Ačkoli se sekvence promotorů u různých bakteriálních genomů liší, několik prvků je konzervovaných. Na pozicích -10 a -35 v DNA před iniciačním místem (označovaných +1) se nacházejí dvě konsenzuální promotorové sekvence neboli oblasti, které jsou podobné ve všech promotorech a u různých bakteriálních druhů. Konsensuální sekvence -10, nazývaná TATA box, je TATAAT. Sekvence -35 je rozpoznávána a vázána σ.

Elongace

Elongace ve fázi transkripce začíná, když se podjednotka σ oddělí od polymerázy a umožní jádrovému enzymu syntetizovat RNA komplementární k templátu DNA ve směru 5′ až 3′ rychlostí přibližně 40 nukleotidů za sekundu. Jak elongace pokračuje, DNA se neustále odvíjí před jádrovým enzymem a přetáčí se za ním (obrázek 1).

Obrázek 1. Během elongace sleduje bakteriální polymeráza RNA podél templátu DNA, syntetizuje mRNA ve směru 5′ až 3′ a odvíjí a přetáčí DNA při čtení.

Terminace

Po přepisu genu se musí bakteriální polymeráza oddělit od templátu DNA a uvolnit nově vytvořenou RNA. To se označuje jako ukončení transkripce. Šablona DNA obsahuje opakující se sekvence nukleotidů, které fungují jako terminační signály a způsobují, že se polymeráza RNA zastaví a uvolní se od šablony DNA, čímž se uvolní transkript RNA.

Transkripce u eukaryot

Prokaryota a eukaryota provádějí v zásadě stejný proces transkripce s několika významnými rozdíly (viz tabulka 1). Eukaryota používají tři různé polymerázy, RNA polymerázy I, II a III, které se strukturně liší od bakteriální RNA polymerázy. Každá z nich přepisuje jinou podmnožinu genů. Zajímavé je, že archea obsahují jedinou RNA polymerázu, která je blíže příbuzná eukaryotické RNA polymeráze II než jejímu bakteriálnímu protějšku. Eukaryotické mRNA jsou také obvykle monocistronické, což znamená, že každá z nich kóduje pouze jeden polypeptid, zatímco prokaryotické mRNA bakterií a archeí jsou běžně polycistronické, což znamená, že kódují více polypeptidů.

Nejdůležitějším rozdílem mezi prokaryoty a eukaryoty je membránové jádro, které ovlivňuje snadnost využití molekul RNA pro syntézu proteinů. S geny vázanými v jádře musí eukaryotická buňka transportovat molekuly RNA kódující bílkoviny do cytoplazmy, aby mohly být přeloženy. Primární transkripty kódující bílkoviny, molekuly RNA přímo syntetizované RNA polymerázou, musí projít několika kroky zpracování, aby byly tyto molekuly RNA chráněny před degradací během doby, kdy jsou přenášeny z jádra do cytoplazmy a překládány do bílkoviny. Například eukaryotická mRNA může trvat několik hodin, zatímco typická prokaryotická mRNA netrvá déle než 5 sekund.

Primární transkript (nazývaný také pre-mRNA) je nejprve potažen proteiny stabilizujícími RNA, aby byl chráněn před degradací během zpracování a exportu z jádra. První typ zpracování začíná ještě během syntézy primárního transkriptu; na 5′ konec rostoucího transkriptu je přidán speciální 7-methylguanosinový nukleotid, nazývaný 5′ čepička. Kromě toho, že zabraňuje degradaci, faktory podílející se na následné syntéze bílkovin rozpoznávají čepičku, která pomáhá zahájit translaci ribozomy. Po dokončení elongace přidá další zpracovatelský enzym na 3′ konec řetězec přibližně 200 adeninových nukleotidů, který se nazývá poly-A ocas. Tato modifikace dále chrání pre-mRNA před degradací a signalizuje buněčným faktorům, že transkript musí být exportován do cytoplazmy.

Eukaryotické geny, které kódují polypeptidy, se skládají z kódujících sekvencí zvaných exony (ex-on označuje, že jsou exprimovány) a intervenujících sekvencí zvaných introny (int-ron označuje jejich intervenující úlohu). Transkribované sekvence RNA odpovídající intronům nekódují oblasti funkčního polypeptidu a během zpracování jsou z pre-mRNA odstraněny. Je nezbytné, aby všechny sekvence RNA kódované introny byly z pre-mRNA před syntézou proteinu zcela a přesně odstraněny, aby se sekvence RNA kódované exony správně spojily a kódovaly funkční polypeptid. Pokud by tento proces chyboval byť jen o jediný nukleotid, sekvence znovu spojených exonů by se posunuly a výsledný polypeptid by byl nefunkční. Proces odstraňování sekvencí RNA kódovaných introny a opětovného spojování sekvencí kódovaných exony se nazývá sestřih RNA a je usnadněn působením spliceosomu obsahujícího malé jaderné ribonukleové proteiny (snRNP). Intronem kódované sekvence RNA jsou z pre-mRNA odstraněny ještě v jádře. Ačkoli nejsou překládány, zdá se, že introny mají různé funkce, včetně genové regulace a transportu mRNA. Po dokončení těchto úprav je zralý transkript, mRNA, která kóduje polypeptid, transportován z jádra ven a je určen k translaci do cytoplazmy. Introny mohou být různě sestřihány, což vede k tomu, že do konečného produktu mRNA jsou zahrnuty nebo vyloučeny různé exony. Tento proces je znám jako alternativní sestřih. Výhodou alternativního sestřihu je, že mohou vznikat různé typy transkriptů mRNA, které jsou odvozeny ze stejné sekvence DNA. V posledních letech se ukázalo, že schopnost sestřihu své pre-mRNA mají i některé archea.

.