Mikrobiologi

Transkriptionsprocessen, transskriberes den information, der er kodet i DNA-sekvensen i et eller flere gener, til en RNA-streng, også kaldet et RNA-transkript. Det resulterende enkeltstrengede RNA-molekyle, der består af ribonukleotider, der indeholder baserne adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og uracil (U), fungerer som en mobil molekylær kopi af den oprindelige DNA-sekvens. Transkription hos prokaryoter og eukaryoter kræver, at DNA-dobbeltspiralen delvist afvikles i området for RNA-syntese. Det afviklede område kaldes en transkriptionsboble. Transkriptionen af et bestemt gen foregår altid fra den ene af de to DNA-strenge, der fungerer som skabelon, den såkaldte antisense-streng. RNA-produktet er komplementært til DNA-skabelonstrengen og er næsten identisk med den DNA-streng, der ikke er skabelonstrengen, eller sense-strengen. Den eneste forskel er, at i RNA er alle T-nukleotider erstattet med U-nukleotider; under RNA-syntesen inkorporeres U, når der er et A i den komplementære antisense-streng.

Transskription i bakterier

Bakterier bruger den samme RNA-polymerase til at transskribere alle deres gener. Ligesom DNA-polymerase tilføjer RNA-polymerase nukleotider et efter et til 3′-OH-gruppen i den voksende nukleotidkæde. En afgørende forskel i aktiviteten mellem DNA-polymerase og RNA-polymerase er kravet om en 3′-OH-gruppe, hvorpå nukleotider kan tilføjes: DNA-polymerase kræver en sådan 3′-OH-gruppe, hvilket kræver en primer, mens RNA-polymerase ikke kræver en sådan, hvilket ikke er tilfældet for RNA-polymerase. Under transkriptionen tilføjes et ribonukleotid, der er komplementært til DNA-skabelonstrengen, til den voksende RNA-streng, og der dannes en kovalent fosfodiesterbinding ved dehydreringssyntese mellem det nye nukleotid og det sidst tilføjede nukleotid. I E. coli består RNA-polymerase af seks polypeptidunderenheder, hvoraf fem udgør polymerasekerneenzymet, der er ansvarligt for at tilføje RNA-nukleotider til en voksende streng. Den sjette underenhed er kendt som sigma (σ). σ-faktoren gør det muligt for RNA-polymerase at binde sig til en specifik promotor og dermed muliggøre transkription af forskellige gener. Der findes forskellige σ-faktorer, som muliggør transkription af forskellige gener.

Initiering

Initieringen af transkriptionen begynder ved en promotor, en DNA-sekvens, som transkriptionsmaskineriet binder sig til og igangsætter transkriptionen. Det nukleotidpar i DNA-dobbeltspiralen, der svarer til det sted, hvorfra det første 5′ RNA-nukleotid transskriberes, er initieringsstedet. Nukleotider før initieringsstedet betegnes som “upstream”, mens nukleotider efter initieringsstedet kaldes “downstream”-nukleotider. I de fleste tilfælde er promotorer placeret lige opstrøms for de gener, som de regulerer. Selv om promotorsekvenserne varierer mellem bakterielle genomer, er der nogle få elementer, der er bevaret. På -10- og -35-positionerne i DNA’et før initieringsstedet (betegnet +1) findes der to konsensussekvenser for promotorer eller regioner, der ligner hinanden på tværs af alle promotorer og på tværs af forskellige bakteriearter. -10-konsensussekvensen, kaldet TATA-boksen, er TATAAT. Sekvensen -35 genkendes og bindes af σ.

Elongation

Elongationen i transkriptionsfasen begynder, når σ-underenheden dissocieres fra polymerasen, hvilket giver kerneenzymet mulighed for at syntetisere RNA komplementært til DNA-skabelonen i en 5′ til 3′ retning med en hastighed på ca. 40 nukleotider pr. sekund. Efterhånden som elongationen skrider frem, afvikles DNA’et kontinuerligt foran kerneenzymet og oprulles bagved det (figur 1).

Figur 1. Under elongationen sporer bakteriens RNA-polymerase langs DNA-skabelonen, syntetiserer mRNA i 5′ til 3′-retningen og af- og opruller DNA’et, efterhånden som det læses.

Terminering

Når et gen er transskriberet, skal bakteriens polymerase dissocieres fra DNA-skabelonen og frigøre det nyoprettede RNA. Dette betegnes som terminering af transkriptionen. DNA-skabelonen indeholder gentagne nukleotidsekvenser, der fungerer som termineringssignaler, hvilket får RNA-polymerase til at gå i stå og frigøre sig fra DNA-skabelonen, hvorved RNA-transskriptionen frigøres.

Transskription i eukaryoter

Prokaryoter og eukaryoter udfører grundlæggende den samme transkriptionsproces med nogle få væsentlige forskelle (se tabel 1). Eukaryoter anvender tre forskellige polymeraser, RNA-polymerase I, II og III, der alle er strukturelt forskellige fra den bakterielle RNA-polymerase. Hver transskriberer en anden delmængde af generne. Interessant nok indeholder arkæaer en enkelt RNA-polymerase, der er tættere beslægtet med eukaryotisk RNA-polymerase II end med dens bakterielle modstykke. Eukaryote mRNA’er er også normalt monokistroniske, hvilket betyder, at de hver især kun koder for et enkelt polypeptid, mens prokaryote mRNA’er fra bakterier og arkæer almindeligvis er polycistroniske, hvilket betyder, at de koder for flere polypeptider.

Den vigtigste forskel mellem prokaryoter og eukaryoter er sidstnævntes membranbundne kerne, hvilket har indflydelse på, hvor let det er at anvende RNA-molekyler til proteinsyntese. Med generne bundet i en kerne skal den eukaryote celle transportere proteinkodende RNA-molekyler til cytoplasmaet for at blive oversat. Proteinkodende primære transkript, de RNA-molekyler, der syntetiseres direkte af RNA-polymerase, skal gennemgå flere behandlingstrin for at beskytte disse RNA-molekyler mod nedbrydning i den tid, hvor de overføres fra kernen til cytoplasmaet og oversættes til et protein. Eukaryote mRNA’er kan f.eks. vare i flere timer, mens det typiske prokaryote mRNA ikke varer mere end 5 sekunder.

Det primære transkript (også kaldet pre-mRNA) er først belagt med RNA-stabiliserende proteiner for at beskytte det mod nedbrydning, mens det behandles og eksporteres ud af kernen. Den første type behandling begynder, mens det primære transkript stadig er ved at blive syntetiseret; et særligt 7-methylguanosin-nukleotid, kaldet 5′-kappen, tilføjes til 5′-enden af det voksende transkript. Ud over at forhindre nedbrydning genkender faktorer, der er involveret i den efterfølgende proteinsyntese, hætten, som hjælper med at igangsætte translation af ribosomer. Når elongationen er afsluttet, tilføjer et andet behandlingsenzym derefter en streng på ca. 200 adeninnukleotider til 3′-enden, kaldet poly-A-halen. Denne modifikation beskytter pre-mRNA’et yderligere mod nedbrydning og signalerer til cellulære faktorer, at transkriptet skal eksporteres til cytoplasmaet.

Eukaryote gener, der koder for polypeptider, består af kodningssekvenser kaldet exoner (ex-on betyder, at de udtrykkes) og mellemliggende sekvenser kaldet introner (int-ron angiver deres mellemliggende rolle). De transskriberede RNA-sekvenser, der svarer til introner, koder ikke for regioner af det funktionelle polypeptid og fjernes fra pre-mRNA’et under behandlingen. Det er vigtigt, at alle de intron-kodede RNA-sekvenser fjernes fuldstændigt og præcist fra et præ-mRNA før proteinsyntesen, således at de exon-kodede RNA-sekvenser forbindes korrekt med hinanden for at kode for et funktionelt polypeptid. Hvis processen fejler blot et enkelt nukleotid, vil sekvenserne af de genforenede exoner blive forskudt, og det resulterende polypeptid vil være ufunktionelt. Processen med at fjerne intron-kodede RNA-sekvenser og genforbinde dem, der er kodet af exoner, kaldes RNA-splejsning og fremmes af et spliceosom, der indeholder små nukleare ribonukleo-proteiner (snRNP’er). Intron-kodede RNA-sekvenser fjernes fra pre-mRNA’et, mens det stadig befinder sig i kernen. Selv om de ikke oversættes, synes introner at have forskellige funktioner, herunder genregulering og mRNA-transport. Når disse modifikationer er afsluttet, transporteres det modne transkript, det mRNA, der koder for et polypeptid, ud af kernen til cytoplasmaet, hvor det skal oversættes. Introns kan splejses ud på forskellig vis, hvilket resulterer i, at forskellige exons inkluderes eller udelukkes fra det endelige mRNA-produkt. Denne proces er kendt som alternativ splejsning. Fordelen ved alternativ splejsning er, at der kan dannes forskellige typer mRNA-transskriptioner, der alle stammer fra den samme DNA-sekvens. I de senere år er det blevet påvist, at nogle arkæaer også har evnen til at splejse deres præ-mRNA.

Hvilken af følgende komponenter er involveret i initieringen af transkriptionen?

1. primer
2. origin
3. promotor
4. startkodon

Hvilken af følgende er ikke en funktion af 5′ hætten og 3′ poly-A halen i et modent eukaryote mRNA-molekyle?

1. at lette splejsning
2. at forhindre nedbrydning af mRNA
3. at hjælpe eksport af det modne transkript til cytoplasmaet
4. at hjælpe ribosombinding til transkriptet

Modent mRNA fra en eukaryot vil indeholde hver af disse egenskaber undtagen hvilken af følgende?

1. exon-kodet RNA
2. intron-kodet RNA
3. 5′ cap
4. 3′ poly-A hale