Mikrobiologie

Während des Prozesses der Transkription, wird die in der DNA-Sequenz eines oder mehrerer Gene kodierte Information in einen RNA-Strang, auch RNA-Transkript genannt, umgeschrieben. Das resultierende einzelsträngige RNA-Molekül, das aus Ribonukleotiden mit den Basen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Uracil (U) besteht, fungiert als mobile molekulare Kopie der ursprünglichen DNA-Sequenz. Bei der Transkription in Prokaryonten und Eukaryonten muss sich die DNA-Doppelhelix im Bereich der RNA-Synthese teilweise abwickeln. Der abgewickelte Bereich wird als Transkriptionsblase bezeichnet. Die Transkription eines bestimmten Gens erfolgt immer von einem der beiden DNA-Stränge, die als Vorlage dienen, dem so genannten Antisense-Strang. Das RNA-Produkt ist komplementär zum DNA-Vorlagestrang und nahezu identisch mit dem DNA-Strang, der nicht als Vorlage dient, dem so genannten Sense-Strang. Der einzige Unterschied besteht darin, dass in der RNA alle T-Nukleotide durch U-Nukleotide ersetzt werden; während der RNA-Synthese wird U eingebaut, wenn ein A im komplementären Antisense-Strang vorhanden ist.

Transkription in Bakterien

Bakterien verwenden dieselbe RNA-Polymerase zur Transkription all ihrer Gene. Wie die DNA-Polymerase fügt die RNA-Polymerase ein Nukleotid nach dem anderen an die 3′-OH-Gruppe der wachsenden Nukleotidkette an. Ein entscheidender Unterschied in der Aktivität zwischen DNA-Polymerase und RNA-Polymerase ist die Notwendigkeit einer 3′-OH-Gruppe, an die Nukleotide angehängt werden können: Die DNA-Polymerase benötigt eine solche 3′-OH-Gruppe und damit einen Primer, die RNA-Polymerase dagegen nicht. Bei der Transkription wird ein zum DNA-Musterstrang komplementäres Ribonukleotid an den wachsenden RNA-Strang angehängt und durch Dehydratationssynthese eine kovalente Phosphodiesterbindung zwischen dem neuen Nukleotid und dem zuletzt angehängten gebildet. In E. coli besteht die RNA-Polymerase aus sechs Polypeptiduntereinheiten, von denen fünf das Polymerase-Kernenzym bilden, das für das Anhängen von RNA-Nukleotiden an einen wachsenden Strang verantwortlich ist. Die sechste Untereinheit ist als Sigma (σ) bekannt. Der σ-Faktor ermöglicht es der RNA-Polymerase, an einen bestimmten Promotor zu binden und so die Transkription verschiedener Gene zu ermöglichen. Es gibt verschiedene σ-Faktoren, die die Transkription verschiedener Gene ermöglichen.

Initiation

Die Initiation der Transkription beginnt an einem Promotor, einer DNA-Sequenz, an die die Transkriptionsmaschinerie bindet und die Transkription einleitet. Das Nukleotidpaar in der DNA-Doppelhelix, das der Stelle entspricht, von der das erste 5′-RNA-Nukleotid transkribiert wird, ist die Initiationsstelle. Nukleotide vor der Initiationsstelle werden als „stromaufwärts“ bezeichnet, während Nukleotide nach der Initiationsstelle als „stromabwärts“ bezeichnet werden. In den meisten Fällen befinden sich die Promotoren unmittelbar vor den Genen, die sie regulieren. Obwohl die Sequenzen der Promotoren in den verschiedenen bakteriellen Genomen variieren, sind einige Elemente konserviert. An den Positionen -10 und -35 innerhalb der DNA vor der Initiationsstelle (mit +1 bezeichnet) gibt es zwei Promotor-Konsensussequenzen oder Regionen, die bei allen Promotoren und bei verschiedenen Bakterienarten ähnlich sind. Die -10 Konsensussequenz, die so genannte TATA-Box, ist TATAAT. Die -35-Sequenz wird von σ erkannt und gebunden.

Elongation

Die Elongation in der Transkriptionsphase beginnt, wenn die σ-Untereinheit von der Polymerase dissoziiert und es dem Kernenzym ermöglicht, RNA komplementär zur DNA-Vorlage in einer 5′-zu-3′-Richtung mit einer Geschwindigkeit von etwa 40 Nukleotiden pro Sekunde zu synthetisieren. Während der Dehnung wird die DNA kontinuierlich vor dem Kernenzym abgewickelt und hinter ihm wieder aufgewickelt (Abbildung 1).

Abbildung 1. Während der Elongation folgt die bakterielle RNA-Polymerase der DNA-Vorlage, synthetisiert mRNA in 5′- zu 3′-Richtung und wickelt die DNA beim Ablesen ab und wieder auf.

Termination

Wenn ein Gen transkribiert ist, muss sich die bakterielle Polymerase von der DNA-Vorlage lösen und die neu gebildete RNA freisetzen. Dies wird als Terminierung der Transkription bezeichnet. Die DNA-Matrize enthält wiederholte Nukleotidsequenzen, die als Terminierungssignale wirken und die RNA-Polymerase veranlassen, sich von der DNA-Matrize zu lösen und das RNA-Transkript freizusetzen.

Transkription in Eukaryoten

Prokaryoten und Eukaryoten führen im Grunde den gleichen Transkriptionsprozess durch, mit ein paar signifikanten Unterschieden (siehe Tabelle 1). Eukaryoten verwenden drei verschiedene Polymerasen, die RNA-Polymerasen I, II und III, die sich alle strukturell von der bakteriellen RNA-Polymerase unterscheiden. Jede transkribiert eine andere Untergruppe von Genen. Interessanterweise enthalten Archaeen eine einzige RNA-Polymerase, die mit der eukaryotischen RNA-Polymerase II enger verwandt ist als mit ihrem bakteriellen Gegenstück. Eukaryotische mRNAs sind außerdem in der Regel monocistron, d. h. sie kodieren jeweils nur für ein einziges Polypeptid, während prokaryotische mRNAs von Bakterien und Archaeen in der Regel polycistronisch sind, d. h. sie kodieren für mehrere Polypeptide.

Der wichtigste Unterschied zwischen Prokaryonten und Eukaryonten ist der membrangebundene Zellkern der letzteren, der die einfache Verwendung von RNA-Molekülen für die Proteinsynthese beeinflusst. Da die Gene im Zellkern gebunden sind, muss die eukaryontische Zelle die proteinkodierenden RNA-Moleküle zur Übersetzung in das Zytoplasma transportieren. Proteincodierende primäre Transkripte, d. h. RNA-Moleküle, die direkt von der RNA-Polymerase synthetisiert werden, müssen mehrere Verarbeitungsschritte durchlaufen, um diese RNA-Moleküle vor dem Abbau zu schützen, während sie vom Zellkern ins Zytoplasma transportiert und in ein Protein übersetzt werden. So können eukaryotische mRNAs mehrere Stunden lang bestehen, während die typische prokaryotische mRNA nicht länger als 5 Sekunden besteht.

Das primäre Transkript (auch pre-mRNA genannt) wird zunächst mit RNA-stabilisierenden Proteinen umhüllt, um es vor dem Abbau zu schützen, während es verarbeitet und aus dem Kern exportiert wird. Die erste Art der Verarbeitung beginnt, während das primäre Transkript noch synthetisiert wird; ein spezielles 7-Methylguanosin-Nukleotid, die sogenannte 5′-Kappe, wird an das 5′-Ende des wachsenden Transkripts angefügt. Es verhindert nicht nur den Abbau, sondern wird auch von Faktoren erkannt, die an der anschließenden Proteinsynthese beteiligt sind, wodurch die Übersetzung durch Ribosomen eingeleitet wird. Sobald die Elongation abgeschlossen ist, fügt ein anderes Verarbeitungsenzym eine Kette von etwa 200 Adenin-Nukleotiden an das 3′-Ende an, den so genannten Poly-A-Schwanz. Diese Modifikation schützt die prä-mRNA zusätzlich vor dem Abbau und signalisiert zellulären Faktoren, dass das Transkript in das Zytoplasma exportiert werden muss.

Eukaryotische Gene, die für Polypeptide kodieren, bestehen aus kodierenden Sequenzen, die Exons genannt werden (ex-on bedeutet, dass sie exprimiert werden), und dazwischen liegenden Sequenzen, die Introns genannt werden (int-ron bezeichnet ihre dazwischen liegende Rolle). Die transkribierten RNA-Sequenzen, die den Introns entsprechen, kodieren keine Bereiche des funktionellen Polypeptids und werden während der Verarbeitung aus der prä-mRNA entfernt. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass alle intron-kodierten RNA-Sequenzen vor der Proteinsynthese vollständig und präzise aus der prä-mRNA entfernt werden, damit die exon-kodierten RNA-Sequenzen ordnungsgemäß zusammengefügt werden können, um für ein funktionelles Polypeptid zu kodieren. Wenn der Prozess auch nur um ein einziges Nukleotid fehlerhaft ist, würden sich die Sequenzen der wieder zusammengefügten Exons verschieben, und das resultierende Polypeptid wäre nicht funktionsfähig. Der Prozess des Entfernens intron-kodierter RNA-Sequenzen und des Wiederverbindens der durch Exons kodierten Sequenzen wird als RNA-Spleißen bezeichnet und wird durch die Wirkung eines Spleißosoms erleichtert, das kleine nukleare Ribonukleoproteine (snRNPs) enthält. Intron-kodierte RNA-Sequenzen werden aus der prä-mRNA entfernt, während diese sich noch im Zellkern befindet. Obwohl sie nicht translatiert werden, scheinen Introns verschiedene Funktionen zu haben, darunter Genregulation und mRNA-Transport. Nach Abschluss dieser Modifikationen wird das reife Transkript, die mRNA, die für ein Polypeptid kodiert, aus dem Zellkern transportiert und zur Translation ins Zytoplasma gebracht. Introns können unterschiedlich ausgespleißt werden, was dazu führt, dass verschiedene Exons in das mRNA-Endprodukt eingeschlossen oder ausgeschlossen werden. Dieser Vorgang wird als alternatives Spleißen bezeichnet. Der Vorteil des alternativen Spleißens besteht darin, dass verschiedene Arten von mRNA-Transkripten erzeugt werden können, die alle von der gleichen DNA-Sequenz abgeleitet sind. In den letzten Jahren hat sich gezeigt, dass auch einige Archaeen die Fähigkeit besitzen, ihre prä-mRNA zu spleißen.