Mikrobiologia

Transkriptioprosessin aikana, yhden tai useamman geenin DNA-sekvenssiin koodattu informaatio transkriboidaan RNA-juosteeksi, jota kutsutaan myös RNA-transkriptiksi. Näin syntyvä yksijuosteinen RNA-molekyyli, joka koostuu ribonukleotideista, jotka sisältävät emäkset adeniini (A), sytosiini (C), guaniini (G) ja urasiili (U), toimii alkuperäisen DNA-sekvenssin liikkuvana molekyylikopiona. Transkriptio prokaryooteissa ja eukaryooteissa edellyttää, että DNA:n kaksoiskierre purkautuu osittain RNA-synteesin alueella. Purkautunutta aluetta kutsutaan transkriptiokuplaksi. Tietyn geenin transkriptio etenee aina toisesta kahdesta mallina toimivasta DNA-juosteesta, niin sanotusta antisense-juosteesta. RNA-tuote on komplementaarinen DNA:n templaattijuosteeseen nähden ja lähes identtinen ei-mallinnetun DNA-juosteen eli sense-juosteen kanssa. Ainoa ero on se, että RNA:ssa kaikki T-nukleotidit on korvattu U-nukleotideilla; RNA-synteesin aikana U liitetään, kun komplementaarisessa antisense-juosteessa on A.

Transkriptio bakteereissa

Bakteerit käyttävät samaa RNA-polymeraasia kaikkien geeniensä transkriptioon. DNA-polymeraasin tavoin RNA-polymeraasi lisää nukleotideja yksi kerrallaan kasvavan nukleotidiketjun 3′-OH-ryhmään. Yksi kriittinen ero DNA-polymeraasin ja RNA-polymeraasin toiminnassa on vaatimus 3′-OH:sta, johon nukleotidit voidaan lisätä: DNA-polymeraasi tarvitsee tällaisen 3′-OH-ryhmän ja siten alukkeen, kun taas RNA-polymeraasi ei tarvitse. Transkription aikana kasvavaan RNA-juosteeseen lisätään DNA:n mallijuosteeseen komplementaarinen ribonukleotidi, ja uuden nukleotidin ja viimeksi lisätyn nukleotidin välille muodostuu kovalenttinen fosfodiesterisidos dehydraatiosynteesillä. E. colissa RNA-polymeraasi koostuu kuudesta polypeptidi-alayksiköstä, joista viisi muodostaa polymeraasiydinentsyymin, joka vastaa RNA-nukleotidien lisäämisestä kasvavaan säikeeseen. Kuudes alayksikkö tunnetaan nimellä sigma (σ). σ-tekijä mahdollistaa RNA-polymeraasin sitoutumisen tiettyyn promoottoriin, mikä mahdollistaa eri geenien transkription. On olemassa erilaisia σ-tekijöitä, jotka mahdollistavat eri geenien transkription.

Initiaatio

Transkription aloitus alkaa promoottorista, DNA-sekvenssistä, johon transkriptiokoneisto sitoutuu ja aloittaa transkription. DNA:n kaksoiskierteessä oleva nukleotidipari, joka vastaa kohtaa, josta ensimmäinen 5′ RNA-nukleotidi transkriboidaan, on initiaatiokohta. Aloituskohtaa edeltäviä nukleotideja kutsutaan ”ylävirtaan”, kun taas aloituskohdan jälkeisiä nukleotideja kutsutaan ”alavirtaan” -nukleotideiksi. Useimmissa tapauksissa promoottorit sijaitsevat juuri niiden geenien yläjuoksulla, joita ne säätelevät. Vaikka promoottorien sekvenssit vaihtelevat bakteerigenomien välillä, muutamat elementit ovat konservoituneita. Aloituskohtaa edeltävässä DNA:n -10 ja -35 kohdassa (nimitys +1) on kaksi promoottorin konsensussekvenssiä eli aluetta, jotka ovat samanlaisia kaikissa promoottoreissa ja eri bakteerilajeissa. Konsensussekvenssi -10, jota kutsutaan TATA-laatikoksi, on TATAAT. -35-sekvenssin tunnistaa ja siihen sitoutuu σ.

Pidennys

Transkriptiovaiheen pidennys alkaa, kun σ-alayksikkö dissosioituu polymeraasista, jolloin ydinentsyymi voi syntetisoida DNA-templaattia komplementaarista RNA:ta 5′:n ja 3′:n väliseen suuntaan nopeudella, joka on noin 40 nukleotidia sekunnissa. Elongaation edetessä DNA purkautuu jatkuvasti ydinentsyymin edellä ja kelautuu sen takana (kuva 1).

Kuva 1. Elongaation aikana bakteerin RNA-polymeraasi kulkee DNA-mallineella, syntetisoi mRNA:ta 5′:stä 3′:n suuntaan ja purkaa ja kelaa DNA:ta lukiessaan.

Terminaatio

Kun geeni on transkriboitunut, bakteeripolymeraasin on dissosioitava DNA-mallineesta ja vapautettava vastavalmistunut RNA. Tätä kutsutaan transkription päättymiseksi. DNA-templaatti sisältää toistuvia nukleotidisekvenssejä, jotka toimivat terminointisignaaleina ja saavat RNA-polymeraasin pysähtymään ja irtautumaan DNA-templaatista, jolloin RNA-transkriptio vapautuu.

Transkriptio eukaryooteissa

Prokaryootit ja eukaryootit suorittavat pohjimmiltaan saman transkriptioprosessin muutamin huomattavin eroavaisuuksin (ks. taulukko 1). Eukaryootit käyttävät kolmea eri polymeraasia, RNA-polymeraaseja I, II ja III, jotka kaikki eroavat rakenteellisesti bakteerien RNA-polymeraasista. Kukin niistä transkriboi eri osajoukon geenejä. Mielenkiintoista on, että arkeoissa on yksi ainoa RNA-polymeraasi, joka on läheisempää sukua eukaryoottiselle RNA-polymeraasi II:lle kuin sen bakteerikollegalle. Eukaryoottiset mRNA:t ovat myös yleensä monokistronisia eli kukin koodaa vain yhtä polypeptidiä, kun taas bakteerien ja arkeoiden prokaryoottiset mRNA:t ovat yleensä polykistronisia eli koodaavat useita polypeptidejä.

Merkittävin ero prokaryoottien ja eukaryoottien välillä on jälkimmäisen kalvoon sidottu ydin, joka vaikuttaa RNA-molekyylien helppokäyttöisyyteen valkuaisainesynteesissä. Kun geenit on sidottu ytimeen, eukaryoottisolun on kuljetettava proteiineja koodaavia RNA-molekyylejä sytoplasmaan käännettäväksi. Proteiinia koodaavien primaaristen transkriptien, RNA-polymeraasin suoraan syntetisoimien RNA-molekyylien, on läpäistävä useita prosessointivaiheita näiden RNA-molekyylien suojaamiseksi hajoamiselta sinä aikana, kun ne siirretään ytimestä sytoplasmaan ja käännetään proteiiniksi. Esimerkiksi eukaryoottiset mRNA:t voivat kestää useita tunteja, kun taas tyypillinen prokaryoottinen mRNA kestää korkeintaan 5 sekuntia.

Primäärinen transkripti (jota kutsutaan myös pre-mRNA:ksi) päällystetään ensin RNA:ta stabiloivilla proteiineilla, jotta se suojautuisi hajoamiselta, kun sitä prosessoidaan ja viedään ulos ytimestä. Ensimmäinen prosessointityyppi alkaa, kun primaarinen transkripti on vielä syntetisoitumassa; kasvavan transkriptin 5′-päähän lisätään erityinen 7-metyyliguanosiininukleotidi, jota kutsutaan 5′-kapiksi. Hajoamisen estämisen lisäksi myöhempään proteiinisynteesiin osallistuvat tekijät tunnistavat korkin, mikä auttaa käynnistämään translaation ribosomeissa. Kun pidennys on päättynyt, toinen prosessointientsyymi lisää 3′-päähän noin 200 adeniininukleotidin muodostaman ketjun, jota kutsutaan poly-A-hännäksi. Tämä modifikaatio suojaa edelleen pre-mRNA:ta hajoamiselta ja viestii solutekijöille, että transkripti on vietävä sytoplasmaan.

Eukaryoottiset geenit, jotka koodaavat polypeptidejä, koostuvat koodaavista sekvensseistä, joita kutsutaan eksoneiksi (ex-on tarkoittaa, että ne ekspressoituvat), ja väliin jäävistä sekvensseistä, jotka tunnetaan nimellä intronit (int-ron tarkoittaa niiden väliin jäävää osaa). Introneja vastaavat transkriptoidut RNA-sekvenssit eivät koodaa toiminnallisen polypeptidin alueita, ja ne poistetaan pre-mRNA:sta prosessoinnin aikana. On olennaista, että kaikki intronien koodaamat RNA-sekvenssit poistetaan täysin ja tarkasti pre-mRNA:sta ennen proteiinisynteesiä, jotta eksonien koodaamat RNA-sekvenssit liitetään asianmukaisesti yhteen koodaamaan toiminnallista polypeptidiä. Jos tässä prosessissa tapahtuu edes yhden nukleotidin virhe, yhdistettyjen eksonien sekvenssit siirtyvät, ja tuloksena syntyvä polypeptidi on toimimaton. Prosessia, jossa intronien koodaamat RNA-sekvenssit poistetaan ja eksonien koodaamat sekvenssit yhdistetään uudelleen, kutsutaan RNA:n pilkkomiseksi, ja sitä helpottaa pienten nukleaaristen ribonukleoproteiinien (snRNP:t) muodostaman pilkkosomin toiminta. Intronien koodaamat RNA-sekvenssit poistetaan pre-mRNA:sta, kun se on vielä ytimessä. Vaikka niitä ei translatoida, introneilla näyttää olevan erilaisia tehtäviä, kuten geenien säätely ja mRNA:n kuljetus. Kun nämä muutokset on tehty, kypsä transkripti, mRNA, joka koodaa polypeptidiä, kuljetetaan ulos ytimestä ja viedään sytoplasmaan translaatiota varten. Intronit voidaan splikoida eri tavoin, jolloin eri eksonit sisällytetään tai jätetään pois lopullisesta mRNA-tuotteesta. Tätä prosessia kutsutaan vaihtoehtoiseksi liitokseksi. Vaihtoehtoisen pilkkomisen etuna on, että samasta DNA-sekvenssistä voidaan tuottaa erityyppisiä mRNA-transkriptioita. Viime vuosina on osoitettu, että myös joillakin arkeologeilla on kyky splikoida pre-mRNA:nsa.