Biológia szakos hallgatóknak I

A prokarióta transzkripció és transzláció folyamatának ismertetése

A prokarióták, melyek közé a baktériumok és az archaea tartoznak, többnyire egysejtű szervezetek, melyek definíciójuk szerint nem rendelkeznek membránhoz kötött sejtmaggal és egyéb organellumokkal. A bakteriális kromoszóma egy kovalensen zárt kör, amely az eukarióta kromoszómáktól eltérően nem hisztonfehérjék köré szerveződik. A sejt központi régióját, amelyben a prokarióta DNS található, nukleoidnak nevezik. Ezenkívül a prokarióták gyakran bőségesen rendelkeznek plazmidokkal, amelyek rövidebb kör alakú DNS-molekulák, amelyek csak egy vagy néhány gént tartalmazhatnak. A plazmidok a sejtosztódás során a bakteriális kromoszómától függetlenül is átvihetők, és gyakran hordoznak olyan tulajdonságokat, mint például az antibiotikum-rezisztencia. Ezen egyedi tulajdonságok miatt az átírás és a génszabályozás némileg eltér a prokarióta sejtek és az eukarióta sejtek között.

Prokarióta transzkripció

A transzkripció elindítása a prokariótákban

A prokariótáknak nincs membránjuk

.zárt sejtmaggal. Ezért a transzkripció, a transzláció és az mRNS lebontása egyszerre történhet. Egy baktériumfehérje intracelluláris szintje gyorsan felerősödhet az ugyanazon a DNS-templáton egyidejűleg lejátszódó többszörös transzkripciós és transzlációs események révén. A prokarióta transzkripció gyakran egynél több génre terjed ki, és policisztronikus mRNS-eket hoz létre, amelyek egynél több fehérjét specifikálnak.

Az alábbiakban a transzkripciót egy jól tanulmányozott baktériumfajban, az Escherichia coli-ban lezajló folyamat leírásával példázzuk. Bár az E. coli és az archaea transzkripció között vannak bizonyos különbségek, az E. coli transzkripció megértése gyakorlatilag minden baktériumfajra alkalmazható.

Prokarióta RNS-polimeráz

A prokarióták minden génjük átírásához ugyanazt az RNS-polimerázt használják. Az E. coliban a polimeráz öt polipeptid alegységből áll, amelyek közül kettő azonos. Ezek közül négy, α, α, β és β′ jelölésű alegység alkotja a polimeráz magenzimet. Ezek az alegységek minden egyes gén átírásakor összeállnak, és az átírás befejezése után szétesnek. Mindegyik alegységnek egyedi szerepe van; a két α-alegység a polimeráznak a DNS-en való összeszereléséhez szükséges; a β-alegység a ribonukleozid-trifoszfáthoz kötődik, amely a naszcens “frissen született” mRNS-molekula részévé válik; a β′ pedig a DNS templát szálához kötődik. Az ötödik alegység, a σ, csak a transzkripció beindításában vesz részt. Olyan transzkripciós specificitást kölcsönöz, hogy a polimeráz a megfelelő iniciációs helyről kezdi meg az mRNS szintézisét. A σ nélkül a magenzim véletlenszerű helyekről transzkribálna, és olyan mRNS-molekulákat állítana elő, amelyek fehérje halandzsát specifikálnának. A mind az öt alegységből álló polimerázt holoenzimnek nevezik (a holoenzim biokémiailag aktív vegyület, amely egy enzimből és annak koenzimjéből áll).

Prokarióta promóterek

1. ábra. A prokarióta RNS-polimeráz σ alegysége felismeri a promóter régióban található konszenzus szekvenciákat a transzkripciós starthelytől felfelé. A σ alegység a transzkripció megindulása után disszociál a polimerázról.

A promóter egy olyan DNS-szekvencia, amelyre a transzkripciós gépezet rácsatlakozik és elindítja a transzkripciót. A legtöbb esetben a promóterek az általuk szabályozott gének előtt helyezkednek el. A promóter specifikus szekvenciája nagyon fontos, mert ez határozza meg, hogy a megfelelő gén állandóan, néhányszor vagy ritkán íródik-e át. Bár a promóterek prokarióta genomonként eltérőek, néhány elem konzerválódik. Az iniciációs hely előtti -10 és -35 régiókban két promóterkonszenzus szekvencia található, vagyis olyan régiók, amelyek minden promóterben és a különböző baktériumfajokban hasonlóak (1. ábra).

A -10 konszenzus szekvencia, az úgynevezett -10 régió, a TATAAT. A -35 szekvenciát, a TTGACA-t a σ ismeri fel és köti meg. Miután ez a kölcsönhatás létrejött, a magenzim alegységei a helyhez kötődnek. Az A-T-ben gazdag -10 régió megkönnyíti a DNS-templát kitekeredését, és több foszfodiészterkötés jön létre. A transzkripció iniciációs fázisa abortív transzkriptumok keletkezésével ér véget, amelyek körülbelül 10 nukleotidból álló polimerek, amelyek elkészülnek és felszabadulnak.

Hosszabbítás és befejezés a prokariótákban

A transzkripció megnyúlási fázisa a σ alegységnek a polimerázról való leválásával kezdődik. A σ disszociációja lehetővé teszi, hogy a magenzim a DNS-templát mentén haladjon, és az mRNS-t 5′-3′ irányban, másodpercenként körülbelül 40 nukleotid sebességgel szintetizálja. Az elongáció előrehaladtával a DNS folyamatosan kitekeredik a magenzim előtt és visszatekeredik mögötte (2. ábra). A DNS és az RNS közötti bázispárosodás nem elég stabil az mRNS-szintézis komponenseinek stabilitásának fenntartásához. Ehelyett az RNS-polimeráz stabil összekötőként működik a DNS-templát és a naszcens RNS-szálak között, hogy az elongáció ne szakadjon meg idő előtt.

2. ábra. Kattintson a nagyobb képért. Az elongáció során a prokarióta RNS-polimeráz végigköveti a DNS-sablont, 5′-3′ irányban mRNS-t szintetizál, és a DNS-t olvasás közben kitekeri és visszatekeri.

Prokarióta terminációs jelek

Amikor egy gén átíródott, a prokarióta polimeráznak utasítást kell kapnia, hogy disszociáljon a DNS-sablontól, és szabadítsa fel az újonnan létrehozott mRNS-ét. Az átírandó géntől függően kétféle terminációs jel létezik. Az egyik fehérjealapú, a másik RNS-alapú. A Rho-függő terminációt a rho fehérje irányítja, amely a polimeráz mögött követi a növekvő mRNS-láncot. A gén vége felé a polimeráz a DNS-templáton egy G nukleotidfutamba ütközik, és leáll. Ennek következtében a rho fehérje összeütközik a polimerázzal. A rho-val való kölcsönhatás kiszabadítja az mRNS-t a transzkripciós buborékból.

A rho-független terminációt a DNS-templát szálban található specifikus szekvenciák irányítják. Ahogy a polimeráz közeledik az átírandó gén végéhez, egy C-G nukleotidokban gazdag régióval találkozik. Az mRNS visszahajlik önmagára, és a komplementer C-G nukleotidok összekapcsolódnak. Az eredmény egy stabil hajtű, amely a polimeráz leállását okozza, amint elkezdi az A-T nukleotidokban gazdag régió átírását. Az mRNS-átirat komplementer U-A régiója csak gyenge kölcsönhatást létesít a sablon DNS-sel. Ez, a megrekedt polimerázzal párosulva, elegendő instabilitást idéz elő ahhoz, hogy a magenzim elszakadjon és felszabadítsa az új mRNS-átiratot.

A transzkripció befejezésekor a transzkripció folyamata befejeződik. Mire a termináció bekövetkezik, a prokarióta transzkriptumból már megkezdődhetett a kódolt fehérje számos példányának szintézise, mivel ezek a folyamatok egyidejűleg is végbemehetnek. A transzkripció, a transzláció és még az mRNS lebontásának egységesítése azért lehetséges, mert mindezek a folyamatok ugyanabban az 5′-3′ irányban zajlanak, és mert a prokarióta sejtben nincs membránkompartmentalizáció (3. ábra). Ezzel szemben az eukarióta sejtekben a sejtmag jelenléte kizárja az egyidejű transzkripciót és transzlációt.

3. ábra. Több polimeráz képes átírni egyetlen bakteriális gént, miközben számos riboszóma egyszerre fordítja le az mRNS-átiratokat polipeptidekké. Ily módon egy adott fehérje gyorsan nagy koncentrációt érhet el a baktériumsejtben.

Prokarióta transzláció

A transzláció hasonló a prokariótákban és az eukariótákban. Itt azt vizsgáljuk meg, hogyan történik a transzláció az E. coli-ban, egy reprezentatív prokariótában, és meghatározzuk a bakteriális és eukarióta transzláció közötti különbségeket.

Iniciáció

A fehérjeszintézis beindítása egy iniciációs komplex kialakításával kezdődik. E. coliban ez a komplex magában foglalja a kis 30S riboszómát, az mRNS-templát, három iniciációs faktort, amelyek segítik a riboszóma helyes összeállását, az energiaforrásként működő guanozin-trifoszfátot (GTP) és egy speciális, N-formil-metionint hordozó iniciátor tRNS-t (fMet-tRNSfMet) (4. ábra). Az iniciátor tRNS kölcsönhatásba lép az mRNS AUG startkódonjával, és egy formilált metionint (fMet) hordoz. Az iniciációban való részvétele miatt az fMet az E. coli által szintetizált minden polipeptidlánc elejére (N-terminusára) kerül. Az E. coli mRNS-ben az első AUG kodon előtt egy vezető szekvencia, az úgynevezett Shine-Dalgarno szekvencia (más néven AGGAGAGG riboszómális kötőhely) komplementer bázispárosodás révén kölcsönhatásba lép a riboszómát alkotó rRNS molekulákkal. Ez a kölcsönhatás lehorgonyozza a 30S riboszóma alegységet az mRNS templát megfelelő helyén. Ezen a ponton az 50S riboszóma alegység ezután kötődik az iniciációs komplexhez, és ép riboszómát alkot.

Eukariótákban az iniciációs komplex kialakulása hasonló, a következő különbségekkel:

• Az iniciátor tRNS egy másik speciális, metionint hordozó tRNS, az úgynevezett Met-tRNSi
• Ahelyett, hogy a Shine-Dalgarno szekvenciánál kötődne az mRNS-hez, az eukarióta iniciációs komplex felismeri az eukarióta mRNS 5′-es sapkáját, majd végigköveti az mRNS-t 5′-3′ irányban, amíg az AUG startkódont fel nem ismeri. Ezen a ponton a 60S alegység a Met-tRNSi, az mRNS és a 40S alegység komplexéhez kötődik.

4. ábra. A transzláció a baktériumokban az iniciációs komplex kialakulásával kezdődik, amely a kis riboszómális alegységet, az mRNS-t, az N-formil-metionint hordozó iniciátor tRNS-t és az iniciációs faktorokat tartalmazza. Ezután az 50S alegység kötődik, kialakítva egy ép riboszómát.

Elongáció

A prokariótákban és az eukariótákban a transzláció megnyúlásának alapjai megegyeznek. E. coli-ban az 50S riboszómális alegység kötődése az intakt riboszóma előállításához három funkcionálisan fontos riboszómális helyet képez: Az A (aminoacil) hely a beérkező töltött aminoacil tRNS-eket köti. A P (peptidil) hely olyan töltött tRNS-eket köt meg, amelyek olyan aminosavakat hordoznak, amelyek peptidkötést alakítottak ki a növekvő polipeptidlánccal, de még nem disszociáltak a megfelelő tRNS-ről. Az E (exit) hely felszabadítja a disszociált tRNS-eket, hogy azok szabad aminosavakkal feltöltődhessenek. A tRNS-ek ezen összeszerelési sora alól van egy figyelemre méltó kivétel: Az iniciációs komplex kialakulása során a bakteriális fMet-tRNSfMet vagy az eukarióta Met-tRNSi közvetlenül a P-helyre lép anélkül, hogy előbb az A-helyre lépne, így egy szabad A-hely áll készen az AUG utáni első kodonnak megfelelő tRNS befogadására.

A meghosszabbodás a riboszóma egy-egy kodonjának mozgásával, egy-egy transzlokációs eseménynek nevezett mozgásával zajlik. Az egyes transzlokációs események során a töltött tRNS-ek az A helyen lépnek be, majd a P helyre tolódnak, végül pedig az E helyre kerülnek eltávolításra. A riboszómamozgásokat vagy lépéseket olyan konformációs változások indukálják, amelyek a riboszómát 3′ irányban három bázissal előrébb viszik. Peptidkötések alakulnak ki az A-site tRNS-hez kötött aminosav aminocsoportja és a P-site tRNS-hez kötött aminosav karboxilcsoportja között. Az egyes peptidkötések kialakulását a peptidiltranszferáz, egy RNS-alapú ribozim katalizálja, amely az 50S riboszómális alegységbe épül be. A P-helyi tRNS-hez kötött aminosav is kapcsolódik a növekvő polipeptidlánchoz. Ahogy a riboszóma átlép az mRNS-en, a korábbi P-helyi tRNS belép az E-helyre, leválik az aminosavról, és kilökődik. Az elongáció számos lépése, beleértve a töltött aminoacil-tRNS kötését az A helyhez és a transzlokációt, GTP-hidrolízisből származó energiát igényel, amelyet specifikus elongációs faktorok katalizálnak. Meglepő módon az E. coli transzlációs apparátusnak mindössze 0,05 másodpercre van szüksége minden egyes aminosav hozzáadásához, ami azt jelenti, hogy egy 200 aminosavból álló fehérje mindössze 10 másodperc alatt lefordítható.

Termináció

A transzláció befejezése akkor következik be, amikor egy olyan nonszensz kodon (UAA, UAG vagy UGA) lép fel, amelyre nincs komplementer tRNS. Az A-helyhez igazodva ezeket a nonszensz kodonokat prokariótákban és eukariótákban felismerik a felszabadulási faktorok, amelyek azt eredményezik, hogy a P-helyen lévő aminosav leválik a tRNS-éről, és felszabadul az újonnan létrehozott polipeptid. A kis és nagy riboszómális alegységek disszociálnak az mRNS-ről és egymásról; szinte azonnal egy másik transzlációs initációs komplexbe rekrutálódnak.

Összefoglalva, több olyan kulcsfontosságú jellemző van, amely megkülönbözteti a prokarióta génexpressziót az eukariótákban megfigyelhetőtől. Ezeket az 5. ábra szemlélteti, az 1. táblázat pedig felsorolja.

5. ábra. (a) A prokariótákban a transzkripció és a transzláció folyamata egyszerre zajlik a citoplazmában, ami lehetővé teszi a sejtek gyors válaszát egy környezeti jelre. (b) Eukariótákban a transzkripció a sejtmagban, a transzláció pedig a citoplazmában lokalizálódik, ami elválasztja ezeket a folyamatokat, és a stabilitás érdekében szükségessé teszi az RNS feldolgozását.

.

A megértésed ellenőrzése

Válaszolj az alábbi kérdés(ek)re, hogy lásd, mennyire érted az előző részben tárgyalt témákat. Ez a rövid kvíz nem számít bele az órai jegybe, és korlátlan számú alkalommal ismételheti meg.

Ezzel a kvízzel ellenőrizheti a megértését, és eldöntheti, hogy (1) tovább tanulmányozza-e az előző részt, vagy (2) áttérjen a következő részre.