Mikrobiológia

Az átírás folyamata során, az egy vagy több gén DNS-szekvenciájában kódolt információ átíródik egy RNS-szálba, más néven RNS-átiratba. A keletkező egyszálú RNS-molekula, amely az adenin (A), citozin (C), guanin (G) és uracil (U) bázisokat tartalmazó ribonukleotidokból áll, az eredeti DNS-szekvencia mozgó molekuláris másolataként működik. Az átírás a prokariótákban és az eukariótákban megköveteli, hogy a DNS kettős hélixe az RNS-szintézis régiójában részben feltekeredjen. A feltekeredett régiót transzkripciós buboréknak nevezzük. Egy adott gén transzkripciója mindig a sablonként szolgáló két DNS-szál közül az egyikről, az úgynevezett antisense szálról indul. Az RNS-termék komplementer a sablon DNS-szálhoz, és közel azonos a nem sablon DNS-szállal, vagyis a sense-szállal. Az egyetlen különbség az, hogy az RNS-ben az összes T nukleotidot U nukleotidokkal helyettesítik; az RNS-szintézis során az U akkor épül be, ha a komplementer antisense szálban van egy A.

Transzkripció a baktériumokban

A baktériumok minden génjük átírásához ugyanazt az RNS-polimerázt használják. A DNS-polimerázhoz hasonlóan az RNS-polimeráz is egyesével ad hozzá nukleotidokat a növekvő nukleotidlánc 3′-OH-csoportjához. A DNS-polimeráz és az RNS-polimeráz közötti egyik kritikus különbség az, hogy a nukleotidok hozzáadásához szükség van egy 3′-OH-ra: A DNS-polimeráznak szüksége van ilyen 3′-OH-csoportra, így szükség van egy primerre, míg az RNS-polimeráznak nincs. Az átírás során a növekvő RNS-szálhoz a DNS templát szálhoz komplementer ribonukleotidot adunk hozzá, és a dehidratációs szintézis révén kovalens foszfodiészterkötés jön létre az új nukleotid és az utoljára hozzáadott nukleotid között. Az E. coli-ban az RNS-polimeráz hat polipeptid alegységből áll, amelyek közül öt alkotja a polimeráz magenzimet, amely az RNS-nukleotidok hozzáadásáért felelős a növekvő szálhoz. A hatodik alegységet szigma (σ) néven ismerjük. A σ faktor teszi lehetővé, hogy az RNS-polimeráz egy adott promóterhez kapcsolódjon, és így lehetővé tegye a különböző gének átírását. Különböző σ faktorok léteznek, amelyek lehetővé teszik a különböző gének átírását.

Iniciáció

A transzkripció elindítása egy promóterrel kezdődik, egy DNS-szekvenciával, amelyre a transzkripciós gépezet rácsatlakozik és elindítja a transzkripciót. Az a nukleotidpár a DNS-kettős spirálban, amely megfelel annak a helynek, ahonnan az első 5′ RNS-nukleotid átíródik, az az iniciációs hely. Az iniciációs helyet megelőző nukleotidokat “upstream”, míg az iniciációs helyet követő nukleotidokat “downstream” nukleotidoknak nevezzük. A legtöbb esetben a promóterek közvetlenül az általuk szabályozott gének előtt helyezkednek el. Bár a promóterszekvenciák baktériumgenomonként eltérőek, néhány elem konzerválódik. A DNS-en belül az indítóhelyet megelőző -10 és -35 pozícióban (+1-nek jelölve) két promóter konszenzus szekvencia található, vagyis olyan régiók, amelyek minden promóterben és a különböző baktériumfajokban hasonlóak. A -10-es konszenzus szekvencia, amelyet TATA-doboznak nevezünk, a TATAAT. A -35 szekvenciát a σ ismeri fel és köti meg.

Elongáció

A transzkripciós fázisban az elongáció akkor kezdődik, amikor a σ alegység disszociál a polimerázról, lehetővé téve a magenzim számára, hogy a DNS-templáthoz komplementer RNS-t szintetizáljon 5′-3′ irányban, másodpercenként körülbelül 40 nukleotidos sebességgel. Az elongáció előrehaladtával a DNS folyamatosan kitekeredik a magenzim előtt és visszatekeredik mögötte (1. ábra).

1. ábra. Az elongáció során a bakteriális RNS-polimeráz végigköveti a DNS-sablont, 5′ és 3′ közötti irányban mRNS-t szintetizál, és a DNS-t olvasás közben ki- és visszatekeri.

Termináció

Amikor egy gén átíródott, a bakteriális polimeráznak el kell válnia a DNS-sablontól, és fel kell szabadítania az újonnan létrehozott RNS-t. Ezt nevezzük a transzkripció befejezésének. A DNS-sablon olyan ismétlődő nukleotidszekvenciákat tartalmaz, amelyek terminációs jelként hatnak, ami miatt az RNS-polimeráz megakad és leválik a DNS-sablonról, felszabadítva az RNS-átiratot.

Transzkripció az eukariótákban

A prokarióták és az eukarióták alapvetően ugyanazt az átírási folyamatot végzik, néhány jelentős különbséggel (lásd 1. táblázat). Az eukarióták három különböző polimerázt, az I., II. és III. RNS-polimerázt használják, amelyek mindegyike szerkezetileg különbözik a bakteriális RNS-polimeráztól. Mindegyik a gének más-más részhalmazát írja át. Érdekes módon az archaea egyetlen RNS-polimerázt tartalmaz, amely közelebbi rokonságban áll az eukarióta RNS-polimeráz II-vel, mint bakteriális megfelelőjével. Az eukarióta mRNS-ek általában monocisztronikusak is, vagyis mindegyik csak egyetlen polipeptidet kódol, míg a baktériumok és az archaea prokarióta mRNS-ei általában policisztronikusak, vagyis több polipeptidet kódolnak.

A prokarióták és az eukarióták közötti legfontosabb különbség az utóbbiak membránhoz kötött sejtmagja, ami befolyásolja az RNS-molekulák fehérjeszintézisre való könnyű felhasználhatóságát. A sejtmagban kötött génekkel az eukarióta sejtnek a fehérjéket kódoló RNS-molekulákat a citoplazmába kell szállítani a fordításhoz. A fehérjekódoló elsődleges transzkriptumoknak, az RNS-polimeráz által közvetlenül szintetizált RNS-molekuláknak számos feldolgozási lépésen kell átesniük, hogy megvédjék ezeket az RNS-molekulákat a lebomlástól az alatt az idő alatt, amíg a sejtmagból a citoplazmába kerülnek és fehérjévé fordítják őket. Az eukarióta mRNS-ek például több órán át tarthatnak, míg a tipikus prokarióta mRNS legfeljebb 5 másodpercig.

A primer transzkriptumot (más néven pre-mRNS-t) először RNS-stabilizáló fehérjékkel vonják be, hogy megvédjék a lebomlástól, miközben feldolgozzák és kiviszik a sejtmagból. Az első típusú feldolgozás még a primer transzkript szintézisének megkezdése közben kezdődik; a növekvő transzkript 5′ végéhez egy speciális 7-metilguanozin-nukleotidot, az úgynevezett 5′ sapkát adnak hozzá. A lebomlás megakadályozása mellett a későbbi fehérjeszintézisben részt vevő faktorok felismerik a sapkát, ami segít a riboszómák általi transzláció elindításában. A megnyúlás befejezése után egy másik feldolgozó enzim egy körülbelül 200 adenin-nukleotidból álló láncot, az úgynevezett poli-A farkat illeszt a 3′ végéhez. Ez a módosítás tovább védi a pre-mRNS-t a lebomlástól, és jelzi a sejtes faktoroknak, hogy a transzkriptumot a citoplazmába kell exportálni.

A polipeptideket kódoló eukarióta gének exonoknak nevezett kódoló szekvenciákból (az ex-on jelzi, hogy kifejeződnek) és intronoknak nevezett köztes szekvenciákból (az int-ron jelzi a köztes szerepüket) állnak. Az intronoknak megfelelő átírt RNS-szekvenciák nem kódolják a funkcionális polipeptid régióit, és a feldolgozás során eltávolításra kerülnek a pre-mRNS-ből. Lényeges, hogy a fehérjeszintézis előtt az összes intron által kódolt RNS-szekvenciát teljesen és pontosan eltávolítsák a pre-mRNS-ből, hogy az exonok által kódolt RNS-szekvenciák megfelelően kapcsolódjanak össze a funkcionális polipeptid kódolásához. Ha a folyamat akár egyetlen nukleotiddal is hibázik, az újraegyesített exonok szekvenciái eltolódnak, és a keletkező polipeptid nem lesz működőképes. Az intronok által kódolt RNS-szekvenciák eltávolításának és az exonok által kódoltak újbóli összekapcsolásának folyamatát RNS-splicingnek nevezik, és a kis nukleáris ribonukleo fehérjéket (snRNP-ket) tartalmazó spliceoszóma működése segíti elő. Az intronok által kódolt RNS-szekvenciákat eltávolítják a pre-mRNS-ből, miközben az még a sejtmagban van. Bár nem transzlálódnak, úgy tűnik, hogy az intronoknak különböző funkcióik vannak, beleértve a génszabályozást és az mRNS-transzportot. E módosítások befejeztével az érett transzkriptum, a polipeptidet kódoló mRNS kikerül a sejtmagból, és a citoplazmába kerül transzlációra. Az intronok különböző módon splicelhetők ki, ami azt eredményezi, hogy különböző exonok kerülnek bele vagy ki a végső mRNS-termékből. Ezt a folyamatot alternatív splicingnek nevezik. Az alternatív splicing előnye, hogy különböző típusú mRNS-átiratokat lehet létrehozni, amelyek mindegyike ugyanabból a DNS-szekvenciából származik. Az utóbbi években kimutatták, hogy néhány archaea is képes a pre-mRNS-ének splicerezésére.