Mikrobiologia

Podczas procesu transkrypcji, informacja zakodowana w sekwencji DNA jednego lub więcej genów jest przepisywana na nić RNA, zwaną również transkryptem RNA. Powstała w ten sposób jednoniciowa cząsteczka RNA, złożona z rybonukleotydów zawierających zasady: adeninę (A), cytozynę (C), guaninę (G) i uracyl (U), działa jak ruchoma kopia molekularna oryginalnej sekwencji DNA. Transkrypcja u prokariotów i eukariotów wymaga częściowego odwijania podwójnej helisy DNA w rejonie syntezy RNA. Odwinięty region nazywany jest pęcherzykiem transkrypcyjnym. Transkrypcja danego genu przebiega zawsze od jednej z dwóch nici DNA, która pełni rolę szablonu, tzw. nici antysensownej. Produkt RNA jest komplementarny do wzorcowej nici DNA i jest prawie identyczny z nieszablonową nicią DNA, czyli nicią sensu. Jedyna różnica polega na tym, że w RNA wszystkie nukleotydy T są zastępowane nukleotydami U; podczas syntezy RNA U jest włączane, gdy w komplementarnej nici antysensowej znajduje się A.

Transkrypcja u bakterii

Bakterie używają tej samej polimerazy RNA do transkrypcji wszystkich swoich genów. Podobnie jak polimeraza DNA, polimeraza RNA dodaje nukleotydy jeden po drugim do grupy 3′-OH rosnącego łańcucha nukleotydów. Jedną z krytycznych różnic w aktywności pomiędzy polimerazą DNA a polimerazą RNA jest wymóg posiadania 3′-OH, do którego można dodawać nukleotydy: Polimeraza DNA wymaga takiej grupy 3′-OH, przez co konieczny jest primer, podczas gdy polimeraza RNA nie. Podczas transkrypcji do rosnącej nici RNA dodawany jest rybonukleotyd komplementarny do nici szablonu DNA, a w wyniku syntezy dehydratacyjnej między nowym nukleotydem a ostatnio dodanym powstaje kowalencyjne wiązanie fosfodiestrowe. U E. coli polimeraza RNA składa się z sześciu podjednostek polipeptydowych, z których pięć tworzy rdzeń enzymu polimerazy odpowiedzialny za dodawanie nukleotydów RNA do rosnącej nici. Szósta podjednostka znana jest jako sigma (σ). Czynnik σ umożliwia polimerazie RNA zwi±zanie się z okre¶lonym promotorem, co pozwala na transkrypcję różnych genów. Istnieją różne czynniki σ, które umożliwiają transkrypcję różnych genów.

Inicjacja

Inicjacja transkrypcji rozpoczyna się od promotora, sekwencji DNA, do której maszyneria transkrypcyjna wiąże się i inicjuje transkrypcję. Para nukleotydów w podwójnej helisie DNA, która odpowiada miejscu, z którego transkrybowany jest pierwszy 5′ nukleotyd RNA, jest miejscem inicjacji. Nukleotydy poprzedzające miejsce inicjacji są określane jako „upstream”, podczas gdy nukleotydy następujące po miejscu inicjacji są nazywane nukleotydami „downstream”. W większości przypadków promotory są zlokalizowane tuż przed genami, które regulują. Chociaż sekwencje promotorów różnią się między genomami bakteryjnymi, kilka elementów jest konserwowanych. Na pozycjach -10 i -35 w DNA przed miejscem inicjacji (oznaczonym +1) znajdują się dwie sekwencje konsensusu promotora, czyli regiony, które są podobne we wszystkich promotorach i u różnych gatunków bakterii. Sekwencja konsensusowa -10, zwana ramką TATA, to TATAAT. Sekwencja -35 jest rozpoznawana i wiązana przez σ.

Elongacja

Elongacja w fazie transkrypcji rozpoczyna się, gdy podjednostka σ odłącza się od polimerazy, pozwalając enzymowi rdzeniowemu na syntezę RNA komplementarnego do szablonu DNA w kierunku 5′ do 3′ z szybkością około 40 nukleotydów na sekundę. W trakcie elongacji DNA jest stale odwijane przed enzymem rdzeniowym i przewijane za nim (Rysunek 1).

Rysunek 1. Podczas elongacji, bakteryjna polimeraza RNA śledzi wzdłuż szablonu DNA, syntetyzuje mRNA w kierunku 5′ do 3′ oraz odwija i przewija DNA, jak to jest read.

Terminacja

Po transkrypcji genu, polimeraza bakteryjna musi oddzielić się od szablonu DNA i uwolnić nowo utworzony RNA. Jest to określane jako zakończenie transkrypcji. Szablon DNA zawiera powtarzające się sekwencje nukleotydów, które działają jak sygnały zakończenia, powodując zatrzymanie polimerazy RNA i uwolnienie od szablonu DNA, uwalniając transkrypt RNA.

Transkrypcja u Eukariotów

Prokariota i eukariota przeprowadzają zasadniczo ten sam proces transkrypcji, z kilkoma znaczącymi różnicami (patrz Tabela 1). Eukarionty używają trzech różnych polimeraz, polimerazy RNA I, II i III, wszystkie strukturalnie różne od bakteryjnej polimerazy RNA. Każda z nich transkrybuje inny podzbiór genów. Co ciekawe, archaea zawierają pojedynczą polimerazę RNA, która jest bardziej zbliżona do eukariotycznej polimerazy RNA II niż do jej bakteryjnego odpowiednika. Eukariotyczne mRNA są również zwykle monocystronowe, co oznacza, że każdy z nich koduje tylko jeden polipeptyd, podczas gdy prokariotyczne mRNA bakterii i archaidów są powszechnie policystronowe, co oznacza, że kodują wiele polipeptydów.

Najważniejszą różnicą między prokariotami a eukariotami jest u tych ostatnich związane z błoną jądro, które wpływa na łatwość wykorzystania cząsteczek RNA do syntezy białek. Z genami związanymi w jądrze komórka eukariotyczna musi transportować cząsteczki RNA kodujące białka do cytoplazmy w celu ich translacji. Pierwotne transkrypty kodujące białka, cząsteczki RNA bezpośrednio syntetyzowane przez polimerazę RNA, muszą przejść kilka etapów przetwarzania, aby ochronić te cząsteczki RNA przed degradacją w czasie, gdy są one przenoszone z jądra do cytoplazmy i tłumaczone na białka. Na przykład, eukariotyczne mRNA może trwać kilka godzin, podczas gdy typowe prokariotyczne mRNA trwa nie dłużej niż 5 sekund.

Pierwotny transkrypt (zwany także pre-mRNA) jest najpierw pokrywany białkami stabilizującymi RNA, aby chronić go przed degradacją, podczas gdy jest on przetwarzany i eksportowany z jądra. Pierwszy rodzaj przetwarzania rozpoczyna się, gdy transkrypt pierwotny jest jeszcze syntetyzowany; specjalny 7-metyloguanozynowy nukleotyd, zwany czapeczką 5′, jest dodawany do 5′ końca rosnącego transkryptu. Oprócz zapobiegania degradacji, czynniki biorące udział w późniejszej syntezie białka rozpoznają czapeczkę, co pomaga zainicjować translację przez rybosomy. Po zakończeniu elongacji inny enzym przetwarzający dodaje do 3′ końca ciąg około 200 nukleotydów adeninowych, zwany ogonem poli A. Modyfikacja ta dodatkowo zabezpiecza pre-mR przed degradacją. Ta modyfikacja dodatkowo chroni pre-mRNA przed degradacją i sygnalizuje czynnikom komórkowym, że transkrypt musi zostać wyeksportowany do cytoplazmy.

Eukariotyczne geny kodujące polipeptydy składają się z sekwencji kodujących zwanych eksonami (eks-on oznacza, że ulegają one ekspresji) i sekwencji interferencyjnych zwanych intronami (int-ron oznacza ich rolę interferencyjną). Transkrybowane sekwencje RNA odpowiadające intronom nie kodują regionów funkcjonalnego polipeptydu i są usuwane z pre-mRNA podczas przetwarzania. Istotne jest, aby wszystkie sekwencje RNA kodowane przez introny zostały całkowicie i dokładnie usunięte z pre-mRNA przed syntezą białka, tak aby sekwencje RNA kodowane przez eksony zostały prawidłowo połączone w celu zakodowania funkcjonalnego polipeptydu. Jeśli proces ten pomyli się nawet o jeden nukleotyd, sekwencje ponownie połączonych eksonów będą przesunięte, a powstały polipeptyd będzie niefunkcjonalny. Proces usuwania sekwencji RNA kodowanych przez introny i ponownego łączenia tych kodowanych przez eksony nazywany jest splicingiem RNA i jest ułatwiany przez działanie spliceosomu zawierającego małe jądrowe białka rybonukleo (snRNPs). Sekwencje RNA kodowane przez introny są usuwane z pre-mRNA, gdy znajduje się ono jeszcze w jądrze. Mimo, że nie ulegają translacji, introny wydają się pełnić różne funkcje, w tym regulację genów i transport mRNA. Po zakończeniu tych modyfikacji, dojrzały transkrypt, mRNA kodujący polipeptyd, jest transportowany z jądra do cytoplazmy, gdzie ulega translacji. Introny mogą być splicingowane w różny sposób, co powoduje, że różne eksony są włączane lub wyłączane z końcowego produktu mRNA. Proces ten znany jest jako alternatywny splicing. Zaletą alternatywnego splicingu jest możliwość generowania różnych typów transkryptów mRNA, pochodzących z tej samej sekwencji DNA. W ostatnich latach wykazano, że niektóre archaea również mają zdolność do splicingu swojego pre-mRNA.

.