Microbiologie

În timpul procesului de transcripție, informația codificată în secvența de ADN a uneia sau mai multor gene este transcrisă într-un șir de ARN, numit și transcript de ARN. Molecula de ARN monocatenar rezultată, compusă din ribonucleotide care conțin bazele adenină (A), citozină (C), guanină (G) și uracil (U), acționează ca o copie moleculară mobilă a secvenței originale de ADN. Transcripția la procariote și la eucariote necesită ca dubla elice a ADN-ului să se desfășoare parțial în regiunea de sinteză a ARN-ului. Regiunea derulată se numește bulă de transcripție. Transcrierea unei anumite gene se realizează întotdeauna pornind de la una dintre cele două catene de ADN care acționează ca șablon, așa-numita catenă antisens. Produsul ARN este complementar șirului șablonului șablon de ADN șablon și este aproape identic cu șirul de ADN care nu este șablon, sau șirul sens. Singura diferență este că în ARN, toate nucleotidele T sunt înlocuite cu nucleotide U; în timpul sintezei ARN, U este încorporat atunci când există un A în șirul complementar antisens.

Transcrierea la bacterii

Bacteriile folosesc aceeași ARN polimerază pentru a transcrie toate genele lor. La fel ca ADN polimeraza, ARN polimeraza adaugă nucleotide una câte una la grupa 3′-OH a lanțului nucleotidic în creștere. O diferență critică în activitatea dintre ADN polimeraza și ARN polimeraza este cerința de a avea un 3′-OH pe care să se adauge nucleotide: ADN polimeraza are nevoie de o astfel de grupare 3′-OH, necesitând astfel o amorsă, în timp ce ARN polimeraza nu are nevoie. În timpul transcripției, o ribonucleotidă complementară șirului șablon de ADN este adăugată la șirul de ARN în creștere și o legătură covalentă fosfodiester se formează prin sinteză de deshidratare între noua nucleotidă și ultima adăugată. La E. coli, ARN polimeraza cuprinde șase subunități polipeptidice, dintre care cinci compun enzima nucleară a polimerazei, responsabilă de adăugarea de nucleotide de ARN la un șir în creștere. Cea de-a șasea subunitate este cunoscută sub numele de sigma (σ). Factorul σ permite ARN polimerazei să se lege de un promotor specific, permițând astfel transcrierea diferitelor gene. Există diverși factori σ care permit transcrierea diferitelor gene.

Inițiere

Inițierea transcripției începe la un promotor, o secvență de ADN pe care se leagă mașinăria de transcripție și care inițiază transcrierea. Perechea de nucleotide din dubla spirală de ADN care corespunde locului din care este transcrisă prima nucleotidă 5′ de ARN este situsul de inițiere. Nucleotidele care preced situsul de inițiere sunt denumite „în amonte”, în timp ce nucleotidele care urmează situsului de inițiere sunt denumite nucleotide „în aval”. În majoritatea cazurilor, promotorii sunt localizați chiar în amonte de genele pe care le reglează. Deși secvențele de promotori variază între genomurile bacteriene, câteva elemente sunt conservate. La pozițiile -10 și -35 din ADN, înainte de situsul de inițiere (denumit +1), există două secvențe consensuale ale promotorului, sau regiuni care sunt similare la toți promotorii și la diferite specii bacteriene. Secvența consensuală -10, numită caseta TATA, este TATAAT. Secvența -35 este recunoscută și legată de σ.

Elongația

Elongația în faza de transcripție începe atunci când subunitatea σ se disociază de la polimerază, permițând enzimei de bază să sintetizeze ARN-ul complementar șablonului de ADN în direcția 5′ spre 3′ cu o viteză de aproximativ 40 de nucleotide pe secundă. Pe măsură ce elongația avansează, ADN-ul este derulat continuu în fața enzimei de nucleu și derulat în spatele acesteia (figura 1).

Figura 1. În timpul elongației, ARN-polimeraza bacteriană urmărește de-a lungul șablonului ADN, sintetizează ARNm în direcția 5′ spre 3′ și derulează și rebobinează ADN-ul pe măsură ce este citit.

Terminare

După ce o genă este transcrisă, polimeraza bacteriană trebuie să se disocieze de șablonul ADN și să elibereze ARN-ul nou creat. Acest lucru se numește terminarea transcripției. Șablonul ADN include secvențe repetate de nucleotide care acționează ca semnale de terminare, determinând ARN polimeraza să stagneze și să se elibereze de șablonul ADN, eliberând transcriptul ARN.

Transcripția la eucariote

Procariotele și eucariotele realizează în mod fundamental același proces de transcripție, cu câteva diferențe semnificative (vezi tabelul 1). Eucariotele utilizează trei polimeraze diferite, ARN polimerazele I, II și III, toate diferite din punct de vedere structural de ARN polimeraza bacteriană. Fiecare dintre ele transcrie un subset diferit de gene. Este interesant faptul că archaea conține o singură ARN polimerază care este mai apropiată de ARN polimeraza II eucariotă decât de omologul său bacterian. ARNm eucariote sunt, de asemenea, de obicei monocistronice, ceea ce înseamnă că fiecare dintre ele codifică o singură polipeptidă, în timp ce ARNm procariote ale bacteriilor și arheilor sunt de obicei policistronice, ceea ce înseamnă că codifică mai multe polipeptide.

Cea mai importantă diferență dintre procariote și eucariote este nucleul membranar al acestora din urmă, care influențează ușurința de utilizare a moleculelor de ARN pentru sinteza proteinelor. Cu genele legate într-un nucleu, celula eucariotă trebuie să transporte moleculele de ARN codificatoare de proteine în citoplasmă pentru a fi traduse. Transcriptele primare codificatoare de proteine, moleculele de ARN sintetizate direct de ARN polimeraza, trebuie să treacă prin mai multe etape de procesare pentru a proteja aceste molecule de ARN de degradare în timpul în care sunt transferate din nucleu în citoplasmă și traduse într-o proteină. De exemplu, ARNm eucariote poate dura mai multe ore, în timp ce ARNm procariote tipice nu durează mai mult de 5 secunde.

Transcrisul primar (numit și ARN pre-m) este mai întâi acoperit cu proteine de stabilizare a ARN-ului pentru a-l proteja de degradare în timp ce este procesat și exportat din nucleu. Primul tip de procesare începe în timp ce transcriptul primar este încă în curs de sintetizare; la capătul 5′ al transcriptului în creștere se adaugă o nucleotidă specială de 7-metilguanosină, numită cap 5′. Pe lângă faptul că împiedică degradarea, factorii implicați în sinteza ulterioară a proteinelor recunosc capacul, ceea ce ajută la inițierea traducerii de către ribozomi. Odată ce alungirea este completă, o altă enzimă de procesare adaugă un șir de aproximativ 200 de nucleotide de adenină la capătul 3′, numit coadă poli-A. Această modificare protejează și mai mult pre-ARNm de degradare și semnalează factorilor celulari că transcripția trebuie să fie exportată în citoplasmă.

Genele eucariote care codifică polipeptide sunt compuse din secvențe codificatoare numite exoni (ex-on semnifică faptul că sunt exprimate) și secvențe intermediare numite introni (int-ron denotă rolul lor de intervenție). Secvențele de ARN transcrise care corespund intronilor nu codifică regiuni ale polipeptidei funcționale și sunt eliminate din pre-ARNm în timpul procesării. Este esențial ca toate secvențele de ARN codificate de introni să fie îndepărtate complet și cu precizie dintr-un ARN premergător înainte de sinteza proteică, astfel încât secvențele de ARN codificate de exoni să se unească în mod corespunzător pentru a codifica o polipeptidă funcțională. În cazul în care procesul greșește chiar și cu o singură nucleotidă, secvențele exonilor reuniți ar fi deplasate, iar polipeptidul rezultat ar fi nefuncțional. Procesul de îndepărtare a secvențelor de ARN codificate de introni și de reconectare a celor codificate de exoni se numește splicing al ARN și este facilitat de acțiunea unui spliceosom care conține proteine nucleare ribonucleare mici (snRNP). Secvențele de ARN codificate de introni sunt eliminate din ARN premergător în timp ce acesta se află încă în nucleu. Deși nu sunt traduși, intronii par să aibă diverse funcții, inclusiv reglarea genelor și transportul ARNm. La finalizarea acestor modificări, transcriptul matur, ARNm care codifică o polipeptidă, este transportat în afara nucleului, cu destinația citoplasmă pentru traducere. Intronii pot fi splitați în mod diferit, rezultând că diverși exoni sunt incluși sau excluși din produsul final ARNm. Acest proces este cunoscut sub numele de splicing alternativ. Avantajul splicingului alternativ constă în faptul că pot fi generate diferite tipuri de transcripții de ARNm, toate derivate din aceeași secvență de ADN. În ultimii ani, s-a demonstrat că unele archaea au, de asemenea, capacitatea de a-și splita pre-ARNm.

Monocistronic sau policistronic

.