TŁUMACZENIE DNA: PROCES U EUKARIONTÓW I PROKARIONTÓW - BIOLOGIA - 2024

Translacji DNA jest procesem, w którym informacje zawarte w RNA wytworzonego podczas transkrypcji (kopiowanie informacji z sekwencji DNA, RNA,) jest „przełożone” w aminokwasowej sekwencji przez syntezę białek.

Z perspektywy komórkowej ekspresja genów jest stosunkowo złożoną sprawą, która występuje w dwóch etapach: transkrypcji i translacji.

Tłumaczenie RNA za pośrednictwem rybosomu (źródło: LadyofHats / Public domain, za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Wszystkie geny, które ulegają ekspresji (niezależnie od tego, czy kodują sekwencje peptydów, to znaczy białka) początkowo robią to, przenosząc informacje zawarte w ich sekwencji DNA do cząsteczki informacyjnego RNA (mRNA) w procesie zwanym transkrypcja.

Transkrypcję osiągają specjalne enzymy znane jako polimerazy RNA, które wykorzystują jedną z komplementarnych nici DNA genu jako matrycę do syntezy cząsteczki „pre-mRNA”, która jest następnie przetwarzana w celu utworzenia dojrzałego mRNA.

W przypadku genów, które kodują białka, informacje zawarte w dojrzałych mRNA są „odczytywane” i tłumaczone na aminokwasy zgodnie z kodem genetycznym, który określa, który kodon lub tryplet nukleotydów odpowiada określonemu aminokwasowi.

Specyfikacja sekwencji aminokwasów białka zależy zatem od początkowej sekwencji zasad azotowych w DNA, które odpowiada genowi, a następnie w mRNA, które przenosi tę informację z jądra do cytozolu (w komórkach eukariotycznych); proces, który jest również określany jako synteza białek kierowana przez mRNA.

Biorąc pod uwagę, że istnieją 64 możliwe kombinacje 4 zasad azotowych, które tworzą DNA i RNA i tylko 20 aminokwasów, aminokwas może być kodowany przez różne tryplety (kodony), dlatego mówi się, że kod genetyczny jest „zdegenerowany” (z wyjątkiem aminokwasu metioniny, który jest kodowany przez unikalny kodon AUG).

Tłumaczenie eukariotyczne (proces krokowy)

Schemat zwierzęcej komórki eukariotycznej i jej części (źródło: Alejandro Porto via Wikimedia Commons)

W komórkach eukariotycznych transkrypcja zachodzi w jądrze, a translacja w cytozolu, więc mRNA, które powstają podczas pierwszego procesu, również odgrywają rolę w transporcie informacji z jądra do cytozolu, w którym znajdują się komórki. maszyny biosyntetyczne (rybosomy).

Należy wspomnieć, że kompartmentalizacja transkrypcji i translacji u eukariotów jest prawdziwa dla jądra, ale nie jest taka sama dla organelli z własnym genomem, takich jak chloroplasty i mitochondria, które mają układy bardziej podobne do organizmów prokariotycznych.

Komórki eukariotyczne mają również cytozolowe rybosomy przyczepione do błon retikulum endoplazmatycznego (szorstkie retikulum endoplazmatyczne), w którym zachodzi translacja białek przeznaczonych do wprowadzenia do błon komórkowych lub wymagających obróbki potranslacyjnej, która zachodzi w wymienionym przedziale. .

- Przetwarzanie mRNA przed ich translacją

MRNA są modyfikowane na swoich końcach, gdy są transkrybowane:

- Kiedy koniec 5 'mRNA wyłania się z powierzchni polimerazy RNA II podczas transkrypcji, jest natychmiast „atakowany” przez grupę enzymów, które syntetyzują „kaptur” złożony z guanylanu 7-metylu i który jest połączony z nukleotydem koniec mRNA przez wiązanie trifosforanowe 5 ', 5'.

- Koniec 3 'mRNA podlega „rozszczepieniu” przez endonukleazę, która generuje wolną grupę hydroksylową 3', do której przyłączony jest „łańcuch” lub „ogon” reszt adeniny (od 100 do 250). pojedynczo przez enzym poli (A) polimerazę.

„Kaptur 5 '” i „ogon poli A” pełnią funkcje w ochronie cząsteczek mRNA przed degradacją, a ponadto pełnią funkcję w transporcie dojrzałych transkryptów do cytozolu oraz w inicjowaniu i kończeniu tłumaczenie, odpowiednio.

K orta i splatanie

Po transkrypcji „pierwotne” mRNA z ich dwoma zmodyfikowanymi końcami, nadal obecne w jądrze, przechodzą proces „splicingu”, w którym sekwencje intronowe są na ogół usuwane, a powstałe egzony są łączone (obróbka potranskrypcyjna). , z którym uzyskuje się dojrzałe transkrypty, które opuszczają jądro i docierają do cytozolu.

Składanie jest wykonywane przez kompleks ryboprotein zwany spliceosomem (anglicyzm spliceosomów), składający się z pięciu małych rybonukleoprotein i cząsteczek RNA, które są w stanie „rozpoznać” regiony, które mają być usunięte z pierwotnego transkryptu.

U wielu eukariontów występuje zjawisko znane jako „splicing alternatywny”, co oznacza, że ​​różne typy modyfikacji potranskrypcyjnych mogą wytwarzać różne białka lub izoenzymy, które różnią się od siebie niektórymi aspektami ich sekwencji.

- Rybosomy

Kiedy dojrzałe transkrypty opuszczają jądro i są transportowane do translacji w cytozolu, są przetwarzane przez kompleks translacyjny znany jako rybosom, który składa się z kompleksu białek związanych z cząsteczkami RNA.

Rybosomy składają się z dwóch podjednostek, jednej „dużej” i jednej „małej”, które są swobodnie dysocjowane w cytozolu i wiążą się lub łączą z cząsteczką mRNA podlegającą translacji.

Wiązanie między rybosomami i mRNA zależy od wyspecjalizowanych cząsteczek RNA, które łączą się z białkami rybosomalnymi (rybosomalny RNA lub rRNA i przenoszący RNA lub tRNA), z których każda ma określone funkcje.

TRNA są molekularnymi „adaptorami”, ponieważ z jednego końca mogą „odczytać” każdy kodon lub tryplet w dojrzałym mRNA (przez komplementarność zasad), a poprzez drugi mogą wiązać się z aminokwasem kodowanym przez kodon „odczytany”.

Z drugiej strony, cząsteczki rRNA są odpowiedzialne za przyspieszanie (katalizowanie) procesu wiązania każdego aminokwasu w powstającym łańcuchu peptydowym.

Dojrzałe eukariotyczne mRNA może być „odczytywane” przez wiele rybosomów, tyle razy, na ile wskazuje komórka. Innymi słowy, z tego samego mRNA może powstać wiele kopii tego samego białka.

Rozpocznij kodon i ramkę odczytu

Kiedy podjednostki rybosomalne zbliżają się do dojrzałego mRNA, kompleks ryboproteinowy „skanuje” sekwencję wspomnianej cząsteczki, aż znajdzie kodon start, którym zawsze jest AUG i obejmuje wprowadzenie reszty metioniny.

Kodon AUG definiuje ramkę odczytu dla każdego genu, a ponadto definiuje pierwszy aminokwas ze wszystkich białek podlegających translacji w przyrodzie (ten aminokwas jest wielokrotnie eliminowany potranslacyjnie).

Kodony zatrzymania

Trzy inne kodony zostały zidentyfikowane jako te, które indukują terminację translacji: UAA, UAG i UGA.

Te mutacje, które obejmują zmianę zasad azotowych w triplecie, który koduje aminokwas i które prowadzą do powstania kodonów stop, są znane jako mutacje nonsensowne, ponieważ powodują przedwczesne zatrzymanie procesu syntezy, w wyniku którego powstają krótsze białka.

Regiony nieprzetłumaczone

W pobliżu końca 5 'dojrzałych cząsteczek mRNA znajdują się nieulegające translacji regiony (UTR), zwane także sekwencjami „liderowymi”, które znajdują się między pierwszym nukleotydem a kodonem startu translacji ( SIE).

Te regiony UTR, które nie ulegają translacji, mają specyficzne miejsca wiązania z rybosomami iu ludzi, na przykład, mają długość około 170 nukleotydów, wśród których znajdują się regiony regulatorowe, miejsca wiązania białek, które działają w regulacji tłumaczenie itp.

- Rozpoczęcie tłumaczenia

Translacja, podobnie jak transkrypcja, składa się z 3 faz: fazy inicjacji, fazy elongacji i wreszcie fazy terminacji.

Inicjacja

Polega na złożeniu kompleksu translacyjnego na mRNA, który zasługuje na wiązanie trzech białek znanych jako czynnik inicjacji (IF) IF1, IF2 i IF3 z małą podjednostką rybosomu.

Kompleks „wstępnej inicjacji” utworzony przez czynniki inicjujące i małą podjednostkę rybosomalną z kolei wiąże się z tRNA, które „przenosi” resztę metioniny i ten zestaw cząsteczek wiąże się z mRNA, w pobliżu kodonu start. SIE.

Te zdarzenia prowadzą do wiązania mRNA z dużą podjednostką rybosomu, co prowadzi do uwolnienia czynników inicjujących. Duża podjednostka rybosomu ma 3 miejsca wiązania dla cząsteczek tRNA: miejsce A (aminokwas), miejsce P (polipeptyd) i miejsce E (wyjście).

Miejsce A wiąże się z antykodonem aminoacylo-tRNA, który jest komplementarny do tego z mRNA podlegającego translacji; miejsce P to miejsce, w którym aminokwas jest przenoszony z tRNA do powstającego peptydu, a miejsce E jest miejscem, w którym znajduje się w „pustym” tRNA przed uwolnieniem do cytozolu po dostarczeniu aminokwasu.

Graficzne przedstawienie fazy inicjacji i wydłużania tłumaczenia (źródło: Jordan Nguyen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Wydłużenie

Faza ta składa się z „ruchu” rybosomu wzdłuż cząsteczki mRNA i translacji każdego kodonu, czyli „odczytu”, co oznacza wzrost lub wydłużenie łańcucha polipeptydowego w chwili urodzenia.

Proces ten wymaga czynnika znanego jako czynnik elongacji G i energii w postaci GTP, która napędza translokację czynników elongacji wzdłuż cząsteczki mRNA podczas translacji.

Aktywność transferazy peptydylowej rybosomalnego RNA pozwala na tworzenie wiązań peptydowych między kolejnymi aminokwasami, które są dodawane do łańcucha.

Zakończenie

Translacja kończy się, gdy rybosom napotka którykolwiek z kodonów terminacyjnych, ponieważ tRNA nie rozpoznają tych kodonów (nie kodują aminokwasów). Białka znane jako czynniki uwalniające również wiążą się, co ułatwia oderwanie mRNA od rybosomu i dysocjację jego podjednostek.

Tłumaczenie prokariotyczne (kroki-procesy)

U prokariotów, podobnie jak w komórkach eukariotycznych, rybosomy odpowiedzialne za syntezę białek znajdują się w cytozolu (co jest również prawdą w przypadku mechanizmu transkrypcyjnego), co pozwala na szybki wzrost stężenia cytozolowego białka. kiedy wzrasta ekspresja genów, które ją kodują.

Chociaż nie jest to niezwykle powszechny proces w tych organizmach, pierwotne mRNA wytwarzane podczas transkrypcji mogą ulegać potranskrypcyjnej dojrzewaniu poprzez „splicing”. Jednak najczęściej obserwuje się rybosomy przyłączone do pierwotnego transkryptu, które dokonują jego translacji w tym samym czasie, w którym jest transkrybowany z odpowiedniej sekwencji DNA.

W związku z powyższym translacja u wielu prokariotów rozpoczyna się na końcu 5 ', ponieważ koniec 3' mRNA pozostaje przyłączony do matrycowego DNA (i zachodzi jednocześnie z transkrypcją).

Regiony nieprzetłumaczone

Komórki prokariotyczne wytwarzają również mRNA z nieulegającymi translacji regionami znanymi jako „kaseta Shine-Dalgarno” i której sekwencją konsensusową jest AGGAGG. Jak widać, regiony UTR bakterii są znacznie krótsze niż te w komórkach eukariotycznych, chociaż pełnią podobne funkcje podczas translacji.

Proces

W bakteriach i innych organizmach prokariotycznych proces translacji przebiega podobnie jak w przypadku komórek eukariotycznych. Składa się również z trzech faz: inicjacji, elongacji i terminacji, które zależą od specyficznych czynników prokariotycznych, innych niż te stosowane przez eukarionty.

Na przykład wydłużenie zależy od znanych czynników wydłużania, takich jak EF-Tu i EF-Ts, a nie od współczynnika G eukariotów.

Bibliografia

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. i Walter, P. (2007). Biologia molekularna komórki. Garland Science. Nowy Jork, 1392.
2. Clancy, S. & Brown, W. (2008) Translation: DNA to mRNA to Protein. Edukacja przyrodnicza 1 (1): 101.
3. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT i Miller, JH (2005). Wprowadzenie do analizy genetycznej. Macmillan.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, Bretscher, A.,… & Matsudaira, P. (2008). Biologia komórki molekularnej. Macmillan.
5. Nelson, DL, Lehninger, AL i Cox, MM (2008). Zasady Lehningera biochemii. Macmillan.
6. Rosenberg, LE i Rosenberg, DD (2012). Ludzkie geny i genomy: nauka. Health, Society, 317-338.