TRANSKRYPCJA DNA: PROCES U EUKARIONTÓW I PROKARIOTÓW - BIOLOGIA - 2025

Transkrypcję DNA jest procesem, w którym informacje zawarte w kwasie dezoksyrybonukleinowym jest kopiowany za podobny, cząsteczką RNA, jako krok do syntezy białka lub do tworzenia cząsteczek RNA związanych z wiele procesów komórkowych o dużym znaczeniu (regulacja ekspresji genów, sygnalizacja itp.).

Chociaż nie jest prawdą, że wszystkie geny organizmu kodują białka, prawdą jest, że wszystkie białka komórki, czy to eukariotycznej, czy prokariotycznej, są kodowane przez jeden lub więcej genów, gdzie każdy aminokwas jest reprezentowany przez zestaw trzech zasad DNA (kodon).

Przetwarzanie genów eukariotycznych (źródło: Leonid 2 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons)

Synteza łańcucha polipeptydowego należącego do dowolnego białka komórkowego zachodzi dzięki dwóm podstawowym procesom: transkrypcji i translacji; oba są silnie regulowane, ponieważ są dwoma procesami o wielkim znaczeniu dla funkcjonowania każdego żywego organizmu.

Co to jest transkrypcja DNA?

Transkrypcja obejmuje tworzenie „matrycy” dla cząsteczki RNA znanej jako „informacyjny RNA” (mRNA) ze „standardowej” sekwencji kodowanej w regionie DNA odpowiadającym genowi, który ma być transkrybowany.

Proces ten jest wykonywany przez enzym zwany polimerazą RNA, który rozpoznaje specjalne miejsca w sekwencji DNA, wiąże się z nimi, otwiera nić DNA i syntetyzuje cząsteczkę RNA, używając jednej z tych komplementarnych nici DNA jako szablonu lub wzorzec, nawet jeśli napotka inną specjalną sekwencję zatrzymania.

Z drugiej strony, translacja to proces, w którym zachodzi synteza białek. Polega na „odczytaniu” informacji zawartych w mRNA, które zostało przepisane z genu, „translacji” kodonów DNA na aminokwasy i utworzeniu łańcucha polipeptydowego.

Translacja sekwencji nukleotydowych mRNA jest przeprowadzana przez enzymy znane jako syntetazy aminoacylo-tRNA, dzięki udziałowi innych cząsteczek RNA zwanych „transferowym RNA” (tRNA), które są antykodonami kodonów zawartych w MRNA, które są wierną kopią sekwencji DNA genu.

Transkrypcja u eukariontów (proces)

Podczas transkrypcji u eukariotów DNA jest wykorzystywane jako matryca do tworzenia nici informacyjnego RNA przy pomocy enzymu polimerazy RNA.

W komórkach eukariotycznych proces transkrypcji zachodzi w jądrze, które jest główną wewnątrzkomórkową organellą, w której DNA jest zawarte w postaci chromosomów. Rozpoczyna się od „kopii” regionu kodującego genu, który jest przepisywany na cząsteczkę z pojedynczym prążkiem znaną jako informacyjny RNA (mRNA).

Ponieważ DNA jest uwięzione we wspomnianych organelli, cząsteczki mRNA działają jako pośrednicy lub transportery w przekazywaniu wiadomości genetycznej z jądra do cytozolu, gdzie zachodzi translacja RNA i cała biosyntetyczna maszyneria syntezy białek ( rybosomy).

- Jakie są geny eukariotyczne?

Gen składa się z sekwencji DNA, której charakterystyka determinuje jego funkcję, ponieważ kolejność nukleotydów w tej sekwencji decyduje o transkrypcji i późniejszej translacji (w przypadku tych, które kodują białka).

Kiedy gen jest transkrybowany, to znaczy, gdy jego informacja jest kopiowana w postaci RNA, wynikiem może być niekodujący RNA (cRNA), który pełni bezpośrednie funkcje w regulacji ekspresji genów, sygnalizacji komórkowej itp. lub może to być informacyjny RNA (mRNA), który zostanie następnie poddany translacji na sekwencję aminokwasów w peptydzie.

Przedstawienie struktury genu eukariotycznego (źródło: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) przez Wikimedia Commons)

To, czy gen ma funkcjonalny produkt w postaci RNA lub białka, zależy od pewnych elementów lub regionów obecnych w jego sekwencji.

Geny, eukariotyczne lub prokariotyczne, mają dwie nici DNA, jedną znaną jako nić „sensowna”, a drugą „antysensowną”. Enzymy odpowiedzialne za transkrypcję tych sekwencji „odczytują” tylko jedną z dwóch nici, zazwyczaj nić „sensowną” lub „kodującą”, która ma „kierunek” 5'-3 '.

Każdy gen ma na końcach sekwencje regulatorowe:

- jeśli sekwencje znajdują się przed regionem kodującym (tym, który będzie transkrybowany), nazywane są „promotorami”

- jeśli są rozdzielone wieloma kilozasadami, mogą „wyciszać” lub „wzmacniać”

- sekwencje, które są najbliżej regionu 3 'genów, są zwykle sekwencjami terminatorowymi, które mówią polimerazie, że musi zatrzymać i zakończyć transkrypcję (lub replikację, w zależności od przypadku)

Region promotora jest podzielony na dystalny i proksymalny, w zależności od jego bliskości do regionu kodującego. Znajduje się na końcu 5 'genu i jest miejscem rozpoznawanym przez polimerazę RNA i inne białka w celu zainicjowania transkrypcji z DNA na RNA.

W proksymalnej części regionu promotorowego mogą wiązać się czynniki transkrypcyjne, które mają zdolność modyfikowania powinowactwa enzymu do transkrybowanej sekwencji, dzięki czemu są odpowiedzialne za pozytywną lub negatywną regulację transkrypcji genów.

Regiony wzmacniające i wyciszające są również odpowiedzialne za regulację transkrypcji genów przez modyfikację „aktywności” regionów promotora poprzez ich wiązanie z elementami aktywatora lub represora „w górę” sekwencji kodującej genu.

Mówi się, że geny eukariotyczne są zawsze domyślnie „wyłączone” lub „stłumione”, więc potrzebują ich aktywacji przez elementy promotorowe, aby uległy ekspresji (transkrypcji).

- Kto jest odpowiedzialny za transkrypcję?

Niezależnie od organizmu, transkrypcja jest przeprowadzana przez grupę enzymów zwanych polimerazami RNA, które podobnie jak enzymy odpowiedzialne za replikację DNA, gdy komórka ma się podzielić, specjalizują się w syntezie łańcucha RNA z jednej z nici DNA transkrybowanego genu.

Polimerazy RNA to duże kompleksy enzymatyczne składające się z wielu podjednostek. Istnieją różne typy:

- polimeraza RNA I (Pol I): która transkrybuje geny kodujące „dużą” podjednostkę rybosomu.

- polimeraza RNA II (Pol II): która transkrybuje geny kodujące białka i produkuje mikro RNA.

- polimeraza RNA III (Pol III): która wytwarza transferowe RNA używane podczas translacji, a także RNA odpowiadające małej podjednostce rybosomu.

- polimerazy RNA IV i V (Pol IV i Pol V): są typowe dla roślin i odpowiadają za transkrypcję małych interferujących RNA.

- Jaki jest proces?

Transkrypcja genów eukariotycznych (źródło: Erinp.5000 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) via Wikimedia Commons)

Transkrypcja genetyczna to proces, który można badać w trzech fazach: inicjacja, elongacja i terminacja.

Inicjacja

Podczas inicjacji region promotorowy region promotorowy genu funkcjonuje jako miejsce rozpoznawane przez polimerazę RNA. Tutaj kontrolowana jest większość ekspresji genów

Polimeraza RNA (powiedzmy polimeraza RNA II) wiąże się z sekwencją regionu promotora, który składa się z odcinka 6 do 10 par zasad na końcu 5 'genu, zwykle około 35 par zasad miejsca startu transkrypcji.

Połączenie polimerazy RNA prowadzi do „otwarcia” podwójnej helisy DNA, oddzielenia komplementarnych nici. Synteza RNA rozpoczyna się w miejscu znanym jako „miejsce inicjacji” i zachodzi w kierunku 5'-3 ', to znaczy „w dół” lub od lewej do prawej (zgodnie z konwencją).

Inicjacja transkrypcji, w której pośredniczą polimerazy RNA, zależy od współistniejącej obecności białkowych czynników transkrypcyjnych zwanych ogólnymi czynnikami transkrypcyjnymi, które przyczyniają się do „lokalizacji” enzymu w regionie promotora.

Po rozpoczęciu polimeryzacji enzymu jest on „usuwany” zarówno z sekwencji promotora, jak i ogólnych czynników transkrypcyjnych.

Wydłużenie

Podczas wydłużania polimeraza RNA zsuwa się w dół łańcucha, który służy jako matryca

Występuje, gdy polimeraza RNA „porusza się” wzdłuż sekwencji DNA i dodaje rybonukleotydy komplementarne do nici DNA, która służy jako „matryca” do rosnącego RNA. Gdy polimeraza RNA „przechodzi” przez nić DNA, łączy się z nić antysensowną.

Polimeryzacja prowadzona przez polimerazę RNA składa się z nukleofilowych ataków tlenu w pozycji 3 'rosnącego łańcucha RNA do fosforanu „alfa” następnego dodawanego prekursora nukleotydu, z następczym utworzeniem wiązań fosfodiestrowych i uwolnieniem cząsteczka pirofosforanu (PPi).

Zestaw składający się z nici DNA, polimerazy RNA i powstającej nici RNA jest znany jako bańka transkrypcyjna lub kompleks.

Zakończenie

Kiedy polimeraza RNA osiągnie region końcowy genu, przekaźnik transkrypcyjny RNA jest kompletny. Następnie polimeraza RNA, nić DNA i przekaźnik transkrypcji RNA ulegają dysocjacji

Terminacja zachodzi, gdy polimeraza osiąga sekwencję terminacji, która jest logicznie zlokalizowana „poniżej” miejsca inicjacji transkrypcji. Kiedy to nastąpi, zarówno enzym, jak i zsyntetyzowany RNA zostają „odłączone” od transkrybowanej sekwencji DNA.

Region terminacji normalnie składa się z sekwencji DNA, która jest zdolna do „fałdowania” się, tworząc strukturę typu „pętli spinki do włosów”.

Po terminacji zsyntetyzowana nić RNA jest znana jako pierwotny transkrypt, który jest uwalniany z kompleksu transkrypcyjnego, po czym może, ale nie musi, być przetwarzany potranskrypcyjnie (przed translacją na białko, jeśli ma to zastosowanie) proces zwany „cięciem i splataniem”.

Transkrypcja u prokariotów (proces)

Ponieważ komórki prokariotyczne nie mają jądra otoczonego błoną, transkrypcja zachodzi w cytozolu, szczególnie w regionie „jądrowym”, w którym skoncentrowany jest chromosomalny DNA (bakterie mają chromosom kolisty).

W ten sposób wzrost stężenia cytozolowego danego białka jest znacznie szybszy u prokariotów niż u eukariontów, ponieważ procesy transkrypcji i translacji zachodzą w tym samym przedziale.

- Jakie są geny prokariotyczne?

Organizmy prokariotyczne mają geny, które są bardzo podobne do eukariontów: te pierwsze również wykorzystują promotor i regiony regulatorowe do ich transkrypcji, chociaż istotna różnica wiąże się z faktem, że region promotora jest często wystarczający do osiągnięcia „silnej” ekspresji geny.

W tym sensie należy wspomnieć, że generalnie geny prokariotyczne są zawsze „włączone” domyślnie.

Region promotora jest powiązany z innym regionem, zwykle „w górę”, który jest regulowany przez cząsteczki represora i jest znany jako „region operatora”.

Przedstawienie struktury genu prokariotycznego (źródło: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) przez Wikimedia Commons)

Różnica w transkrypcji między prokariotami i eukariotami polega na tym, że normalnie przekaźnikowe RNA eukariontów są monocistronowe, to znaczy, że każdy z nich zawiera informacje potrzebne do syntezy pojedynczego białka, podczas gdy u prokariotów mogą one być monocistronowe lub policistronowe, gdzie tylko jedno MRNA może zawierać informacje o dwóch lub więcej białkach.

Tak więc, dobrze wiadomo, że geny prokariotyczne kodujące białka o podobnych funkcjach metabolicznych, na przykład, znajdują się w grupach znanych jako operony, które są jednocześnie transkrybowane do postaci pojedynczej cząsteczki informacyjnego RNA.

Geny prokariotyczne są gęsto upakowane, bez wielu niekodujących regionów między nimi, więc po transkrypcji na liniowe cząsteczki informacyjnego RNA można je natychmiast poddać translacji do białka (eukariotyczne mRNA często wymagają dalszej obróbki).

- Jak działa prokariotyczna polimeraza RNA?

Na przykład organizmy prokariotyczne, takie jak bakterie, używają tego samego enzymu polimerazy RNA do transkrypcji wszystkich swoich genów, to znaczy tych, które kodują podjednostki rybosomalne i te, które kodują różne białka komórkowe.

U bakterii E. coli polimeraza RNA składa się z 5 podjednostek polipeptydowych, z których dwie są identyczne. Podjednostki α, α, β, β 'stanowią centralną część enzymu i łączą się i rozkładają podczas każdego zdarzenia transkrypcji.

Podjednostki α to te, które umożliwiają połączenie między DNA i enzymem; podjednostka β wiąże się z trifosforanowymi rybonukleotydami, które będą polimeryzowane zgodnie z matrycą DNA w powstającej cząsteczce mRNA, a podjednostka β 'wiąże się ze wspomnianą nicią matrycowego DNA.

Piąta podjednostka, znana jako σ, uczestniczy w inicjacji transkrypcji i jest tą, która nadaje specyficzność polimerazie.

- Jaki jest proces?

Transkrypcja u prokariotów jest bardzo podobna do transkrypcji u eukariontów (dzieli się również na inicjację, elongację i terminację), z pewnymi różnicami w tożsamości regionów promotorowych i czynników transkrypcyjnych niezbędnych dla polimerazy RNA wykonywać swoje funkcje.

Chociaż regiony promotora mogą się różnić między różnymi gatunkami prokariotycznymi, istnieją dwie konserwatywne sekwencje „konsensusowe”, które można łatwo zidentyfikować w regionie -10 (TATAAT) i regionie -35 (TTGACA) powyżej sekwencji kodującej.

Inicjacja

Zależy to od podjednostki σ polimerazy RNA, ponieważ pośredniczy w interakcji między DNA a enzymem, dzięki czemu jest zdolny do rozpoznawania sekwencji promotorowych. Inicjacja kończy się, gdy niektóre poronione transkrypty o długości około 10 nukleotydów są produkowane, które są uwalniane.

Wydłużenie

Gdy podjednostka σ zostaje odłączona od enzymu, rozpoczyna się faza elongacji, która polega na syntezie cząsteczki mRNA w kierunku 5'-3 '(około 40 nukleotydów na sekundę).

Zakończenie

Terminacja u prokariotów zależy od dwóch różnych typów sygnałów, może być zależna od Rho i niezależna od Rho.

Białko zależne od Rho jest kontrolowane przez to białko, które „podąża” za polimerazą w miarę postępów w syntezie RNA, aż ta ostatnia osiągnie sekwencję bogatą w guaniny (G), zatrzyma się i wejdzie w kontakt z białkiem Rho. dysocjacja od DNA i mRNA.

Terminacja niezależna od Rh jest kontrolowana przez określone sekwencje genu, zwykle bogate w powtórzenia guanina-cytozyna (GC).

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. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT i Miller, JH (2005). Wprowadzenie do analizy genetycznej. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, Bretscher, A.,… & Matsudaira, P. (2008). Biologia komórki molekularnej. Macmillan.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL i Cox, MM (2008). Zasady Lehningera biochemii. Macmillan.
5. Rosenberg, LE i Rosenberg, DD (2012). Ludzkie geny i genomy: nauka. Health, Society, 317-338.
6. Shafee, T. i Lowe, R. (2017). Struktura genów eukariotycznych i prokariotycznych. Wiki Journal of Medicine, 4 (1), 2.
7. McGraw-Hill Animations, youtube.com. Transkrypcja i translacja DNA.