Podczas transkrypcji sekwencja DNA genu jest przepisywana (kopiowana), aby utworzyć cząsteczkę RNA. Tłumaczenie na polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".

Kluczowe punkty:

  • Transkrypcja jest pierwszym etapem ekspresji genów. Polega na kopiowaniu sekwencji DNA genu, aby zsyntetyzować cząsteczkę RNA.
  • Transkrypcję przeprowadzają enzymy nazywane polimerazami RNA, które łączą nukleotydy i tworzą nić RNA (wykorzystując nić DNA jako matrycę).
  • Transkrypcja ma trzy etapy: inicjację, elongację i terminację.
  • U eukariotów, cząsteczki RNA muszą ulegać obróbce po transkrypcji: są łączone i mają na swoich końcach czapeczkę i ogon poli-A.
  • Transkrypcja jest kontrolowana oddzielnie dla każdego genu w Twoim genomie.

Wstęp

Czy kiedykolwiek musiałeś coś przepisywać? Może ktoś zostawił Ci wiadomość na poczcie głosowej i musiałeś ją zapisać. Lub sporządzałeś notatki w klasie, a potem przepisywałeś je starannie, aby ułatwić sobie powtórkę wiadomości.
Jak pokazują te przykłady, transkrypcja jest procesem, w którym przepisywana jest informacja. Transkrypcja jest tym, co robimy codziennie i jest także tym, co muszą robić komórki, w bardziej wyspecjalizowany i ściśle zdefiniowany sposób. W biologii, transkrypcja jest procesem, w którym kopiuje się sekwencję DNA genu na podobny alfabet RNA.

Omówienie transkrypcji

Transkrypcja jest pierwszym etapem w ekspresji genów, w której informacja z genu jest wykorzystywana do budowy funkcjonalnego produktu takiego jak białko. Celem transkrypcji jest synteza kopii RNA sekwencji DNA genu. Dla genu kodującego białko kopia RNA, czyli transkrypt, niesie informację niezbędną do budowy polipeptydu (białka lub jego podjednostki). Transkrypty eukariotyczne muszą ulegać etapom obróbki przed przepisaniem ich na białka.
Podczas transkrypcji fragment DNA otwiera się. Jedna nić, nić matrycowa, służy jako matryca do syntezy komplementarnego transkryptu RNA. Druga nić, nić kodująca jest identyczna z transkryptem RNA co do sekwencji, poza tym, że ma uracyl (U) w miejscu tyminy (T).
Przykład:
Nić kodująca: 5'-ATGATCTCGTAA-3' Nić matrycowa: 3'-TACTAGAGCATT-5' Transkrypt RNA: 5'-AUGAUCUCGUAA-3'
W przypadku genu kodującego białko, transkrypt zawiera informację niezbędną do syntezy polipeptydu (białka lub jego podjednostki) z poszczególnymi aminokwasami sekwencji. W tym przypadku:
Transkrypt RNA (działający jako mRNA): 5'-AUGAUCUCGUAA-3' Polipeptyd: Met-Ile-Ser-STOP

Polimeraza RNA

Głównym enzymem zaangażowanym w transkrypcję jest polimeraza RNA, która wykorzystuje jednoniciową matrycę DNA do syntezy komplementarnej nici RNA. Polimeraza RNA tworzy nić RNA w kierunku od 5' do 3', dodając każdy nowy nukleotyd do końca 3' nici.
Polimeraza RNA syntetyzuje nić RNA, która jest komplementarna do matrycowej nici DNA. Syntetyzuje nić RNA w kierunku od 5' do 3', podczas gdy matrycowa nić DNA jest odczytywana w kierunku od 3' do 5'. Matrycowa nić DNA i nić RNA są antyrównoległe.
Transkrypt RNA: 5'-UGGUAGU...-3' (kropki oznaczają koniec 3', gdzie są dodawane nukleotydy) Matryca DNA: 3'-ACCATCAGTC-5'

Etapy transkrypcji

Transkrypcja genu zachodzi w trzech etapach: inicjacji, elongacji i terminacji. Tutaj szybko prześledzimy jak wyglądają te procesy u bakterii. Możesz dowiedzieć się więcej na temat każdego z etapów (i o tym czym różni się transkrypcja eukariotyczna od prokariotycznej) w artykule o etapach transkrypcji.
  1. Inicjacja. Polimeraza RNA łączy się z sekwencją DNA nazywaną promotorem, znajdującą się blisko początku genu. Każdy gen (lub u bakterii grupa genów ulegająca wspólnie transkrypcji) ma swój własny promotor. Raz przyłączona polimeraza RNA oddziela nici DNA zapewniając tym samym matrycę do transkrypcji.
    Region promotora występuje przed (i trochę nakłada się z) fragmentem ulegającym transkrypcji, którego transkrypcję kontroluje. Zawiera miejsca rozpoznawania przez polimerazę RNA lub miejsca wiązania białek pomocniczych. DNA otwiera się w regionie promotora, więc polimeraza RNA może rozpocząć transkrypcję.
  2. Elongacja. Jedna nić DNA, nić matrycowa, działa jako matryca dla polimerazy RNA. Ponieważ polimeraza "odczytuje" matrycę zasada po zasadzie, tworzy ona cząsteczkę RNA o komplementarnych nukleotydach, budując łańcuch, który rośnie od 5' do 3'. Transkrypt RNA niesie tą samą informację jak niematrycowa (kodująca) nić DNA, ale zawiera uracyl (U) zamiast tyminy (T).
    Dwa końce nici DNA lub RNA różnią się między sobą. To znaczy, że nici DNA i RNA mają kierunkowość.
    • Na końcu 5' łańcucha wystaje grupa fosforanowa pierwszego nukleotydu w łańcuchu. Grupa fosforanowa jest przyłączona do węgla 5' pierścienia cukrowego, i to dlatego jest nazywana końcem 5'.
    • Na drugim końcu nazywanym końcem 3', wyeksponowana jest grupa hydroksylowa dodana do łańcucha. Grupa hydroksylowa jest przyłączona do węgla 3' pierścienia cukrowego, i to dlatego jest nazywana końcem 3'.
    Wiele procesów, takich jak replikacja DNA i transkrypcja, może tylko mieć miejsce w jednym określonym kierunku zgodnym z kierunkowością nici DNA lub RNA.
    Możesz dowiedzieć się więcej w artykule o kwasach nukleinowych.
    Polimeraza RNA syntetyzuje transkrypt RNA komplementarnie do nici matrycowej, w kierunku od 5' do 3'. Porusza się wzdłuż nici matrycowej w kierunku od 3' do 5', otwierając tym samym podwójną helisę DNA. Syntetyzowane RNA pozostaje przyłączone do nici matrycowej na chwilkę, później opuszcza polimerazę jako zwisająca z niej nić, umożliwiając DNA z powrotem zacieśnić się i utworzyć podwójną helisę.
    W tym przykładzie, sekwencje nici kodującej, matrycowej i transktypt RNA to:
    Nić kodująca: 5' - ATGATCTCGTAA-3'
    Nić matrycowa: 3'-TACTAGAGCATT-5'
    RNA: 5'-AUGAUC...-3' (kropki oznaczają miejsce, gdzie nukleotydy są dodawane do końca 3' nici RNA)
  3. Terminacja. Sekwencja nazywana terminatorem sygnalizuje, że transkrypt RNA jest kompletny.. Kiedy jest transkrybowany, powoduje, że transkrypt jest uwalniany z polimerazy RNA. Poniżej został pokazany przykład mechanizmu terminacji polegający na formowaniu spinki do włosów w strukturze RNA.
    Terminator DNA koduje region RNA, który tworzy strukturę spinki do włosów, po której następuje ciąg uracyli. W transkrypcie struktura spinki do włosów powoduje zatrzymanie polimerazy RNA. Uracyle, które występują po spince do włosów tworzą słabe wiązania z adeninami matrycy DNA, pozwalając tym samym na oddzielenie transkryptu od matrycy na końcu transkrypcji.

Modyfikacje eukariotycznego RNA

U bakterii, transkrypty RNA mogą od razu działać jako informacyjne RNA (mRNA). U eukariotów transkrypt genu kodującego białko jest nazywany pre-mRNA i musi ulec dodatkowej obróbce przed tym jak może zostać skierowany do translacji.
  • Eukariotyczne pre-mRNA muszą mieć zmodyfikowane końce poprzez dodanie czapeczki (na początku, czyli końcu 5') i ogona poli-A (na końcu, czyli końcu 3').
  • Wiele eukariotycznych pre-mRNA ulega splicingowi. W tym procesie części pre-mRNA (nazywane intronami) są wycinane z nici a pozostałe fragmenty (nazywane eksonami) są łączone razem ze sobą.
    Góra obrazka: Schemat pokazujący pre-mRNA z czapeczką i ogonem poli-A. Czapeczka znajduje się na końcu 5' pre-mRNA i jest zmodyfikowaną guaniną. Ogon poli-A jest na końcu 3' pre-mRNA i składa się z długiego ciągu adenin (tylko kilka z nich zostało pokazanych).
    Pre-mRNA nadal zawiera i eksony i introny. Patrząc wzdłuż mRNA zauważamy zmieniający się wzór eksonów i intronów: Ekson 1 - Intron 1 - Ekson 2 - Intron 2 - Ekson 3. Każdy zawiera fragment nukleotydów RNA.
    Podczas splicingu, introny są usuwane z pre-mRNA i eksony są razem sklejane tworząc dojrzałe mRNA.
    Dolna część obrazka: Dojrzałe mRNA, które nie zawiera sekwencji intronów (Ekson 1 - Ekson 2 - Ekson 3).
Modyfikacje końców zwiększają stabilność mRNA, podczas, gdy splicing zapewnia prawidłową sekwencję mRNA. (Jeśli introny nie są usuwane, będą one przepisywane wraz z eksonami tworząc "bełkotliwy" polipeptyd.)
Aby dowiedzieć się więcej o modyfikacjach pre-mRNA u eukariotów zajrzyj do artykułu o obróbce pre-mRNA.

Transkrypcja ma miejsce dla poszczególnych genów

Nie wszystkie geny ulegają transkrypcji w tym samym czasie. Transkrypcja jest indywidualnie kontrolowana dla każdego genu (lub, w bakteriach, dla małych grup genów, które same ulegają transkrypcji). Komórki starannie regulują transkrypcję, transkrypcji ulegają tylko te geny, których produkty są niezbędne w danym momencie.
Na przykład, poniższy schemat pokazuje "zdjęcie" wymyślonego RNA komórki w konkretnym momencie. W tej komórce, geny 1, 2 i 3 ulegają transkrypcji, kiedy gen 4 już nie. Także geny 1, 2 ulegają transkrypcji na innych poziomach, co znaczy, że różne ilości cząsteczek RNA są syntetyzowane dla każdego z nich.
Schemat pokazujący, że poszczególne geny ulegają transkrypcji w różnym stopniu.
Schemat pokazujący DNA zawierające cztery geny, z zaznaczonym na granatowo regionem każdego genu ulegającym transkrypcji. Ilość transkryptów każdego genu została przedstawiona powyżej DNA (na osi Y). Jest sześć transkryptów genu 1, jeden transkrypt genu 2, dwanaście transkryptów genu 3 i nie ma transkryptów genu 4.
Nie jest to przykład jakiegokolwiek rzeczywistego zestawu genów i ich poziomów transkrypcji, ale ilustruje on, że transkrypcja jest kontrolowana indywidualnie dla genów i innych jednostek transkrypcyjnych.
W kolejnych artykułach dokładniej przyjrzymy się polimerazie RNA, etapom transkrypcji i obróbce RNA u eukariotów. Także wskażemy niektóre ważne różnice pomiędzy bakteryjną i eukariotyczną transkrypcją.
Zmodyfikowany artykuł może być używany zgodnie z licencją CC BY-NC-SA 4.0.

Bibliografia:

3'-end cleavage and polyadenylation. (2016). Na Nobelprize.org. Źródło: http://www.nobelprize.org/educational/medicine/dna/a/splicing/splicing_endformation.html.
Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2002). Posttranscriptional controls. W Molecular biology of the cell (4th ed.). New York, NY: Garland Science. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26890/.
Berger, Shanna. (2006). Eukaryotic transcription. W Transcription and RNA polymerase II. Źródło: http://www.chem.uwec.edu/Webpapers2006/sites/bergersl/pages/eukaryotic.html.
Brown, T. A. (2002). Assembly of the transcription initiation complex. W Genomes (2nd ed., Ch. 9). Oxford, UK: Wiley-Liss. Źródło: www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21115/.
Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C., Gelbart, W. M. (2000). Transcription and RNA polymerase. W An introduction to genetic analysis (7th ed.). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22085/.
Inverted repeat. (13 lutego 2016). Dostęp 13 lutego 2016 do Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Inverted_repeat.
Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D., Darnell, J. (2000). Bacterial transcription initiation. W Molecular cell biology (4th ed., section 10.2). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21612/.
Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D., Darnell, J. (2000). RNA polymerase II transcription-initiation complex. W Molecular cell biology (4th ed., section 10.6). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21610/.
Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D., Darnell, J. (2000). Transcription termination. W Molecular cell biology (4th ed., section 11.1). New York, NY: W. H. Freeman. Źródło: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21601/.
Moran, L. A. (16 września 2008). How RNA polymerase binds to DNA [Web log post]. W Sandwalk: Strolling with a skeptical biochemist. Źródło: http://sandwalk.blogspot.com/2008/09/how-rna-polymerase-binds-to-dna.html
Polyadenylation. (24 stycznia 2016). Dostęp 11 lutego 2016 do Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Polyadenylation.
Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H., Heller, H.C. (2004). Transcription: DNA-directed RNA synthesis. W Life: the science of biology (7th ed., pp. 237-239). Sunderland, MA: Sinauer Associates.
Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., Singer, S. R. (2014). Genes and how they work. W Biology (10th ed., AP ed., pp. 278-303). New York, NY: McGraw-Hill.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., Jackson, R. B. (2011). Transcription is the DNA-directed synthesis of RNA: A closer look. W Campbell biology (10th ed., pp. 340-342). San Francisco, CA: Pearson.
Saunders, A., Core, L. J., Lis, J. T. (2006). Nature Reviews Molecular Cell Biology, 7, 557-567. http://dx.doi.org/10.1038/nrm1981.
Webb, S. Witte, L., Wong, K., Woreta, T., Yoo, E. (8 maja 2002). TFIIH. W RNA polymerase II in eukaryotes and prokaryotes. Źródło: http://www.biochem.umd.edu/biochem/kahn/molmachines/newpolII/TFIIH.html.