Transkrypcja i jej rola w ekspresji genów

Ogólne zasady transkrypcji• Wszystkie kwasy nukleinowe są syntetyzowane na matrycy DNA• Enzymem katalizującym proces jest zależna od DNA polimeraza RNA, korzystająca

tylko z jednego pasma DNA – matrycowego (zatem tylko jedna z dwóch nici DNA stanowiących gen jest komplementarna do mRNA),przyłącza się do niego i przesuwa się w kierunku 3’ do 5’ końca

• Do reakcji potrzebne są wszystkie cztery trifosforany rybonukleozydów (ATP, GTP, CTP, i UTP) oraz jony Mg2+

• Starter jest zbędny (sekwencja zasad DNA zawiera sygnały dla inicjacji i terminacji syntezy RNA)

• Wzrost łańcucha RNA odbywa się od 5’ do 3’ końca

Proces transkrypcji u Prokaryota

Polimeraza RNA • Struktura wielopodjednostkowa (α, β, β’ i σ )• Kompleks rdzeniowy tworzą podjednostki 2 α i 2 β (β i β’)• Holoenzym składa się z kompleksu rdzeniowego i czynnika białkowego σ• Podjednostka σ (sigma) jest luźno związana z resztą enzymu, a jej rola polega na

rozpoznawaniu promotora (sekwencji DNA, która sygnalizuje początek transkrypcji RNA)

• Prawdopodobnie posiada aktywność rozwijającą, która otwiera helisę DNA Bakterie zawierają wiele czynników σ , działających jako białka regulatorowe, które modyfikują swoistość rozpoznawania promotora polimerazy RNA. Występowanie różnych czynników σ skorelowane jest w czasie z różnymi programami ekspresji genów. Luźno związana podjednostka σ jest uwalniana z kompleksu po rozpoczęciu transkrypcji.

Region promotora• Miejsce wiązania polimerazy leży w górę (w lewo od genu) od miejsca startu

transkrypcji, które oznacza się symbolem +1• Regiony promotora są bogate w pary A-T• Długość promotorów bakteryjnych wynosi ok. 40 nukleotydów, na tym odcinku

znajdują się dwie krótkie sekwencje konserwatywne, tzw. ramka-35 i ramka Pribnowa

Proces elongacyjny• Kompleks składający się z polimerazy RNA, matrycy DNA oraz rosnącego transkryptu

(kompleks elongacyjny)• Następuje rozwinięcie podwójnej helisy DNA na odcinku ok. 17 par zasad oraz

synteza transkryptu RNA od 5’ do 3’ końca

Terminacja transkrypcji• Zakończenie syntezy cząsteczki RNA jest wyznaczone przez sekwencję na paśmie

matrycowym• Sekwencja ta rozpoznawana jest przez białko terminacji, nazywane też czynnikiem

rho (ρ)

Animacja

Produkty transkrypcji• mRNA – nie wymaga żadnych lub wymaga nieznacznych modyfikacji przed

translacją ( w wielu wypadkach translacja rozpoczyna się jeszcze przed zakończeniem transkrypcji )

• Prekursorowe tRNA i rRNA ulegają tzw. dojrzewaniu RNA, które polega na rozcinaniu pre-RNA w efekcie czego powstają 23S, 16S, i 5S oraz czasteczka tRNA, a występujący miedzy wymienionymi RNA jest degradowany

Proces transkrypcji u Eukaryota

Inicjacja transkrypcji• Aby polimeraza RNAII mogła rozpocząć transkrypcję, wymaga współdziałania z

czynnikami transkrypcyjnymi (TFII), które muszą utworzyć specyficzny kompleks• Z blokiem TATA wiąże się TFIID (najważniejszą jednostką tego kompleksu jest TBP,

konieczną do inicjacji transkrypcji przez wszystkie trzy polimerazy) co jest ułatwiane przez TFIIA, który jednocześnie zapobiega łączeniu się z TFIID czynników hamujących jego aktywność

• Przyłączenie się TFIIB-> asocjacja polimerazy RNAII w formie kompleksu z TFIIF• Wiązanie się TFIIE, TFIIH, TFIIJ

Tak utworzony kompleks białkowy nazywany jest kompleksem inicjującym transkrypcję.Dopiero teraz może dojść do rozpoczęcia transkrypcji w miejscu 25pz poniżej kasety TATA, proces ten będzie jednak zachodził wolno ponieważ opisany wyżek kompleks inicjujący i czynniki białkowe są zaliczane do podstawowych.

Elementy wzmacniające lub tłumiące• Mogą występować zarówno w górę jak i w dół od miejsca startu transkrypcji i nieraz

umiejscowione są w odległości setek lub tysięcy par zasad od jednostek transkrypcyjnych

• Pośredniczą w rekcji na różne sygnały, jak: hormony, metale, związki chemiczne, szok termiczny, itd.

• Zwiększają bądź zmniejszają szybkość syntezy RNA po inicjacji

Polimerazy RNA• Wyróżnia się trzy klasy – I, II i III• Wszystkie składają się z dwóch dużych podjednostek i kilku mniejszych

• Polimeraza I jest zlokalizowana w jąderku i transkrybuje większość genów rRNA (28S, 5,8S i 18S)

• Polimeraza II występuje w nukleoplazmie, transkrybuje wszystkie geny kodujące białka (syntetyzuje mRNA) i niektóre geny małych jądrowych RNA (snRNA)

• Polimeraza III również występuje w nukleoplazmie, jej produktami są tRNA, 5SRNA, U6-snRNA, małe jąderkowe RNA (snoRNA)

Rozmieszczenie niektórych elementów sekwencyjnych genach kodujących cząsteczki mRNA. Pierwszy nukleotyd transkrybowany na pre-mRNA jest określany jako miejsce startu (numerowany jako +1), a wszystkie inne nukleotydy są numerowane od tego miejsca. Nukleotydy położone w górę (na lewo) od tego miejsca są numerowane -1, -2, -3 itd., natomiast w dół (na prawo) od punktu startu są numerowane +1, +2, +3 itd.. Fragment genu transkrybowany na pre-mRNA zawiera 5’ i 3’ segmenty, które nie ulegają translacji, oraz sekwencje kodujące. W pewnym miejscu transkrybowanej części genu znajduje się trójka zasad (ang.triplet) odpowiadająca kodonowi AUG, który jest pierwszym kodonem kodującym aminokwas na rybosomie w procesie syntezy białka. Ten kodon startowy zaznacza początek sekwencji kodujących polipeptyd. Dalej w dół znajduje się kodon terminacyjny (jeden z trzech) wskazujący punkt zakończenia syntezy białka. W obrębie sekwencji kodującej może być włączony jeden bądź więcej intronów. jeszcze dalej w dół znajdują się końcowe segmenty kopiowane na pre-mRNA, pośród nich sekwencja AAUAAA, która jest sygnałem do przecięcia transkryptów eukariotycznych przez specjalną nukleazę oraz przyłączenia ogona poliadenylowego.

Produkty transkrypcji Wytworzone w procesie transkrypcji trzy rodzaje RNA (tRNA, rRNA i mRNA) ulegają następnie enzymatycznym modyfikacjom (potranskrypcyjnym), co prowadzi do utworzenia ich funkcjonalnych form (dojrzewanie RNA) Przyłączenie czapeczki w postaci nukleotydu 7-metyloguanylowego do 5’końca pre-mRNA jeszcze w trakcie jego syntezy oraz przyłączenie ogona poliadenylowego (składającego się z nukleotydów adeninowych) do 3’końca po zakończeniu syntezy i odcięciu transkryptu Z pre-mRNA sekwencje intronowe zostają usuwane, a sąsiadujące ze sobą eksony łączą się (z udziałem ligaz) w ciągły liniowy odcinek sekwencji kodujących syntezę określonego białka Dojrzewanie pre-rRNA to seria złożonych procesów potranskrypcyjnych w wyniku których następuje degradacja prawie połowy pierwotnego transkryptu (fragmentacja i usuwanie sekwencji zbędnych przy udziale egzo- i endonukleaz; 45S : 18S, 28S i zasocjowany z nim 5,8S) Pre-tRNA zawiera w swojej strukturze introny znajdujące się w sekwencji która odpowiada matrycowej sekwencji dzielącej wewnętrzny promotor składający się z dwóch części