DNA-Transkription: Prozess und Mechanismus der DNA-Transkription

Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über die DNA-Transkription zu erfahren: Prozess und Mechanismus der DNA-Transkription

Der Vorgang des Kopierens der genetischen Information von einem Antisense- oder Template-Strang der DNA in RNA wird als Transkription bezeichnet. Es ist dafür gedacht, die kodierten Informationen von der DNA an die Stelle zu bringen, an der sie für die Proteinsynthese benötigt werden. Komplementaritätsprinzipien werden sogar bei der Transkription verwendet.

Die Ausnahme ist, dass (i) Uracil anstelle von Thymin gegenüber Adenin der Matrize eingebaut wird, (ii) nur der Matrizenstrang der DNA transkribiert wird. Beide DNA-Stränge können nicht bei der Transkription kopiert werden, da dadurch zwei Arten von Proteinen erzeugt werden, einer mit der richtigen Aminosäuresequenz und der andere mit einer umgekehrten Aminosäuresequenz.

Wenn zwei komplementäre RNAs gleichzeitig produziert werden, neigen sie außerdem dazu, doppelsträngige RNA zu bilden, was zur Nicht-Übersetzung von codierter Information in Proteine ​​führt. Die gesamte Übung der Transkription erscheint dann als vergeblich.

Transkriptionseinheit:

Das DNA-Segment, das an der Transkription beteiligt ist, wird als Transkriptionseinheit bezeichnet (Abb. 6.16). Es hat drei Komponenten (i) einen Promotor, (ii) das Strukturgen und (iii) einen Terminator. Eukaryoten benötigen neben einem Promotor auch einen Enhancer. Der Promotor befindet sich stromaufwärts des Strukturgens. Konventionell wird es 5'-Ende genannt (des kodierenden Strangs, der 3'-Ende des Templatstrangs ist). Der Terminatorbereich liegt stromabwärts des Strukturgens am 3'-Ende (des kodierenden Strangs, der tatsächlich 5'-Ende des Templatstrangs ist). Der Promotor hat verschiedene Teile für die Bindung an verschiedene Transkriptionsfaktoren.

In vielen Fällen hat der Promotor eine AT-reiche Region, die als TATA-Box bezeichnet wird. Der Bereich hat eine Furche, zu der sich spezifische Proteinkomponenten kombinieren lassen. TATA-enthaltende Region wird nach dem Namen ihres Entdeckers auch als Pribnow-Box bezeichnet.

Das Strukturgen ist Bestandteil des DNA-Strangs mit 3 '→ 5'-Polarität (da die Transkription nur in 5'→ 3'-Richtung erfolgen kann). Dieser DNA-Strang wird als Template-Strang oder Master-Strang oder Antisense- oder (-) - Strang bezeichnet. Der andere Strang mit einer Polarität von 5 '→ 3' wird während der Transkription verschoben. Dieser Nicht-Schablonenstrang, der nicht an der Transkription beteiligt ist, wird auch als Sense- oder Codierungsstrang oder Plus (+) - Strang bezeichnet, da der in diesem Strang vorhandene genetische Code dem genetischen Code (basierend auf mRNA) ähnlich ist, mit der Ausnahme, dass Uracil durch Thymin ersetzt wird.

Mechanismus der Transkription:

In Eukaryonten findet die Transkription in differenzierten Zellen in der gesamten I-Phase statt, insbesondere aber in G ₁ - und G ₂ -Phasen des Zellzyklus im Zellkern. Abhängig von den Erfordernissen kann ein Strukturgen eine Vielzahl von RNA-Molekülen transkribieren. Die Transkriptionsprodukte bewegen sich zur Translation in das Zytoplasma.

Bei Prokaryoten erfolgt die Transkription in Kontakt mit dem Zytoplasma, da ihre DNA im Zytoplasma liegt. Die Transkription erfordert eine DNA-abhängige RNA-Polymerase. Eukaryonten haben drei RNA-Polymerasen, Pol I (Pol A) (für Ribosomen oder rRNAs außer 5S-rRNA), Pol II (für mRNA, snRNS) und Pol III (für Transfer oder tRNA, 5S-rRNA und einige snRNAs). Eukaryotische RNA-Polymerasen benötigen zur Initiierung auch Transkriptionsfaktoren.

An der Transkription verschiedener Ribonukleinsäuren sind verschiedene Teile der DNA beteiligt. Prokaryoten haben nur eine RNA-Polymerase, die alle Arten von RNAs synthetisiert. Die Rna-Polymerase von Escherichia coli weist fünf Polypeptidketten β, β ', α, α' und einen σ (Sigma) -Faktor auf. Das Holoenzym hat ein Molekulargewicht von 4, 50.000. Sigma oder ein Faktor erkennt das Startsignal oder die Promotorregion (TATA-Box) von DNA.

Der Teil des Polymerase-Enzyms minus с-Faktor wird als Kernenzym bezeichnet (Abb. 6.17). α- und α'-Polypeptide sind schützend, während β und β 'katalytischer Natur sind.

Für die Beendigung der Transkription ist ein Terminationsfaktor namens Rho (p) -Faktor erforderlich. Eine Reihe weiterer Faktoren ist ebenfalls erforderlich - zum Abwickeln von DNA-Duplex, Stabilisierung des abgewickelten DNA-Strangs, Basenpaarung, Trennung und Prozessierung von transkribierter RNA.

1. Aktivierung von Ribonukleotiden:

Ribonukleotide unterscheiden sich von Desoxyribonukleotiden darin, dass sie Ribosezucker anstelle von Desoxyribosezucker haben. Thymidinmonophosphat wird durch Uridinmonophosphat ersetzt. Die vier Typen von Ribonukleotiden sind Adenosinmonophosphat (AMP), Guanosinmonophosphat (GMP), Uridinmonosphosphat (UMP) und Cytidinmonophosphat (CMP). Sie kommen im Nukleoplasma frei vor. Vor der Transkription werden die Nukleotide durch Phosphorylierung aktiviert. Enzymphosphorylase wird zusammen mit Energie benötigt. Die aktivierten oder phosphorylierten Ribonukleotide sind Adenosintriphosphat (ATP), Guanosintriphosphat (GTP), Uridintriphosphat (UTP) und Cytidintriphosphat (CTP).

2. DNA-Vorlage:

Bei spezifischen Signalen werden DNA-Abschnitte, die einem oder mehreren Cistrons entsprechen, unterdrückt und stehen zur Transkription bereit. Jedes dieser DNA-Transkriptionssegmente hat eine Promotorregion, eine Initiationsstelle, eine kodierende Region und eine Terminatorregion. Die Transkription beginnt an der Initiationsstelle und endet am Terminatorbereich. Eine Promotorregion hat eine RNA-Polymerase-Erkennungsstelle und eine RNA-Polymerase-Bindungsstelle.

Kettenöffnung tritt in der Region auf, die von TATAATG-Nukleotiden (TATA-Box) in den meisten Prokaryoten eingenommen wird. Für die Kettentrennung erforderliche Enzyme sind Unwindasen, Gyrasen und einsträngige Bindungsproteine. Die Terminatorregion hat entweder eine Poly-A-Basensequenz oder eine Palindromsequenz (identische Basensequenz, die in den beiden DNA-Ketten in entgegengesetzte Richtungen verläuft).

RNA-Polymerase (häufig in Prokaryoten und spezifisch in Eukaryoten) bindet sich an die Promotorregion. Die zwei DNA-Stränge lösen sich progressiv von der Stelle der Polymerase-Bindung ab. Einer der beiden DNA-Stränge (3'- »5 ′) fungiert als Vorlage für die Transkription von RNA. Es wird Master-, Template- oder Antisense-Strang genannt. Die Transkriptionsbildung erfolgt in 5 '-> 3'-Richtung.

3. Basenpaarung:

Ribonukleosidtriphosphate, die im umgebenden Medium vorhanden sind, liegen gegenüber den Stickstoffbasen der DNA-Matrize (Antisense-Strang). Sie bilden komplementäre Paare, U gegenüber A, A gegenüber T, C gegenüber G und G gegenüber C. Ein Pyrophosphat wird aus jedem Ribonukleosidtriphosphat freigesetzt, um ein Ribonukleotid zu bilden. Das Pyrophosphat wird mit Hilfe des Enzyms Pyrophosphatase hydrolysiert. Es setzt Energie frei.

4. Kettenbildung:

Mit Hilfe der RNA-Polymerase verbinden sich die über der DNA-Matrize gehaltenen benachbarten Ribonukleotide zur RNA-Kette. In Prokaryoten erkennt eine einzelne Polymerase den Promotor und die Initiierungsregion. In Eukaryonten gibt es separate Transkriptionsfaktoren und RNA-Polymerase zur Aktivierung der Transkription. Wenn die RNA-Kettenbildung einsetzt, trennt sich der Sigma (a) -Faktor der prokaryontischen RNA-Polymerase. RNA-Polymerase (Kernenzym) bewegt sich entlang der DNA-Matrize und verursacht eine Verlängerung der RNA-Kette mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 Nukleotiden pro Sekunde. Die RNA-Synthese stoppt, sobald die Polymerase die Terminatorregion erreicht. Dazu wird der Rho-Faktor (p) benötigt. Der Terminatorbereich hat ein Stoppsignal. Es besitzt auch 4-8 A-Nukleotide.

5. Trennung von RNA:

Terminierung oder Rho-Faktor hat ATP-Aktivität (Roberts, 1976). Es hilft bei der Freisetzung der kompletten RNA-Kette. Die freigesetzte RNA wird als Primärtranskript bezeichnet. Es wird zu funktionellen RNAs verarbeitet. In vielen Prokaryoten sind einige der strukturellen Gene verwandter Funktionen in Operonen zusammengefasst. Ein Operon wird als einzelne Einheit transkribiert. Eine solche Transkriptionseinheit produziert eine polycistronische mRNA. In Eukaryoten ergibt die Transkriptionseinheit eine monocistronische mRNA.

6. Duplex-Formation. Nach der Freisetzung des Primärtranskripts stellen die beiden DNA-Stränge Verknüpfungen zwischen komplementären Basenpaaren her. Kreisel, Abwindungen und SSB-Proteine ​​werden freigesetzt. Folglich wird die doppelhelicale Form von DNA wieder aufgenommen.

7. Verarbeitung nach der Transkription:

Das primäre Transkript ist oft größer als die funktionellen RNAs. Dieses Primärtranskript wird als heterogene Kern-RNA oder hnRNA bezeichnet, insbesondere im Fall von mRNA. Nach der Transkription ist eine Verarbeitung erforderlich, um das primäre Transkript von RNAs aller Art in funktionelle RNAs umzuwandeln (Abb. 6.18). Es gibt vier Arten:

(i) Spaltung

Größere RNA-Vorläufer werden gespalten, um kleinere RNAs zu bilden. Das primäre Transkript der rRNA ist in Eukaryonten 45 S. Es wird geschnitten, um Folgendes zu bilden:

Das primäre Transkript wird auch durch Rfoonuclease-P (ein RNA-Enzym) gespalten. Ein primäres Transkript kann 5-7 tRNA-Vorläufer bilden.

(ii) Spleißen:

Eukaryontische Transkripte besitzen zusätzliche Segmente, die als Introns oder intervenierende Sequenzen oder nicht codierende Sequenzen bezeichnet werden. Sie erscheinen nicht in reifer oder prozessierter RNA. Die funktionellen Codierungssequenzen werden Exons genannt. Splicing ist das Entfernen von Introns und die Fusion von Exons, um funktionelle RNAs zu bilden. Jedes Intron beginnt mit Dinukleotid GU und endet mit Dinukleotid AG (GU-AG-Regel).

Sie werden von Komponenten des Spleißapparats von Sn-RNPs (ausgesprochen als Snurps) oder kleinen nuklearen Ribonukleoproteinen (nämlich U2, U2, U4, U5, U6) erkannt. Ein Komplex namens Spliceosom wird zwischen dem 5'-Ende (GU) und dem 3'-Ende (AG) des Introns gebildet. Energie wird von ATR erhalten. Es entfernt das Intron. Die benachbarten Exons werden zusammengebracht. Die Enden werden durch RNA-Ligase verschlossen (Abb. 6.18).

Introns sind keine neuen Entwicklungen. Sie erschienen, als eine RNA-zentrierte genetische Maschinerie vorhanden war. Daher sind Split-Gene und Split-Transcrips uralte Merkmale des genetischen Systems. Spleißen ist weiterhin eine RNA-vermittelte katalytische Funktion. Viele mehr solcher RNA-abhängiger Prozesse kommen ans Licht.

(iii) Terminal-Ergänzungen (Capping und Tailing):

Zusätzliche Nukleotide werden an die Enden von RNAs für spezifische Funktionen angehängt, z. B. CCA-Segment in tRNA, Cap-Nukleotide am 5'-Ende von mRNA oder Poly-A-Segmente (200-300 Reste) am 3'-Ende von mRNA. Cap wird durch Modifizierung von GTP in 7-Methylguanosin oder 7mG gebildet.

(iv) Nukleotidmodifikationen:

Sie sind am häufigsten bei tRNA - Methylierung (z. B. Methylcytosin, Methylguanosin), Deaminierung (z. B. Inosin aus Adenin), Dihydrouracil, Pseudouracil usw.

In Prokaryoten erfordert mRNA keine aufwändige Prozessierung, um aktiv zu werden. Außerdem treten Transkription und Translation in derselben Region auf. Dies führt zu einem Beginn der Translation, noch bevor die mRNA vollständig gebildet ist.

Die In-vitro-Synthese von RNA wurde erstmals von Ochoa (1967) durchgeführt.