DNA TRANSKRIPCIA: PROCES V EUKARYOTOCH A PROKARYOTOCH - BIOLÓGIE - 2026

Transkripcia DNA je proces, pri ktorom sa informácia obsiahnutá v deoxyribonukleovej kyseliny skopírovaný ako podobné molekuly, RNA, a to buď ako krok k syntéze proteínov, alebo pre tvorbu RNA molekúl podieľajúcich sa na viacnásobné bunkové procesy veľkého významu (regulácia génovej expresie, signalizácie atď.).

Aj keď nie je pravda, že všetky gény organizmu kódujú proteíny, je pravda, že všetky proteíny bunky, či už eukaryotické alebo prokaryotické, sú kódované jedným alebo viacerými génmi, pričom každá aminokyselina je reprezentovaná sada troch báz DNA (kodón).

Spracovanie eukaryotických génov (Zdroj: Leonid 2 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) prostredníctvom Wikimedia Commons)

Syntéza polypeptidového reťazca patriaceho do akéhokoľvek bunkového proteínu nastáva vďaka dvom základným procesom: transkripcii a translácii; obe sú vysoko regulované, pretože sú to dva procesy veľmi dôležité pre fungovanie každého živého organizmu.

Čo je to transkripcia DNA?

Transkripcia zahŕňa vytvorenie "templátu" pre molekulu RNA známu ako "messenger RNA" (mRNA) zo "štandardnej" sekvencie kódovanej v oblasti DNA zodpovedajúcej génu, ktorý sa má transkribovať.

Tento proces je uskutočňovaný enzýmom nazývaným RNA polymeráza, ktorý rozpoznáva špeciálne miesta v sekvencii DNA, viaže sa na ne, otvára vlákno DNA a syntetizuje molekulu RNA pomocou jedného z týchto komplementárnych reťazcov DNA ako templátu alebo aj keď narazí na inú špeciálnu sekvenciu zastavenia.

Na druhej strane translácia je proces, ktorým dochádza k syntéze proteínov. Pozostáva z „čítania“ informácií obsiahnutých v mRNA, ktoré boli transkribované z génu, „translácie“ kodónov DNA na aminokyseliny a tvorby polypeptidového reťazca.

Translácia nukleotidových sekvencií mRNA sa vykonáva pomocou enzýmov známych ako aminoacyl-tRNA syntetázy, a to vďaka účasti ďalších molekúl RNA známych ako „transferová RNA“ (tRNA), ktoré sú antikodónmi kodónov obsiahnutých v MRNA, ktoré sú vernou kópiou sekvencie DNA génu.

Prepis v eukaryotoch (proces)

Počas transkripcie v eukaryotoch sa DNA používa ako templát na vytvorenie vlákna messengerovej RNA pomocou enzýmu RNA polymerázy.

V eukaryotických bunkách sa transkripčný proces vyskytuje vo vnútri jadra, ktoré je hlavnou intracelulárnou organelou, kde je DNA obsiahnutá vo forme chromozómov. Začína sa „kópiou“ kódujúcej oblasti génu, ktorá je transkribovaná do molekuly jedného pruhu známej ako messenger RNA (mRNA).

Pretože DNA je obmedzená na uvedené organely, molekuly mRNA fungujú ako sprostredkovatelia alebo transportéry pri prenose genetickej správy z jadra na cytosol, kde dochádza k translácii RNA a celému biosyntetickému aparátu na syntézu proteínov ( ribozómy).

- Aké sú eukaryotické gény?

Gén pozostáva zo sekvencie DNA, ktorej vlastnosti určujú jej funkciu, pretože poradie nukleotidov v uvedenej sekvencii určuje to, čo určuje jej transkripciu a následnú transláciu (v prípade tých, ktoré kódujú proteíny).

Ak je gén transkribovaný, to znamená, keď je jeho informácia skopírovaná vo forme RNA, výsledkom môže byť nekódujúca RNA (cRNA), ktorá má priame funkcie v regulácii génovej expresie, bunkovej signalizácii, atď. alebo to môže byť messengerová RNA (mRNA), ktorá bude potom translatovaná do aminokyselinovej sekvencie v peptide.

Reprezentácia štruktúry eukaryotického génu (Zdroj: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) prostredníctvom Wikimedia Commons)

Či má gén funkčný produkt vo forme RNA alebo proteínu, závisí od určitých prvkov alebo oblastí prítomných v jeho sekvencii.

Gény, eukaryotické alebo prokaryotické, majú dva reťazce DNA, jeden známy ako „sense“ vlákno a druhý „antisense“. Enzýmy zodpovedné za transkripciu týchto sekvencií „čítajú“ iba jeden z dvoch reťazcov, typicky „sense“ alebo „kódujúci“ reťazec, ktorý má smer 5'-3 '.

Každý gén má na svojich koncoch regulačné sekvencie:

- ak sú sekvencie pred kódujúcou oblasťou (oblasťou, ktorá bude transkribovaná), sú známe ako „promótory“

- ak sú oddelené mnohými kilobázami, môžu byť „umlčané“ alebo „posilňujúce“

- tie sekvencie, ktoré sú najbližšie k 3 'oblasti génov, sú obvykle terminátorové sekvencie, ktoré hovoria polymeráze, že musí zastaviť a ukončiť transkripciu (prípadne replikáciu)

Promótorová oblasť je rozdelená na distálnu a proximálnu podľa svojej blízkosti ku kódujúcej oblasti. Je to na 5 'konci génu a je to miesto, ktoré enzým RNA polymeráza a ďalšie proteíny rozpoznávajú, aby iniciovali transkripciu z DNA na RNA.

V proximálnej časti promótorovej oblasti sa môžu viazať transkripčné faktory, ktoré majú schopnosť modifikovať afinitu enzýmu k transkribovanej sekvencii, takže sú zodpovedné za pozitívnu alebo negatívnu reguláciu transkripcie génov.

Enhancer a tlmiace oblasti sú tiež zodpovedné za reguláciu génovej transkripcie modifikáciou „aktivity“ promótorových oblastí ich väzbou s aktivátorovými alebo represorovými prvkami „upstream“ od kódujúcej sekvencie génu.

Hovorí sa, že eukaryotické gény sú štandardne vždy „vypnuté“ alebo „potlačené“, takže na ich expresiu (transkripciu) potrebujú aktiváciu promótorovými prvkami.

- Kto je zodpovedný za prepis?

Bez ohľadu na organizmus sa transkripcia vykonáva skupinou enzýmov nazývaných RNA polymerázy, ktoré sa podobne ako enzýmy zodpovedné za replikáciu DNA, keď sa bunka chystá deliť, špecializujú na syntézu reťazca RNA. z jedného z reťazcov DNA transkribovaného génu.

RNA polymerázy sú veľké enzýmové komplexy tvorené mnohými podjednotkami. Existujú rôzne typy:

- RNA polymeráza I (Pol I): ktorá transkribuje gény, ktoré kódujú „veľkú“ ribozomálnu podjednotku.

- RNA polymeráza II (Pol II): ktorá transkribuje gény kódujúce proteíny a produkuje mikro RNA.

- RNA polymeráza III (Pol III): ktorá produkuje prenosové RNA použité počas translácie a tiež RNA zodpovedajúca malej podjednotke ribozómu.

- RNA polymeráza IV a V (Pol IV a Pol V): sú typické pre rastliny a sú zodpovedné za transkripciu malých interferujúcich RNA.

- Aký je postup?

Prepis eukaryotických génov (Zdroj: Erinp.5000 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) prostredníctvom Wikimedia Commons)

Genetická transkripcia je proces, ktorý možno študovať ako rozdelený do troch fáz: iniciácia, predĺženie a ukončenie.

začatia

Počas iniciácie promótorová oblasť promótorová oblasť génu funguje ako rozpoznávacie miesto pre RNA polymerázu. To je miesto, kde je kontrolovaná väčšina genetickej expresie

RNA polymeráza (povedzme RNA polymeráza II) sa viaže na sekvenciu promótorovej oblasti, ktorá pozostáva zo 6 až 10 párov báz roztiahnutých na 5 'konci génu, zvyčajne okolo 35 párov báz miesta začiatku transkripcie.

Spojenie RNA polymerázy vedie k „otvoreniu“ dvojitej špirály DNA, ktorá oddeľuje komplementárne vlákna. Syntéza RNA začína v mieste známom ako "iniciačné miesto" a nastáva v smere 5'-3 ', to znamená "po prúde" alebo zľava doprava (konvenčne).

Začatie transkripcie sprostredkovanej RNA polymerázami závisí od sprievodnej prítomnosti proteínových transkripčných faktorov známych ako všeobecné transkripčné faktory, ktoré prispievajú k „lokalizácii“ enzýmu v promótorovej oblasti.

Potom, čo enzým začal polymerizovať, je "zbavený" ako promótorovej sekvencie, tak aj všeobecných transkripčných faktorov.

predĺženie

Počas predlžovania sa RNA polymeráza skĺzne po reťazci, ktorý slúži ako templát

Vyskytuje sa, keď sa RNA polymeráza „pohybuje“ pozdĺž DNA sekvencie a pridáva ribonukleotidy komplementárne k vláknu DNA, ktoré slúži ako „templát“ k rastúcej RNA. Keď RNA polymeráza „prechádza“ cez vlákno DNA, znova sa pripája k svojmu antisense vláknu.

Polymerizácia uskutočnená RNA polymerázou spočíva v nukleofilných útokoch kyslíka v polohe 3 'rastúceho reťazca RNA na fosfátový "alfa" nasledujúceho nukleotidového prekurzora, ktorý sa má pridať, s následnou tvorbou fosfodiesterových väzieb a uvoľnením molekula pyrofosfátu (PPi).

Súbor pozostávajúci z vlákna DNA, RNA polymerázy a vznikajúceho vlákna RNA je známy ako transkripčná bublina alebo komplex.

ukončenie

Keď RNA polymeráza dosiahne koncovú oblasť génu, transkripčná mediátorová RNA je kompletná. Potom sa RNA polymeráza, reťazec DNA a RNA prenášajúca transkripciu disociujú

K ukončeniu dôjde, keď polymeráza dosiahne terminačnú sekvenciu, ktorá je logicky umiestnená „po prúde“ od miesta začatia transkripcie. Ak k tomu dôjde, tak enzým, ako aj syntetizovaná RNA sa „oddeľujú“ od transkribovanej sekvencie DNA.

Terminačná oblasť obvykle pozostáva zo sekvencie DNA, ktorá je schopná "skladať sa" sama o sebe, čím vytvára štruktúru typu "vlásenková slučka".

Po ukončení je syntetizované vlákno RNA známe ako primárny transkript, ktorý sa uvoľňuje z transkripčného komplexu, po ktorom môže alebo nemusí byť post-transkripčne spracovaný (pred jeho transláciou do proteínu, ak je to použiteľné) prostredníctvom proces nazývaný „rezanie a spájanie“.

Transkripcia v prokaryotoch (proces)

Pretože prokaryotické bunky nemajú jadro obalené membránou, dochádza k transkripcii v cytozole, konkrétne v „jadrovej“ oblasti, kde je koncentrovaná chromozomálna DNA (baktérie majú kruhový chromozóm).

Týmto spôsobom je zvýšenie cytosolickej koncentrácie daného proteínu podstatne rýchlejšie v prokaryotoch ako v eukaryotoch, pretože procesy transkripcie a translácie sa vyskytujú v rovnakom kompartmente.

- Aké sú prokaryotické gény?

Prokaryotické organizmy majú gény, ktoré sú veľmi podobné eukaryotám: prvé organizmy tiež používajú na svoju transkripciu promótorové a regulačné oblasti, hoci dôležitý rozdiel súvisí so skutočnosťou, že promótorová oblasť je často dostatočná na dosiahnutie „silnej“ expresie gény.

V tomto zmysle je dôležité spomenúť, že vo všeobecnosti sú prokaryotické gény štandardne vždy zapnuté.

Promótorová oblasť je spojená s inou oblasťou, obvykle "upstream", ktorá je regulovaná represorovými molekulami a je známa ako "operátorská oblasť".

Reprezentácia štruktúry prokaryotického génu (Zdroj: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) prostredníctvom Wikimedia Commons)

Rozdiel v transkripcii medzi prokaryotmi a eukaryotmi spočíva v tom, že normálne sú messengerové RNA eukaryotov monocistronické, to znamená, že každá z nich obsahuje informácie na syntézu jedného proteínu, zatiaľ čo v prokaryotoch to môže byť monocistronická alebo polycistronická, kde iba jedna MRNA môže obsahovať informácie o dvoch alebo viacerých proteínoch.

Je teda dobre známe, že prokaryotické gény kódujúce proteíny s podobnými metabolickými funkciami sa napríklad nachádzajú v skupinách známych ako operóny, ktoré sa súčasne transkribujú do formy molekúl mediátora RNA.

Prokaryotické gény sú husto zabalené, bez toho, aby medzi nimi bolo veľa nekódujúcich oblastí, takže akonáhle sú transkribované do molekúl lineárnej mediátorovej RNA, môžu byť okamžite translatované do proteínu (eukaryotické mRNA často potrebujú ďalšie spracovanie).

- Ako je prokaryotická RNA polymeráza?

Prokaryotické organizmy, ako napríklad baktérie, napríklad používajú ten istý enzým RNA polymerázu na prepis všetkých svojich génov, to znamená tých, ktoré kódujú ribozomálne podjednotky a génov, ktoré kódujú rôzne bunkové proteíny.

V baktériách E. coli je RNA polymeráza zložená z 5 polypeptidových podjednotiek, z ktorých dve sú totožné. A, a, P, P 'podjednotky obsahujú strednú časť enzýmu a počas každej transkripcie sa zostavujú a rozkladajú.

Podjednotky a sú tie, ktoré umožňujú spojenie medzi DNA a enzýmom; p podjednotka sa viaže na trifosfátové ribonukleotidy, ktoré sa budú polymerizovať podľa templátu DNA v rodiacej sa molekule mRNA a podjednotka p sa viaže na uvedené templátové vlákno DNA.

Piata podjednotka, známa ako σ, sa podieľa na iniciovaní transkripcie a je tá, ktorá prepožičiava polymerázu špecificitu.

- Aký je postup?

Transkripcia v prokaryotoch je veľmi podobná transkripcii eukaryot (je tiež rozdelená na iniciáciu, predĺženie a ukončenie), s určitými rozdielmi v identite promótorových oblastí a transkripčných faktorov potrebných pre RNA polymerázu. vykonávať svoje funkcie.

Aj keď sa promótorové oblasti môžu medzi rôznymi prokaryotickými druhmi meniť, existujú dve konzervatívne "konsenzuálne" sekvencie, ktoré sa dajú ľahko identifikovať v oblasti -10 (TATAAT) a v oblasti -35 (TTGACA) pred kódujúcou sekvenciou.

začatia

Závisí to od podjednotky RNA polymerázy, pretože sprostredkuje interakciu medzi DNA a enzýmom, čím je schopná rozpoznávať promótorové sekvencie. Iniciácia končí, keď sú produkované niektoré abortívne transkripty asi 10 nukleotidov, ktoré sú uvoľnené.

predĺženie

Keď je podjednotka σ oddelená od enzýmu, začína sa predlžovacia fáza, ktorá spočíva v syntéze molekuly mRNA v smere 5'-3 '(približne 40 nukleotidov za sekundu).

ukončenie

Ukončenie v prokaryotoch závisí od dvoch rôznych typov signálov, môže byť Rho-dependentné a Rho-nezávislé.

Proteín závislý od Rho je riadený týmto proteínom, ktorý „sleduje“ polymerázu, pretože postupuje v syntéze RNA, až kým táto nedosiahne sekvenciu bohatú na guaníny (G), spomalí sa a nepríde do kontaktu s proteínom Rho. disociácia z DNA a mRNA.

Rho-nezávislá terminácia je riadená špecifickými sekvenciami génu, obvykle bohatými na opakovania guanín-cytozín (GC).

Referencie

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. a Walter, P. (2007). Molekulárna biológia bunky. Garland Science. New York, 1392.
2. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, a Miller, JH (2005). Úvod do genetickej analýzy. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, Kalifornia, Krieger, M., Scott, MP, Bretscher, A.,… & Matsudaira, P. (2008). Molekulárna bunková biológia. Macmillan.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, a Cox, MM (2008). Lehningerove princípy biochémie. Macmillan.
5. Rosenberg, LE a Rosenberg, DD (2012). Ľudské gény a genomény: veda. Health, Society, 317-338.
6. Shafee, T. a Lowe, R. (2017). Eukaryotické a prokaryotické génové štruktúry. Wiki Journal of Medicine, 4 (1), 2.
7. Animácie McGraw-Hill, youtube.com. DNA transkripcie a translácie.