ДНК ТРАНСКРИПЦИЯ: ПРОЦЕС В ЕУКАРИОТИ И ПРОКАРИОТИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На транскрипцията на ДНК е процес, чрез който информацията, съдържаща се в дезоксирибонуклеинова киселина се копира като подобна молекула, РНК, или като стъпка на синтеза на протеини или за образуването на РНК молекули, участващи в множество клетъчни процеси от голямо значение (регулиране на генната експресия, сигнализиране и др.).

Въпреки че не е вярно, че всички гени на организма кодират протеини, вярно е, че всички протеини на клетка, независимо дали еукариотична или прокариотна, са кодирани от един или повече гени, където всяка аминокиселина е представена от набор от три ДНК бази (кодон).

Обработка на еукариотни гени (Източник: Леонид 2 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) чрез Wikimedia Commons)

Синтезът на полипептидната верига, принадлежаща към всеки клетъчен протеин, се осъществява благодарение на два основни процеса: транскрипция и транслация; и двете са силно регулирани, тъй като те са два процеса от голямо значение за функционирането на всеки жив организъм.

Какво е ДНК транскрипция?

Транскрипцията включва образуването на "шаблон" за РНК молекула, известна като "пратена РНК" (мРНК) от "стандартната" последователност, кодирана в областта на ДНК, съответстваща на гена, който ще бъде транскрибиран.

Този процес се осъществява от ензим, наречен РНК полимераза, който разпознава специални места в последователността на ДНК, свързва се с тях, отваря ДНК веригата и синтезира молекула на РНК, използвайки една от тези допълващи нишки ДНК като шаблон или модел, дори когато срещне друга специална последователност на спиране.

Преводът, от друга страна, е процесът, чрез който се осъществява синтеза на протеини. Състои се от „четене“ на информацията, съдържаща се в иРНК, която е била транскрибирана от ген, „превода“ на ДНК кодоните в аминокиселини и образуването на полипептидна верига.

Транслацията на нуклеотидните последователности на мРНК се осъществява от ензими, известни като аминоацил-тРНК синтетази, благодарение на участието на други молекули на РНК, известни като "трансферна РНК" (tRNA), които са антикодони на кодоните, съдържащи се в MRNA, които са вярно копие на ДНК последователността на ген.

Транскрипция в еукариоти (процес)

По време на транскрипцията в еукариоти, ДНК се използва като шаблон за създаване на верига от пратеник РНК с помощта на ензима РНК полимераза.

В еукариотните клетки процесът на транскрипция протича в ядрото, което е основната вътреклетъчна органела, където ДНК се съдържа под формата на хромозоми. Тя започва с "копието" на кодиращия регион на гена, който е транскрибиран в молекула на една лента, известна като месинджър РНК (mRNA).

Тъй като ДНК е ограничена в упоменатия органел, молекулите на мРНК функционират като посредници или преносители при предаването на генетичното съобщение от ядрото към цитозола, където се извършва преводът на РНК и целия биосинтетичен механизъм за синтез на протеин (рибозоми).

- Какви са еукариотните гени?

Генът се състои от ДНК последователност, чиито характеристики определят неговата функция, тъй като редът на нуклеотидите в споменатата последователност е това, което определя неговата транскрипция и последваща транслация (в случай на тези, които кодират протеини).

Когато ген се транскрибира, тоест когато информацията му се копира под формата на РНК, резултатът може да бъде некодираща РНК (cRNA), която има директни функции в регулирането на генната експресия, в клетъчната сигнализация и др. или тя може да бъде месинджърна РНК (mRNA), която след това ще бъде превърната в аминокиселинна последователност в пептид.

Представяне на структурата на еукариотичен ген (Източник: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) чрез Wikimedia Commons)

Дали генът има функционален продукт под формата на РНК или протеин зависи от определени елементи или региони, присъстващи в неговата последователност.

Гените, еукариотични или прокариотни, имат две нишки ДНК, едната известна като „смислова“ верига, а другата „антисенс“. Ензимите, отговорни за транскрипцията на тези последователности, "четат" само една от двете нишки, обикновено "нивото" смисъл или "кодиране", което е "насочено" 5'-3 '.

Всеки ген има регулаторни последователности в своите краища:

- ако последователностите са преди кодиращия регион (този, който ще бъде преписан), те са известни като "промотори"

- ако са разделени с много килобази, те могат да бъдат "заглушаване" или "засилване"

- тези секвенции, които са най-близки до 3 'региона на гените, обикновено са терминаторни последователности, които казват на полимеразата, че тя трябва да спре и да прекрати транскрипцията (или репликацията, според случая)

Промоторният участък е разделен на дистален и проксимален, в зависимост от близостта му до кодиращия регион. Именно в 5 'края на гена и е мястото, което ензимът РНК полимераза и други протеини разпознават, за да инициират транскрипция от ДНК в РНК.

В проксималната част на промоторния регион могат да се свързват транскрипционни фактори, които имат способността да променят афинитета на ензима към последователността, която трябва да бъде транскрибирана, следователно те са отговорни за положителното или отрицателното регулиране на транскрипцията на гени.

Засилващите и заглушаващите региони също са отговорни за регулирането на генната транскрипция чрез промяна на "активността" на промоторните региони чрез тяхното свързване с активаторни или репресорни елементи "нагоре" на кодиращата последователност на гена.

Казва се, че еукариотните гени винаги са „изключени“ или „репресирани“ по подразбиране, така че се нуждаят от тяхното активиране от промоторни елементи, за да бъдат експресирани (транскрибирани).

- Кой е отговорен за транскрипцията?

Какъвто и да е организмът, транскрипцията се осъществява от група ензими, наречени РНК полимерази, които, подобно на ензимите, отговорни за репликацията на ДНК, когато клетката е на път да се раздели, се специализират в синтеза на РНК верига от една от ДНК веригите на гена, който се транскрибира.

РНК полимеразите са големи ензимни комплекси, съставени от много субединици. Има различни видове:

- РНК полимераза I (Pol I): които транскрибират гените, кодиращи "голямата" рибозомна субединица.

- РНК полимераза II (Pol II): които транскрибират гените, кодиращи протеини и произвеждащи микро РНК.

- РНК полимераза III (Pol III): които произвеждат трансферните РНК, използвани по време на транслацията, както и РНК, съответстваща на малката субединица на рибозомата.

- РНК полимераза IV и V (Pol IV и Pol V): те са характерни за растенията и са отговорни за транскрипцията на малки интерфериращи РНК.

- Какъв е процесът?

Еукариотична генна транскрипция (Източник: Erinp.5000 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) през Wikimedia Commons)

Генетичната транскрипция е процес, който може да бъде изучен като разделен на три фази: иницииране, удължаване и прекратяване.

започване

По време на инициацията промоторната област промоторната област на гена функционира като място за разпознаване на РНК полимераза. Тук се контролира по-голямата част от генетичната експресия

РНК полимераза (да кажем РНК полимераза II) се свързва към последователността на промоторния регион, която се състои от 6 до 10 базови двойки участък в 5 'края на гена, обикновено около 35 базови двойки на сайта за стартиране на транскрипцията.

Съединението на РНК полимераза води до "отваряне" на ДНК двойната спирала, разделяща комплементарните нишки. Синтезът на РНК започва на мястото, известно като "мястото на инициация" и протича в посока 5'-3 ', тоест "надолу по течението" или отляво надясно (по конвенция).

Инициирането на транскрипция, медиирана от РНК полимерази, зависи от съпътстващото присъствие на протеинови транскрипционни фактори, известни като общи транскрипционни фактори, които допринасят за "местоположението" на ензима в промоторния регион.

След като ензимът е започнал да се полимеризира, той се "хвърля" както от промоторната последователност, така и от общите транскрипционни фактори.

удължаване

По време на удължаването, РНК полимеразата се плъзга по веригата, която служи като шаблон

Появява се, когато РНК полимеразата „се движи“ по протежение на ДНК последователността и добавя рибонуклеотиди, допълващи се към ДНК веригата, която служи като „шаблон“ на нарастващата РНК. Тъй като РНК полимеразата "преминава" през веригата на ДНК, тя се присъединява отново към своята антисмислова верига.

Полимеризацията, извършена от РНК полимераза, се състои от нуклеофилни атаки на кислород в позиция 3 'на нарастващата РНК верига към фосфатната "алфа" на следващия нуклеотиден предшественик, който трябва да бъде добавен, с последващо образуване на фосфодиестерни връзки и освобождаване пирофосфатна молекула (PPi).

Комплектът, състоящ се от ДНК верига, РНК полимераза и зараждаща се РНК верига, е известен като транскрипционен мехур или комплекс.

Прекратяване на договора

Когато РНК полимеразата достигне до крайния регион на гена, транскрипционният пратеник РНК е завършен. Тогава РНК полимераза, ДНК верига и транскрипционен пратеник РНК се дисоциират

Прекратяването се случва, когато полимеразата достигне терминационната последователност, която логично е разположена "надолу по течението" от мястото на започване на транскрипция. Когато това се случи, и ензимът, и синтезираната РНК се „отделят“ от ДНК последователността, която се транскрибира.

Прекратяващият участък обикновено се състои от ДНК последователност, която е способна да се "сгъва" върху себе си, образувайки структура от тип "шпилка".

След прекратяването, синтезираната РНК верига е известна като първичен транскрипт, който се освобождава от транскрипционния комплекс, след което може или не може да бъде обработен след транскрипция (преди превода му в протеин, ако е приложимо) чрез процес наречен "рязане и сплитане".

Транскрипция в прокариоти (процес)

Тъй като прокариотичните клетки нямат затворено с мембрана ядро, транскрипцията се извършва в цитозола, по-специално в "ядрения" регион, където е концентрирана хромозомна ДНК (бактериите имат кръгла хромозома).

По този начин увеличението на цитозолната концентрация на даден протеин е значително по-бързо при прокариотите, отколкото при еукариотите, тъй като процесите на транскрипция и транслация протичат в едно и също отделение.

- Какви са прокариотичните гени?

Прокариотните организми имат гени, които са много подобни на еукариотите: първите използват също промоторни и регулаторни региони за тяхната транскрипция, въпреки че важна разлика е свързана с факта, че промоторният регион често е достатъчен за постигане на "силен" израз на гени.

В този смисъл е важно да се спомене, че като цяло прокариотичните гени винаги са "включени" по подразбиране.

Промоторният регион е свързан с друг регион, обикновено "нагоре", който се регулира от репресорни молекули и е известен като "операторска област."

Представяне на структурата на прокариотичен ген (Източник: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) чрез Wikimedia Commons)

Разлика в транскрипцията между прокариоти и еукариоти е, че нормално пратените РНК на еукариотите са моноцистронни, т.е. MRNA може да съдържа информацията за два или повече протеина.

По този начин е добре известно, че прокариотичните гени, кодиращи протеини с подобни метаболитни функции, например, се намират в групи, известни като оперони, които едновременно се транскрибират в една молекулна форма на пратеника РНК.

Прокариотичните гени са плътно опаковани, без много некодиращи участъци между тях, така че веднъж транскрибирани в линейни месинджърни РНК молекули, те могат да бъдат транслирани в протеин незабавно (еукариотичните мРНК често се нуждаят от допълнителна обработка).

- Как е прокариотичната РНК полимераза?

Прокариотичните организми като бактерии например използват един и същ ензим РНК полимераза, за да преписват всичките си гени, тоест тези, които кодират рибозомните субединици и тези, които кодират различни клетъчни протеини.

В бактериите E. coli РНК полимеразата е съставена от 5 полипептидни субединици, две от които са идентични. Субединиците α, α, β, β 'включват централната част на ензима и се сглобяват и разглобяват по време на всяко събитие на транскрипция.

Α субединиците са тези, които позволяват съединението между ДНК и ензима; β субединицата се свързва с трифосфатните рибонуклеотиди, които ще бъдат полимеризирани съгласно ДНК-матрицата в зараждащата се иРНК молекула и β 'субединицата се свързва към споменатата ДНК верига на шаблон.

Петата субединица, известна като σ участва в инициирането на транскрипцията и е тази, която придава специфичност на полимеразата.

- Какъв е процесът?

Транскрипцията в прокариоти е много подобна на тази на еукариотите (тя също е разделена на иницииране, удължаване и прекратяване), с някои различия в идентичността на промоторните региони и транскрипционните фактори, необходими за РНК полимераза упражняват своите функции.

Въпреки че промоторните региони могат да варират между различни прокариотни видове, има две запазени последователности на "консенсус", които могат лесно да бъдат идентифицирани в -10 региона (TATAAT) и в -35 региона (TTGACA) нагоре от кодиращата последователност.

започване

Зависи от σ субединицата на РНК полимеразата, тъй като тя медиира взаимодействието между ДНК и ензима, като го прави способен да разпознава промоторни последователности. Инициирането завършва, когато се отделят някои абортирални стенограми от около 10 нуклеотида, които се освобождават.

удължаване

Когато σ субединицата се отдели от ензима, започва фазата на удължаване, която се състои в синтеза на иРНК молекула в посока 5'-3 '(приблизително 40 нуклеотида в секунда).

Прекратяване на договора

Прекратяването в прокариотите зависи от два различни типа сигнали, може да бъде Rho-зависимо и Rho-независимо.

Rho-зависимият протеин се контролира от този протеин, който "следва" полимеразата, докато напредва в синтеза на РНК, докато последният постигне последователност, богата на гуанини (G), спира и влиза в контакт с протеина Rho. дисоцииращи от ДНК и тРНК.

Rho-независимото прекратяване се контролира от специфични последователности на гена, обикновено богати на гуанин-цитозин (GC) повторения.

Препратки

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2007). Молекулярна биология на клетката. Garland Science. Ню Йорк, 1392г.
2. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Въведение в генетичния анализ. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, Bretscher, A.,… & Matsudaira, P. (2008). Молекулярно-клетъчна биология. Macmillan.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, Cox, MM (2008). Принципите на Ленингер в биохимията. Macmillan.
5. Rosenberg, LE, & Rosenberg, DD (2012). Човешките гени и геноми: наука. Здраве, общество, 317-338.
6. Shafee, T., & Lowe, R. (2017). Еукариотна и прокариотна генна структура. Wiki Journal of Medicine, 4 (1), 2.
7. McGraw-Hill Animations, youtube.com. ДНК транскрипция и превод.