DNA TRANSKRIPCE: PROCES V EUKARYOTECH A PROKARYOTECH - BIOLOGIE - 2025

Transkripce DNA je proces, při kterém se informace obsažená v deoxyribonukleové kyseliny zkopírován jako podobné molekuly, RNA, a to buď jako krok k syntéze proteinů, nebo pro tvorbu RNA molekul podílejících se na mnoho buněčných procesů velmi důležitých (regulace genové exprese, signalizace atd.).

I když není pravda, že všechny geny organismu kódují proteiny, je pravda, že všechny proteiny buňky, ať eukaryotické nebo prokaryotické, jsou kódovány jedním nebo více geny, kde každá aminokyselina je reprezentována sada tří bází DNA (kodon).

Zpracování eukaryotických genů (Zdroj: Leonid 2 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) přes Wikimedia Commons)

K syntéze polypeptidového řetězce patřícího do jakéhokoli buněčného proteinu dochází díky dvěma základním procesům: transkripci a translaci; oba jsou vysoce regulované, protože se jedná o dva procesy, které mají velký význam pro fungování jakéhokoli živého organismu.

Co je to transkripce DNA?

Transkripce zahrnuje vytvoření "templátu" pro RNA molekulu známou jako "messenger RNA" (mRNA) ze "standardní" sekvence kódované v oblasti DNA odpovídající genu, který má být transkribován.

Tento proces je prováděn enzymem zvaným RNA polymeráza, který rozpoznává zvláštní místa v sekvenci DNA, váže se na ně, otevírá řetězec DNA a syntetizuje molekulu RNA pomocí jednoho z těchto komplementárních řetězců DNA jako templátu nebo i když narazí na jinou speciální stop sekvenci.

Na druhé straně translace je proces, kterým dochází k syntéze proteinů. Skládá se ze „čtení“ informací obsažených v mRNA, která byla přepsána z genu, „translace“ kodonů DNA na aminokyseliny a vytvoření polypeptidového řetězce.

Translace nukleotidových sekvencí mRNA je prováděna enzymy známými jako aminoacyl-tRNA syntetázy, díky účasti dalších molekul RNA známých jako „transferová RNA“ (tRNA), které jsou antikodony kodonů obsažených v MRNA, které jsou věrnou kopií sekvence DNA genu.

Přepis v eukaryotech (proces)

Během transkripce v eukaryotech se DNA používá jako templát k vytvoření řetězce messengerové RNA pomocí enzymu RNA polymerázy.

V eukaryotických buňkách dochází k transkripčnímu procesu uvnitř jádra, které je hlavní intracelulární organelou, kde je DNA obsažena ve formě chromozomů. Začíná „kopií“ kódující oblasti genu, která je přepsána na molekulu jednoho pruhu známou jako messenger RNA (mRNA).

Protože DNA je omezena v uvedené organele, molekuly mRNA fungují jako zprostředkovatelé nebo transportéry při přenosu genetické zprávy z jádra na cytosol, kde dochází k translaci RNA a celého biosyntetického aparátu pro syntézu proteinu (ribozomy).

- Jaké jsou eukaryotické geny?

Gen sestává z DNA sekvence, jejíž vlastnosti určují její funkci, protože pořadí nukleotidů v uvedené sekvenci určuje to, co určuje její transkripci a následnou translaci (v případě těch, které kódují proteiny).

Když je gen přepsán, to znamená, když je jeho informace zkopírována ve formě RNA, výsledkem může být nekódující RNA (cRNA), která má přímé funkce v regulaci genové exprese, v buněčné signalizaci atd. nebo to může být messengerová RNA (mRNA), která bude poté přeložena do aminokyselinové sekvence v peptidu.

Reprezentace struktury eukaryotického genu (Zdroj: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) přes Wikimedia Commons)

To, zda gen má funkční produkt ve formě RNA nebo proteinu, závisí na určitých prvcích nebo oblastech přítomných v jeho sekvenci.

Geny, eukaryotické nebo prokaryotické, mají dva řetězce DNA, jeden známý jako „sense“ vlákno a druhý „antisense“. Enzymy odpovědné za transkripci těchto sekvencí "čtou" pouze jeden ze dvou řetězců, obvykle "sense" nebo "kódující" řetězec, který má "směr" 5'-3 '.

Každý gen má na svých koncích regulační sekvence:

- pokud jsou sekvence před kódující oblastí (tou, která bude přepsána), jsou známé jako "promotory"

- pokud jsou odděleny mnoha kilobázami, mohou být „umlčující“ nebo „vylepšující“

- ty sekvence, které jsou nejblíže 3 'oblasti genů, jsou obvykle terminátorové sekvence, které říkají polymeráze, že musí zastavit a ukončit transkripci (případně replikaci)

Promotorová oblast je rozdělena na distální a proximální, podle své blízkosti k kódující oblasti. Je to na 5 'konci genu a je to místo, které enzym RNA polymerázy a další proteiny rozpoznávají, aby zahájily transkripci z DNA na RNA.

V proximální části promotorové oblasti se mohou vázat transkripční faktory, které mají schopnost modifikovat afinitu enzymu k sekvenci, která má být transkribována, takže mají na starosti pozitivní nebo negativní regulaci transkripce genů.

Enhancer a umlčovací oblasti jsou také zodpovědné za regulaci genové transkripce modifikací "aktivity" promotorových oblastí jejich vazbou s aktivátorovými nebo represorovými prvky "proti směru" kódující sekvence genu.

Říká se, že eukaryotické geny jsou ve výchozím nastavení vždy „vypnuty“ nebo „potlačeny“, takže k expresi (transkripci) potřebují aktivaci pomocí promotorových prvků.

- Kdo má na starosti přepis?

Ať už je organismus jakýkoli, transkripce provádí skupina enzymů zvaných RNA polymerázy, které se podobně jako enzymy odpovědné za replikaci DNA, když se buňka chystá dělit, specializují na syntézu řetězce RNA z jednoho z řetězců DNA transkribovaného genu.

RNA polymerázy jsou velké enzymové komplexy tvořené mnoha podjednotkami. Existují různé typy:

- RNA polymeráza I (Pol I): která přepisuje geny, které kódují „velkou“ ribozomální podjednotku.

- RNA polymeráza II (Pol II): která přepisuje geny kódující proteiny a produkuje mikro RNA.

- RNA polymeráza III (Pol III): která produkuje přenosové RNA použité během translace a také RNA odpovídající malé podjednotce ribozomu.

- RNA polymeráza IV a V (Pol IV a Pol V): jsou typické pro rostliny a jsou odpovědné za transkripci malých interferujících RNA.

- Jaký je proces?

Eukaryotická genová transkripce (Zdroj: Erinp.5000 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) přes Wikimedia Commons)

Genetická transkripce je proces, který lze studovat jako rozdělený do tří fází: iniciace, prodloužení a ukončení.

Zahájení

Během iniciace promotorová oblast promotorová oblast genu funguje jako rozpoznávací místo pro RNA polymerázu. Zde je kontrolována většina genetické exprese

RNA polymeráza (řekněme RNA polymeráza II) se váže na sekvenci promotorové oblasti, která se skládá z 6 až 10 párů bází natažených na 5 'konci genu, obvykle asi 35 párů bází místa začátku transkripce.

Spojení RNA polymerázy vede k „otevření“ dvojité šroubovice DNA, která odděluje komplementární řetězce. Syntéza RNA začíná na místě známém jako "iniciační místo" a probíhá ve směru 5'-3 ', tj. "Downstream" nebo zleva doprava (konvenčně).

Zahájení transkripce zprostředkované RNA polymerázami závisí na současné přítomnosti proteinových transkripčních faktorů známých jako obecné transkripční faktory, které přispívají k "umístění" enzymu v promotorové oblasti.

Poté, co enzym začal polymerizovat, je "zbaven" jak promotorové sekvence, tak obecných transkripčních faktorů.

Prodloužení

Během elongace RNA polymeráza sklouzává po řetězci, který slouží jako templát

Vyskytuje se, když se RNA polymeráza „pohybuje“ podél DNA sekvence a přidává ribonukleotidy komplementární k řetězci DNA, který slouží jako „templát“ k rostoucí RNA. Když RNA polymeráza „prochází“ řetězcem DNA, znovu se připojuje ke svému antisense řetězci.

Polymerace prováděná RNA polymerázou sestává z nukleofilních útoků kyslíku v poloze 3 'rostoucího řetězce RNA na fosfátový "alfa" dalšího nukleotidového prekurzoru, který má být přidán, s následnou tvorbou fosfodiesterových vazeb a uvolněním molekula pyrofosfátu (PPi).

Soubor tvořený řetězcem DNA, RNA polymerázou a rodícím se řetězcem RNA je známý jako transkripční bublina nebo komplex.

Ukončení

Když RNA polymeráza dosáhne terminální oblasti genu, transkripční messengerová RNA je kompletní. Potom se RNA polymeráza, řetězec DNA a transkripční messenger RNA disociují

K ukončení dochází, když polymeráza dosáhne terminační sekvence, která je logicky umístěna „po proudu“ od místa iniciace transkripce. Když k tomu dojde, enzym i syntetizovaná RNA se „přepojí“ od transkribované sekvence DNA.

Terminační oblast obvykle sestává z DNA sekvence, která je schopna se „skládat“ sama o sobě a vytvářet strukturu typu „vlásenky“.

Po ukončení je syntetizovaný řetězec RNA známý jako primární transkript, který je uvolňován z transkripčního komplexu, po kterém může nebo nemusí být post-transkripčně zpracován (před jeho translací do proteinu, je-li to relevantní) prostřednictvím proces zvaný "řezání a spojování".

Transkripce v prokaryotech (proces)

Protože prokaryotické buňky nemají jádro obalené membránou, dochází k transkripci v cytosolu, konkrétně v "jaderné" oblasti, kde je koncentrována chromozomální DNA (bakterie mají kruhový chromozom).

Tímto způsobem je zvýšení cytosolické koncentrace daného proteinu podstatně rychlejší u prokaryot než u eukaryot, protože procesy transkripce a translace se vyskytují ve stejném kompartmentu.

- Jaké jsou prokaryotické geny?

Prokaryotické organismy mají geny, které jsou velmi podobné eukaryotům: první z nich také používají pro svou transkripci promotorové a regulační oblasti, i když důležitý rozdíl souvisí s tím, že promotorová oblast je často dostačující k dosažení „silné“ exprese geny.

V tomto smyslu je důležité zmínit, že prokaryotické geny jsou standardně vždy „zapnuté“.

Promotorová oblast je spojena s jinou oblastí, obvykle "upstream", která je regulována represorovými molekulami a je známá jako "operátorská oblast".

Reprezentace struktury prokaryotického genu (Zdroj: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) prostřednictvím Wikimedia Commons)

Rozdíl v transkripci mezi prokaryoty a eukaryoty je v tom, že normálně jsou messengerové RNA eukaryotů monocistronické, to znamená, že každá z nich obsahuje informace pro syntézu jednoho proteinu, zatímco v prokaryotech to může být monocistronická nebo polycistronická, kde pouze jedna MRNA může obsahovat informace pro dva nebo více proteinů.

Je tedy dobře známo, že prokaryotické geny kódující proteiny s podobnými metabolickými funkcemi se například vyskytují ve skupinách známých jako operony, které se současně přepisují do formy jedné molekuly messengerové RNA.

Prokaryotické geny jsou hustě zabaleny, aniž by mezi nimi bylo mnoho nekódujících oblastí, takže jakmile jsou transkribovány do molekul RNA s lineárním messengerem, mohou být okamžitě přeloženy do proteinu (eukaryotické mRNA často vyžadují další zpracování).

- Jak je prokaryotická RNA polymeráza?

Prokaryotické organismy, jako jsou bakterie, například používají stejný enzym RNA polymerázy k přepisování všech svých genů, tj. Genů, které kódují ribozomální podjednotky, a genů, které kódují různé buněčné proteiny.

V bakteriích E. coli je RNA polymeráza složena z 5 polypeptidových podjednotek, z nichž dvě jsou totožné. Podjednotky a, a, P, P 'obsahují centrální část enzymu a během každé transkripční události se sestavují a rozebírají.

Podjednotky a jsou ty, které umožňují spojení mezi DNA a enzymem; p podjednotka se váže na trifosfátové ribonukleotidy, které budou polymerovány podle DNA templátu v rodící se molekule mRNA a p 'podjednotka se váže na uvedené templátové vlákno DNA.

Pátá podjednotka, známá jako σ, se účastní iniciace transkripce a je tou, která propůjčuje specificitě polymerázu.

- Jaký je proces?

Transkripce v prokaryotech je velmi podobná transkripci eukaryot (je také rozdělena na iniciaci, elongaci a ukončení), s určitými rozdíly v identitě promotorových oblastí a transkripčních faktorů nezbytných pro RNA polymerázu vykonávat své funkce.

Ačkoli se promotorové oblasti mohou lišit mezi různými prokaryotickými druhy, existují dvě konzervativní "konsenzuální" sekvence, které lze snadno identifikovat v oblasti -10 (TATAAT) a v oblasti -35 (TTGACA) před kódující sekvencí.

Zahájení

Závisí na σ podjednotce RNA polymerázy, protože zprostředkovává interakci mezi DNA a enzymem, což umožňuje rozpoznávání promotorových sekvencí. Iniciace končí, když jsou produkovány některé abortivní transkripty asi 10 nukleotidů, které jsou uvolněny.

Prodloužení

Když je podjednotka σ odpojena od enzymu, začíná prodlužovací fáze, která spočívá v syntéze molekuly mRNA ve směru 5'-3 '(přibližně 40 nukleotidů za sekundu).

Ukončení

Ukončení prokaryot závisí na dvou různých typech signálů, může být nezávislý na Rho a na Rho.

Rho-dependentní protein je řízen tímto proteinem, který „sleduje“ polymerázu, protože postupuje v syntéze RNA, dokud nedosáhne sekvence bohaté na guaniny (G), zpomalí se a přijde do kontaktu s Rho proteinem. disociace z DNA a mRNA.

Rho-nezávislá terminace je řízena specifickými sekvencemi genu, obvykle bohatými na opakování guanin-cytosinu (GC).

Reference

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. a Walter, P. (2007). Molekulární biologie buňky. Věnec věnec. New York, 1392.
2. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Úvod do genetické analýzy. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, Bretscher, A.,… & Matsudaira, P. (2008). Biologie molekulárních buněk. Macmillan.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, a Cox, MM (2008). Lehningerovy principy biochemie. Macmillan.
5. Rosenberg, LE a Rosenberg, DD (2012). Lidské geny a genomy: věda. Health, Society, 317-338.
6. Shafee, T., & Lowe, R. (2017). Eukaryotické a prokaryotické genové struktury. Wiki Journal of Medicine, 4 (1), 2.
7. Animace McGraw-Hill, youtube.com. Transkripce a překlad DNA.