DNA-TRANSKRIPTION: PROZESS IN EUKARYOTEN UND PROKARYOTEN - BIOLOGIE - 2025

Die Transkription der DNA ist der Prozess, bei dem die in der Desoxyribonukleinsäure enthaltenen Informationen als ähnliches Molekül, die RNA, entweder als Schritt zur Proteinsynthese oder zur Bildung von RNA-Molekülen, an denen sie beteiligt sind, kopiert werden mehrere zelluläre Prozesse von großer Bedeutung (Regulation der Genexpression, Signalübertragung usw.).

Obwohl es nicht wahr ist, dass alle Gene eines Organismus für Proteine ​​kodieren, ist es wahr, dass alle Proteine ​​einer Zelle, ob eukaryotisch oder prokaryotisch, von einem oder mehreren Genen codiert werden, wobei jede Aminosäure durch a dargestellt wird Satz von drei DNA-Basen (Codon).

Verarbeitung eukaryotischer Gene (Quelle: Leonid 2 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) über Wikimedia Commons)

Die Synthese der Polypeptidkette, die zu einem zellulären Protein gehört, erfolgt dank zweier grundlegender Prozesse: Transkription und Translation; beide sind stark reguliert, da sie zwei Prozesse sind, die für das Funktionieren eines lebenden Organismus von großer Bedeutung sind.

Was ist DNA-Transkription?

Die Transkription beinhaltet die Bildung einer "Matrize" für ein RNA-Molekül, das als "Messenger-RNA" (mRNA) bekannt ist, aus der "Standard" -Sequenz, die in der Region der DNA codiert ist, die dem zu transkribierenden Gen entspricht.

Dieser Prozess wird von einem Enzym namens RNA-Polymerase durchgeführt, das spezielle Stellen in der DNA-Sequenz erkennt, an diese bindet, den DNA-Strang öffnet und ein RNA-Molekül unter Verwendung eines dieser komplementären DNA-Stränge als Matrize oder synthetisiert Muster, auch wenn es auf eine andere spezielle Stoppsequenz stößt.

Die Translation ist andererseits der Prozess, durch den die Proteinsynthese stattfindet. Es besteht aus dem "Lesen" der in der mRNA enthaltenen Informationen, die von einem Gen transkribiert wurden, der "Translation" der DNA-Codons in Aminosäuren und der Bildung einer Polypeptidkette.

Die Translation der Nukleotidsequenzen der mRNA erfolgt durch Enzyme, die als Aminoacyl-tRNA-Synthetasen bekannt sind, dank der Beteiligung anderer RNA-Moleküle, die als "Transfer-RNA" (tRNA) bekannt sind und Anticodons der in der MRNA, die eine originalgetreue Kopie der DNA-Sequenz eines Gens sind.

Transkription in Eukaryoten (Prozess)

Während der Transkription in Eukaryoten wird DNA als Matrize verwendet, um mit Hilfe des Enzyms RNA-Polymerase einen Strang Messenger-RNA zu erzeugen.

In eukaryotischen Zellen findet der Transkriptionsprozess im Zellkern statt, der die wichtigste intrazelluläre Organelle ist, in der DNA in Form von Chromosomen enthalten ist. Es beginnt mit der "Kopie" der kodierenden Region des Gens, die in ein einzelnes Bandenmolekül transkribiert wird, das als Messenger-RNA (mRNA) bekannt ist.

Da die DNA in der Organelle eingeschlossen ist, fungieren die mRNA-Moleküle als Vermittler oder Transporter bei der Übertragung der genetischen Nachricht vom Kern zum Cytosol, wo die Translation der RNA stattfindet, und der gesamten Biosynthesemaschinerie für die Proteinsynthese (die Ribosomen).

- Wie sind eukaryotische Gene?

Ein Gen besteht aus einer DNA-Sequenz, deren Eigenschaften seine Funktion bestimmen, da die Reihenfolge der Nukleotide in dieser Sequenz die Transkription und anschließende Translation bestimmt (im Fall derjenigen, die für Proteine ​​kodieren).

Wenn ein Gen transkribiert wird, dh wenn seine Informationen in Form von RNA kopiert werden, kann das Ergebnis eine nicht-kodierende RNA (cRNA) sein, die direkte Funktionen bei der Regulation der Genexpression, bei der Zellsignalisierung usw. hat. oder es kann eine Messenger-RNA (mRNA) sein, die dann in eine Aminosäuresequenz in einem Peptid übersetzt wird.

Darstellung der Struktur eines eukaryotischen Gens (Quelle: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) über Wikimedia Commons)

Ob ein Gen ein funktionelles Produkt in Form von RNA oder Protein aufweist, hängt von bestimmten Elementen oder Regionen ab, die in seiner Sequenz vorhanden sind.

Gene, eukaryotisch oder prokaryotisch, haben zwei DNA-Stränge, einen als "Sense" -Strang und einen als "Antisense" bekannten Strang. Die Enzyme, die für die Transkription dieser Sequenzen verantwortlich sind, "lesen" nur einen der beiden Stränge, typischerweise den "Sense" - oder "Coding" -Strang, der eine "Richtung" 5'-3 'hat.

Jedes Gen hat an seinen Enden regulatorische Sequenzen:

- Wenn sich die Sequenzen vor der codierenden Region befinden (die transkribiert wird), werden sie als "Promotoren" bezeichnet.

- Wenn sie durch viele Kilobasen getrennt sind, können sie "zum Schweigen bringen" oder "verbessern".

- Die Sequenzen, die der 3'-Region der Gene am nächsten liegen, sind normalerweise Terminatorsequenzen, die der Polymerase mitteilen, dass sie die Transkription (bzw. die Replikation) stoppen und beenden muss.

Die Promotorregion wird entsprechend ihrer Nähe zur codierenden Region in distal und proximal unterteilt. Es befindet sich am 5'-Ende des Gens und ist die Stelle, an der das RNA-Polymeraseenzym und andere Proteine ​​erkennen, dass sie die Transkription von DNA zu RNA initiieren.

Im proximalen Teil der Promotorregion können Transkriptionsfaktoren binden, die die Affinität des Enzyms zu der zu transkribierenden Sequenz modifizieren können, so dass sie für die positive oder negative Regulierung der Transkription von Genen verantwortlich sind.

Die Enhancer- und Silencing-Regionen sind auch für die Regulierung der Gentranskription verantwortlich, indem sie die "Aktivität" der Promotorregionen durch ihre Bindung an Aktivator- oder Repressorelemente "stromaufwärts" der codierenden Sequenz des Gens modifizieren.

Es wird gesagt, dass eukaryotische Gene standardmäßig immer "ausgeschaltet" oder "unterdrückt" sind, so dass sie durch Promotorelemente aktiviert werden müssen, um exprimiert (transkribiert) zu werden.

- Wer ist für die Transkription verantwortlich?

Unabhängig vom Organismus wird die Transkription von einer Gruppe von Enzymen durchgeführt, die als RNA-Polymerasen bezeichnet werden und sich ähnlich wie die Enzyme, die für die DNA-Replikation bei der Teilung einer Zelle verantwortlich sind, auf die Synthese einer RNA-Kette spezialisiert haben von einem der DNA-Stränge des zu transkribierenden Gens.

RNA-Polymerasen sind große Enzymkomplexe, die aus vielen Untereinheiten bestehen. Es gibt verschiedene Arten:

- RNA-Polymerase I (Pol I): Transkribiert die Gene, die für die "große" ribosomale Untereinheit kodieren.

- RNA-Polymerase II (Pol II): Transkribiert die für Proteine ​​kodierenden Gene und produziert Mikro-RNAs.

- RNA-Polymerase III (Pol III): produziert die während der Translation verwendeten Transfer-RNAs und auch die RNA, die der kleinen Untereinheit des Ribosoms entspricht.

- RNA-Polymerase IV und V (Pol IV und Pol V): Diese sind typisch für Pflanzen und für die Transkription kleiner störender RNAs verantwortlich.

- Was ist der Prozess?

Eukaryotische Gentranskription (Quelle: Erinp.5000 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) über Wikimedia Commons)

Die genetische Transkription ist ein Prozess, der in drei Phasen unterteilt werden kann: Initiierung, Verlängerung und Beendigung.

Einleitung

Während der Initiierung der Promotorregion fungiert die Promotorregion des Gens als Erkennungsstelle für die RNA-Polymerase. Hier wird der größte Teil der genetischen Expression kontrolliert

RNA-Polymerase (sagen wir RNA-Polymerase II) bindet an die Promotorregionssequenz, die aus einer 6-10-Basenpaar-Dehnung am 5'-Ende des Gens besteht, üblicherweise etwa 35 Basenpaare entfernt der Transkriptionsstartstelle.

Die Vereinigung der RNA-Polymerase führt zur "Öffnung" der DNA-Doppelhelix, wodurch die komplementären Stränge getrennt werden. Die RNA-Synthese beginnt an der als "Initiationsstelle" bekannten Stelle und erfolgt in 5'-3'-Richtung, dh "stromabwärts" oder von links nach rechts (gemäß Konvention).

Die Initiierung der durch RNA-Polymerasen vermittelten Transkription hängt von der gleichzeitigen Anwesenheit von Proteintranskriptionsfaktoren ab, die als allgemeine Transkriptionsfaktoren bekannt sind und zur "Position" des Enzyms in der Promotorregion beitragen.

Nachdem das Enzym zu polymerisieren begonnen hat, wird es sowohl von der Promotorsequenz als auch von allgemeinen Transkriptionsfaktoren "abgestoßen".

Verlängerung

Während der Verlängerung gleitet die RNA-Polymerase die Kette entlang, die als Matrize dient

Es tritt auf, wenn sich die RNA-Polymerase entlang der DNA-Sequenz "bewegt" und Ribonukleotide hinzufügt, die zum DNA-Strang komplementär sind und als "Matrize" für die wachsende RNA dienen. Wenn die RNA-Polymerase den DNA-Strang "passiert", verbindet sie sich wieder mit ihrem Antisense-Strang.

Die durch RNA-Polymerase durchgeführte Polymerisation besteht aus nukleophilen Angriffen von Sauerstoff in der 3'-Position der wachsenden RNA-Kette an das Phosphat "alpha" des nächsten hinzuzufügenden Nukleotidvorläufers mit der daraus resultierenden Bildung von Phosphodiesterbindungen und der Freisetzung von a Pyrophosphatmolekül (PPi).

Der Satz, der aus dem DNA-Strang, der RNA-Polymerase und dem entstehenden RNA-Strang besteht, ist als Transkriptionsblase oder -komplex bekannt.

Beendigung

Wenn die RNA-Polymerase die terminale Region des Gens erreicht, ist die Transkriptions-Messenger-RNA vollständig. Dann dissoziieren RNA-Polymerase, DNA-Strang und Transkriptions-Messenger-RNA

Die Terminierung erfolgt, wenn die Polymerase die Terminationssequenz erreicht, die sich logischerweise "stromabwärts" von der Transkriptionsinitiationsstelle befindet. Wenn dies auftritt, werden sowohl das Enzym als auch die synthetisierte RNA von der zu transkribierenden DNA-Sequenz "abgelöst".

Die Terminationsregion besteht normalerweise aus einer DNA-Sequenz, die sich selbst "falten" kann und eine Struktur vom Typ "Haarnadelschleife" bildet.

Nach der Terminierung ist der synthetisierte RNA-Strang als primäres Transkript bekannt, das aus dem Transkriptionskomplex freigesetzt wird. Danach kann er posttranskriptionell verarbeitet werden oder nicht (gegebenenfalls vor seiner Translation in Protein) durch a Prozess namens "Schneiden und Spleißen".

Transkription in Prokaryoten (Prozess)

Da prokaryotische Zellen keinen membranumschlossenen Kern haben, erfolgt die Transkription im Cytosol, insbesondere in der "Kern" -Region, in der chromosomale DNA konzentriert ist (Bakterien haben ein kreisförmiges Chromosom).

Auf diese Weise ist der Anstieg der cytosolischen Konzentration eines bestimmten Proteins bei Prokaryoten wesentlich schneller als bei Eukaryoten, da die Transkriptions- und Translationsprozesse im selben Kompartiment stattfinden.

- Wie sind prokaryotische Gene?

Prokaryontische Organismen haben Gene, die Eukaryoten sehr ähnlich sind: Die ersteren verwenden auch Promotor- und regulatorische Regionen für ihre Transkription, obwohl ein wichtiger Unterschied damit zusammenhängt, dass die Promotorregion häufig ausreicht, um eine "starke" Expression der zu erreichen Gene.

In diesem Sinne ist es wichtig zu erwähnen, dass prokaryotische Gene im Allgemeinen standardmäßig immer "an" sind.

Die Promotorregion ist mit einer anderen Region assoziiert, üblicherweise "stromaufwärts", die durch Repressormoleküle reguliert wird und als "Operatorregion" bekannt ist.

Darstellung der Struktur eines prokaryotischen Gens (Quelle: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) über Wikimedia Commons)

Ein Unterschied in der Transkription zwischen Prokaryoten und Eukaryoten besteht darin, dass normalerweise die Messenger-RNAs von Eukaryoten monocistronisch sind, dh jede enthält die Informationen zur Synthese eines einzelnen Proteins, während diese in Prokaryoten monocistronisch oder polycistronisch sein können, wobei nur eine MRNA kann die Informationen für zwei oder mehr Proteine ​​enthalten.

Es ist daher bekannt, dass prokaryotische Gene, die Proteine ​​mit ähnlichen Stoffwechselfunktionen codieren, beispielsweise in Gruppen gefunden werden, die als Operons bekannt sind und gleichzeitig in eine Einzelmolekülform von Messenger-RNA transkribiert werden.

Prokaryontische Gene sind dicht gepackt, ohne dass viele nichtkodierende Regionen dazwischen liegen, so dass sie nach der Transkription in lineare Messenger-RNA-Moleküle sofort in Protein übersetzt werden können (eukaryotische mRNAs müssen häufig weiter verarbeitet werden).

- Wie ist prokaryotische RNA-Polymerase?

Prokaryontische Organismen wie beispielsweise Bakterien verwenden dasselbe RNA-Polymeraseenzym, um alle ihre Gene zu transkribieren, dh diejenigen, die für ribosomale Untereinheiten kodieren, und diejenigen, die für verschiedene zelluläre Proteine ​​kodieren.

In E. coli-Bakterien besteht die RNA-Polymerase aus 5 Polypeptiduntereinheiten, von denen zwei identisch sind. Die α, α, β, β'-Untereinheiten umfassen den zentralen Teil des Enzyms und bauen sich während jedes Transkriptionsereignisses zusammen und zerlegen sich.

Die α-Untereinheiten sind diejenigen, die die Vereinigung zwischen der DNA und dem Enzym ermöglichen; Die β-Untereinheit bindet an die Triphosphat-Ribonukleotide, die gemäß der DNA-Matrize im entstehenden mRNA-Molekül polymerisiert werden, und die β'-Untereinheit bindet an den Matrizen-DNA-Strang.

Die fünfte Untereinheit, bekannt als σ, ist an der Initiierung der Transkription beteiligt und verleiht der Polymerase Spezifität.

- Was ist der Prozess?

Die Transkription in Prokaryoten ist der von Eukaryoten sehr ähnlich (sie ist auch in Initiierung, Verlängerung und Terminierung unterteilt), wobei einige Unterschiede in der Identität der Promotorregionen und den für die RNA-Polymerase erforderlichen Transkriptionsfaktoren bestehen ihre Funktionen ausüben.

Obwohl die Promotorregionen zwischen verschiedenen prokaryotischen Spezies variieren können, gibt es zwei konservierte "Konsensus" -Sequenzen, die in der -10-Region (TATAAT) und in der -35-Region (TTGACA) stromaufwärts der codierenden Sequenz leicht identifiziert werden können.

Einleitung

Es hängt von der σ-Untereinheit der RNA-Polymerase ab, da es die Wechselwirkung zwischen DNA und dem Enzym vermittelt und so Promotorsequenzen erkennen kann. Die Initiierung endet, wenn einige abortive Transkripte von etwa 10 Nukleotiden produziert werden, die freigesetzt werden.

Verlängerung

Wenn sich die σ-Untereinheit vom Enzym löst, beginnt die Elongationsphase, die aus der Synthese eines mRNA-Moleküls in 5'-3'-Richtung besteht (ungefähr 40 Nukleotide pro Sekunde).

Beendigung

Die Beendigung in Prokaryoten hängt von zwei verschiedenen Arten von Signalen ab, sie können Rho-abhängig und Rho-unabhängig sein.

Das Rho-abhängige Protein wird von diesem Protein gesteuert, das der Polymerase "folgt", während es in der RNA-Synthese voranschreitet, bis diese eine Sequenz erreicht, die reich an Guaninen (G) ist, langsamer wird und mit dem Rho-Protein in Kontakt kommt. Dissoziation von DNA und mRNA.

Die Rho-unabhängige Terminierung wird durch spezifische Sequenzen des Gens gesteuert, die normalerweise reich an Guanin-Cytosin (GC) -Repeats sind.

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