Что называют единицей транскрипции
Транскрипция (биология)
Транскри́пция (от лат. transcriptio — переписывание) — процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК.
Транскрипция катализируется ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Процесс синтеза РНК протекает в направлении от 5′- к 3′- концу, то есть по матричной цепи ДНК РНК-полимераза движется в направлении 3′->5′ [1]
Транскрипция состоит из стадий инициации, элонгации и терминации.
Содержание
Инициация транскрипции
Инициация транскрипции — сложный процесс, зависящий от последовательности ДНК вблизи транскрибируемой последовательности (а у эукариот также и от более далеких участков генома — энхансеров и сайленсеров) и от наличия или отсутствия различных белковых факторов.
Элонгация транскрипции
Момент перехода РНК-полимеразы от инициации транскрипции к элонгации точно не определен. Три основных биохимических события характеризуют этот переход в случае РНК-полимеразы кишечной палочки: отделение сигма-фактора, первая транслокация молекулы фермента вдоль матрицы и сильная стабилизация транскрипционного комплекса, который кроме РНК-полимеразы включает растущую цепь РНК и транскрибируемую ДНК. Эти же явления характерны и для РНК-полимераз эукариот. Переход от инициации к элонгации сопровождается разрывом связей между ферментом, промотором, факторами инициации транскрипции, а в ряде случаев — переходом РНК-полимеразы в состояние компетентности в отношении элонгации (например, фосфорилирование CTD-домена у РНК-полимеразы II). Фаза элонгации заканчивается после освобождения растущего транскрипта и диссоциации фермента от матрицы (терминация).
На стадии элонгации в ДНК расплетено примерно 18 пар нуклеотидов. Примерно 12 нуклеотидов матричной нити ДНК образует гибридную спираль с растущим концом цепи РНК. По мере движения РНК-полимеразы по матрице впереди нее происходит расплетание, а позади — восстановление двойной спирали ДНК. Одновременно освобождается очередное звено растущей цепи РНК из комплекса с матрицей и РНК-полимеразой. Эти перемещения должны сопровождаться относительным вращением РНК-полимеразы и ДНК. Трудно себе представить, как это может происходить в клетке, особенно при транскрипции хроматина. Поэтому не исключено, что для предотвращения такого вращения двигающуюся по ДНК РНК-полимеразу сопровождают топоизомеразы.
В последнее время появились данные, показывающие, что регуляторные факторы также могут регулировать элонгацию. РНК-полимераза в процессе элонгации делает паузы на определенных участках гена. Особенно четко это видно при низких концентрациях субстратов. В некоторых участках матрицы длительные задержки в продвижении РНК-полимеразы, т. н. паузы, наблюдаются даже при оптимальных концентрациях субстратов. Продолжительность этих пауз может контролироваться факторами элонгации.
Терминация
У бактерий есть два механизма терминации транскрипции:
Транскрипционные фабрики
Обратная транскрипция
Некоторые вирусы (такие как ВИЧ, вызывающий СПИД), имеют возможность транскрибировать РНК в ДНК. ВИЧ имеет РНК-геном, который встраивается в ДНК. В результате, ДНК вируса может быть объединено с геномом клетки-хозяина. Главный фермент, ответственный за синтез ДНК из РНК, называется ревертазой. Одной из функций ревертазы является создание комплементарной ДНК (кДНК) из вирусного генома. Ассоциированый фермент рибонуклеаза H расщепляет РНК, а ревертаза синтезирует кДНК из двойной спирали ДНК. кДНК интегрируется в геном клетки-хозяина с помощью интегразы. Результатом является синтез вирусных протеинов клеткой-хозяином, которые образуют новые вирусы. В случае с ВИЧ так же программируется апоптоз (смерть клетки) Т-лимфоцитов. [7] В иных случаях клетка может остаться распростанителем вирусов.
Некоторые клетки эукариотов содержат фермент теломеразу, так же проявляющую активность обратной транскрипции. С её помощью синтезируются повторяющиеся последовательности в ДНК. Теломераза часто активирутся в раковых клетках для бесконечной дупликации генома без потери кодирующей протеины последовательности ДНК.
Транскрипция – определение, типы и функции
Определение транскрипции
Транскрипция относится к первому шагу ген выражение, где полимер РНК создается из матрицы ДНК. Эта реакция катализируется ферментами, называемыми РНК-полимеразами, и РНК-полимер антипараллелен и комплементарен матрице ДНК. Участок ДНК, который кодирует РНК-транскрипт, называется единицей транскрипции и может содержать более одного гена.
Эти РНК-транскрипты могут либо использоваться в качестве мессенджеров для управления синтезом белков, либо участвовать в ряде различных клеточных процессов. Эти функциональные или некодирующие РНК могут быть переносимыми РНК (тРНК ), рибосомная РНК (рРНК), или прямая регуляция генов посредством интерференции РНК (RNAi) и формирования гетерохроматина.
Функция транскрипции
Говорят, что жизнь на Земле началась с самореплицирующейся РНК, поскольку это единственный класс молекул, способных как к катализу, так и к переносу генетической информации. С развитием белки взяли на себя катализ, потому что они способны к большему разнообразию последовательностей и структур. Кроме того, связи на сахарофосфатном остове РНК уязвимы даже для незначительных изменений pH и могут подвергаться щелочному гидролизу. Таким образом, ДНК стала предпочтительной молекула для переноса генетической информации, поскольку она более стабильна и устойчива к деградации. Транскрипция поддерживает связь между этими двумя молекулами и позволяет клеткам использовать стабильный нуклеиновая кислота как генетический материал, сохраняя при этом большую часть своего механизма синтеза белка.
Кроме того, отделение ДНК от сайта для синтеза белка также защищает генетический материал от биохимических и биофизических стрессов сложных, многослойных процессов. Небольшие ошибки в РНК-транскрипте могут быть преодолены, поскольку молекула РНК имеет короткий период полураспада, но изменения в ДНК становятся наследственными мутациями. Кроме того, транскрипция добавляет еще один слой для сложной генной регуляции, особенно в вид с большими геномами, которые требуют незначительной корректировки метаболизма.
Механизм транскрипции
Транскрипция создает одноцепочечную молекулу РНК из двухцепочечной ДНК. Поэтому только информация в одной из цепей передается в нуклеотид последовательность РНК. Одна нить ДНК называется кодирующей нитью, а другая – матричной нитью. Механизм транскрипции взаимодействует с шаблоном, чтобы произвести мРНК чья последовательность напоминает кодирующую цепь. Другие названия для шаблонной цепи включают антисмысловую цепь и главную цепь.
Два разных гена на одной молекуле ДНК могут иметь кодирующие последовательности на разных цепях.
Транскрипционная активность особенно высока в фазах G1 и G2 клеточный цикл когда клетка либо восстанавливается после митоз или готовится к драматическим событиям следующего цикла деление клеток.
Инициация транскрипции
Транскрипция начинается со связывания RNAP в присутствии общих факторов транскрипции с промоторной областью перед сайтом начала транскрипции на ДНК. Прокариотическая РНКП связывается с сигма-фактором, тогда как эукариотическая РНК-полимераза может взаимодействовать с рядом факторов транскрипции, а также с белками-активаторами и репрессорами. Первоначально после связывания RNAP с областью промотора ДНК остается в двухцепочечной форме. Это называется «замкнутый комплекс» между ДНК и RNAP. После этого RNAP вместе с факторами транскрипции разматывает сегмент ДНК и взаимодействует с открытыми нуклеотидами в открытом комплексе, создавая «пузырь транскрипции». RNAP затем отправляется в путешествие по ДНК, сканируя сайт начала транскрипции внутри пузыря. Как только начальный сайт расположен, первые два нуклеотида транскрипта связываются друг с другом.
Побег из Промоутер
После добавления первых нескольких нуклеотидов в предполагаемый РНК-транскрипт РНКП вступает в критическую нестабильную фазу. Он может либо продолжать к продуктивной инициации, либо притягивать ДНК к себе, создавая сжатую открытую ДНК внутри полимеразы. Если RNAP перематывает нижнюю часть ДНК, предполагаемая РНК-транскрипт высвобождается, потому что комплекс ДНК-RNAP возвращается к своей первоначальной открытой конфигурации. Это называется неудачной инициацией.
Однако, если верхняя часть ДНК перематывается и выталкивается из фермента, RNAP продвигается вперед. Его взаимодействие с промоторной областью нарушается, и РНК-транскрипт достигает длины 14-15 нуклеотидов. Это называется побегом от промотора и сопровождается изменениями во взаимодействиях белок-белок и белок-ДНК. Некоторые транскрипционные факторы высвобождаются, и транскрипция движется к фазе удлинения.
Удлинение транскрипции
Как только образуется короткий РНК-олигонуклеотид из более чем 15 оснований, РНКП проходит вдоль цепи матричной ДНК. Стенограмма идентична кодирующей цепи, за исключением того, что в нуклеотидном остове вместо сахара содержится рибоза дезоксирибоза и пары оснований аденина с урацилом вместо тимин, RNAP может катализировать образование фосфодиэфирной связи между пятым атомом углерода входящего нуклеотида и третьим атомом углерода последнего нуклеотида в существующем транскрипте.
Поскольку молекула РНК имеет свободный фосфат, присоединенный к пятому углероду на первом нуклеотиде, и свободный гидроксильная группа говорят, что на третьем углероде последнего нуклеотида РНК транскрибируется в направлении от 5 ‘до 3’.
Завершение транскрипции
В отличие от репликации ДНК, где ДНК-полимераза продолжает добавлять нуклеотиды, пока не достигнет конца молекулы, транскрипция должна быть прекращена в определенном месте для эффективной регуляции и экспрессии генов. Прекращение прокариотической транскрипции может происходить через образование двухцепочечной области внутри РНК или под действием белка, называемого Rho.
Первый метод включает транскрипцию богатой G: C области, за которой следует цепочка урацилов, которые образуют слабые водородные связи с матричной ДНК. Обогащенная G: C область может зацикливаться на себе, образуя шпилеподобную структуру, блокирующую RNAP и механизм транскрипции. Это в сочетании с более слабыми связями между урацилом и матричной ДНК может отодвинуть РНК от механизма транскрипции и привести к терминации. Этот процесс также включает белок под названием NusA.
Rho-зависимая терминация транскрипции включает связывание белка Rho с последовательностью на транскрибируемой РНК. Эта последовательность, которая находится ниже по течению от перевод стоп кодоны Позволяет Rho связываться с РНК и перемещаться по транскрипту АТФ-зависимым образом. Когда он сталкивается с остановленным RNAP, он связывается с ферментом и заставляет транскрипт и связанный с ним механизм диссоциироваться от ДНК.
Прекращение эукариотической транскрипции гораздо менее изучено, и большая часть работы была сосредоточена на механизмах RNAP II. Терминация транскрипции у эукариот также связана с посттранскрипционными модификациями и процессингом перед экспортом зрелой РНК в цитоплазму.
Типы РНК-транскриптов
Традиционно были известны три типа транскриптов РНК – мессенджер РНК (мРНК), тРНК и рРНК – и все три тесно связаны с синтезом белка. Хотя мРНК определяет аминокислотную последовательность, тРНК и рРНК имеют решающее значение для механизма трансляции кода мРНК.
Полимеризация мРНК из ДНК-содержащих белков, кодирующих гены, катализируется РНК-полимераза II. Иногда белки, которые используются вместе, кодируются как единое целое в одной длинной молекуле мРНК, и это особенно распространено среди прокариот. Последовательности ДНК перед кодирующей последовательностью содержат сайты стыковки для механизма транскрипции, а также регуляторные факторы, которые модулируют время и количество транскрипционной активности. Затем мРНК модифицируют и обрабатывают для получения окончательного транскрипта, используемого для трансляции.
рРНК составляет почти пятьдесят процентов РНК клетки и транскрибируется РНК-полимеразой I в специализированных областях ядра, называемых ядрышками. Ядрышки представляют собой плотные сферические структуры вокруг локусов, кодирующих рРНК. Прокариотическая рРНК имеет три типа, а эукариотические рибосомы состоят из четырех типов рРНК, самая большая из которых содержит более 5000 нуклеотидов. Эти молекулы РНК определяют трехмерную структуру рибосом.
РНК-полимераза III катализирует транскрипцию предшественников тРНК в ядре. Промоторные последовательности, контролирующие экспрессию генов тРНК, могут быть внутригенными, расположенными внутри кодирующей последовательности гена. Предшественники тРНК подвергаются обширным модификациям, включая сплайсинг. Прокариотические тРНК сохраняют свою каталитическую активность и могут самостоятельно сплайсироваться, тогда как эукариотическая посттранскрипционная модификация осуществляется специальными эндонуклеазными ферментами. Эти эндонуклеазы распознают специфические структурные мотивы в тРНК, которые нацелены на последовательность для сплайсинга.
Различия между прокариотической и эукариотической транскрипцией
Прокариоты также имеют только одну РНК-полимеразу, чтобы катализировать все реакции транскрипции клетки, и один РНК-транскрипт может направлять синтез нескольких белков. Эти мРНК называются полицистронными мРНК. Часто все гены, участвующие в одном биохимическом пути, транскрибируются и транслируются вместе, что позволяет регулировать весь путь как единое целое. У эукариот поликистронная мРНК может быть обнаружена в хлоропластах.
викторина
1. Какие из этих свойств делают ДНК более стабильным генетическим материалом?A. Водородные связи между основаниями сильнееB. ДНК длиннее РНКC. Наличие тиминовых основанийD. Стойкость к деградации в результате щелочного гидролиза
Ответ на вопрос № 1
D верно. Сахарная цепь ДНК содержит дезоксирибозу, что делает ее более устойчивой к деградации в результате щелочного гидролиза. Водородные связи не особенно прочны в ДНК по сравнению с РНК, несмотря на изменения в базовых составах.
2. Каков размер ядерной поры у эукариот?A. Менее 10 нмB. Более 10 нмC. Более 2000 нмD. 25-30 нм
Ответ на вопрос № 2
верно. Ядерные поры имеют размер 5-10 нм. Многие белки имеют размер более 10 нм, размер рибосом составляет 25-30 нм, а полностью конденсированных хромосом – более 2000 нм. Ядерные поры действуют как эффективные сита, которые контролируют движение макромолекул в ядро и из него.
3. Что из этого НЕ является особенностью экспрессии генов прокариот?A. Сопряженная транскрипция и переводB. Обширная посттранскрипционная модификация РНК-транскриптаC. Сигма-фактор для инициации транскрипцииD. Ни один из вышеперечисленных
Ответ на вопрос № 3
В верно. Отсутствие ядерной оболочки позволяет связывать прокариотическую транскрипцию и трансляцию, а транскрипция инициируется сигма-факторами. Однако, в отличие от экспрессии гена эукариот, РНК-транскрипт у прокариот имеет меньше интронов и не подвергается значительной модификации.
Транскрипция и трансляция
Удвоение ДНК происходит в синтетическом периоде интерфазы. При этом общее число хромосом не меняется, однако каждая из них содержит к началу деления две молекулы ДНК: это необходимо для равномерного распределения генетического материала между дочерними клетками.
Транскрпиция (лат. transcriptio — переписывание)
Образуется несколько начальных кодонов иРНК.
Нити ДНК последовательно расплетаются, освобождая место для передвигающейся РНК-полимеразы. Молекула иРНК быстро растет.
Трансляция (от лат. translatio — перенос, перемещение)
Рибосома делает шаг, и иРНК продвигается на один кодон: такое в фазу элонгации происходит десятки тысяч раз. Молекулы тРНК приносят новые аминокислоты, соответствующие кодонам иРНК. Аминокислоты соединяются друг с другом: между ними образуются пептидные связи, молекула белка растет.
Примеры решения задачи №1
Без практики теория мертва, так что скорее решим задачи! В первых двух задачах будем пользоваться таблицей генетического кода (по иРНК), приведенной вверху.
«Фрагмент цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦГА-ТГГ-ТЦЦ-ГАЦ. Определите последовательность нуклеотидов во второй цепочке ДНК, последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны соответствующих тРНК и аминокислотную последовательность соответствующего фрагмента молекулы белка, используя таблицу генетического кода»
По принципу комплементарности мы нашли вторую цепочку ДНК: ГЦТ-АЦЦ-АГГ-ЦТГ. Мы использовали следующие правила при нахождении второй нити ДНК: А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.
Вернемся к первой цепочке, и именно от нее пойдем к иРНК: ГЦУ-АЦЦ-АГГ-ЦУГ. Мы использовали следующие правила при переводе ДНК в иРНК: А-У, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.
Зная последовательность нуклеотидов иРНК, легко найдем тРНК: ЦГА, УГГ, УЦЦ, ГАЦ. Мы использовали следующие правила перевода иРНК в тРНК: А-У, У-А, Г-Ц, Ц-Г. Обратите внимание, что антикодоны тРНК мы разделяем запятыми, в отличие кодонов иРНК. Это связано с тем, что тРНК представляют собой отдельные молекулы (в виде клеверного листа), а не линейную структуру (как ДНК, иРНК).
Пример решения задачи №2
«Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент цепи ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет следующую последовательность нуклеотидов: ТАГ-ЦАА-АЦГ-ГЦТ-АЦЦ. Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует антикодону тРНК»
Пример решения задачи №3
Длина фрагмента молекулы ДНК составляет 150 нуклеотидов. Найдите число триплетов ДНК, кодонов иРНК, антикодонов тРНК и аминокислот, соответствующих данному фрагменту. Известно, что аденин составляет 20% в данном фрагменте (двухцепочечной молекуле ДНК), найдите содержание в процентах остальных нуклеотидов.
Теперь мы украсили теорию практикой. Что может быть лучше при изучении новой темы? 🙂
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Транскрипция
Транскрипция — это процесс синтеза молекулы РНК на участке ДНК, используемом в качестве матрицы. Смысл транскрипции заключается в переносе генетической информации с ДНК на РНК.
Молекула ДНК состоит из двух комплиментарных друг другу цепей, а РНК — только из одной. При транскрипции матрицей для синтеза РНК служит только одна из цепей ДНК. Ее называют смысловой цепью. Исключением является митохондриальная ДНК, в которой обе цепи являются смысловыми и содержат разные гены. Также как исключение на ядерной ДНК некоторые гены могут быть локализованы на несмысловой цепи.
При транскрипции молекула РНК синтезируется в направлении от 5′ к 3′ концу (что естественно для синтеза всех нуклеиновых кислот), при этом по цепи ДНК синтез идет в обратном направлении: 3’→5′.
У эукариот каждый ген транскрибируется отдельно. Исключение опять же представляет митохондриальная ДНК, которая транскибируется на общий мультигенный транскрипт, который затем разрезается. Так как у прокариот гены образуют группы, формируя один оперон, то такие гены транскрибируются вместе. В любом случае транскриптоном называют участок ДНК, состоящий из промотора, транскрибируемого участка и терминатора.
В транскрипции выделяют 3 стадии: инициация, элонгация, терминация.
Инициация транскрипции позволяет начаться синтезу молекулы РНК. Инициация включает присоединение к промотору комплекса ферментов. Главным из них является РНК-полимераза (в данном случае ДНК-зависимая), которая, в свою очередь, состоит из нескольких белков-субъединиц и играет роль катализатора процесса. У эукариот на инициацию транскрипции влияют особые участки ДНК: энхансеры (усиливают) и сайленсеры (подвляют), которые обычно удаленные на некоторое расстояние от самого гена. Существуют различные белковые факторы, влияющие на возможность инициации транскрипции.
У прокариот имеется только один тип РНК-полимеразы, в то время как у эукариот их три. РНК-полимераза-1 используется для синтеза трех видов рибосомальной РНК (всего существует 4 вида рРНК). РНК-полимераза-2 используется для синтеза пре-иРНК (предшественника информационной) РНК. РНК-полимераза-3 синтезирует один из видов рибосомальной РНК, транспортную и малую ядерную.
РНК-полимераза способна распознавать определенные последовательности нуклеотидов и прикрепляется к ним. Эти последовательности короткие и универсальные для всего живого.
После того, как РНК-полимераза присоединяется к промотору, участок двойной спирали ДНК раскручивается и между цепочками этого участка разрываются нуклеотидные связи. Расплетается примерно 18 пар нуклеотидов.
На стадии элонгации происходит последовательное присоединение по принципу комплиментарности свободных нуклеотидов к освобожденному участку ДНК. РНК-полимераза соединяет нуклеотиды в полирибонуклеотидную цепочку.
При синтезе РНК около 12 ее нуклеотидов комплементарно временно связаны с нуклеотидами ДНК. При движении РНК-полимеразы впереди нее цепочки ДНК расходятся, а сзади «сшиваются» с помощью ферментов. Цепь РНК постепенно растет и выдвигается из комплекса РНК-полимеразы.
Существуют элонгирующие факторы, препятствующие преждевременной остановки транскрипции.
Терминация процесса транскрипции происходит в участке-терминаторе, который распознается РНК-полимеразой благодаря специальным белковым факторам терминации.
К 3′-концу синтезированной молекулы РНК присоединяется множество адениновых нуклеотидов (поли-А) для предотвращения ее ферментативного распада. Еще ранее, когда был синтезирован 5′-конец, на нем был образован так называемый кэп.
В большинстве случаев в результате транскрипции не получается готовая РНК. «Сырая» РНК должна еще пройти процесс процессинга, при котором происходят ее модификационные изменения и она становится функционально активной. Каждый тип РНК эукариот подвергается своим модификациям. Формирование поли-А и кэпа часто также относят к процессингу.
Транскрипция это первый из нескольких шагов ДНК на основании экспрессия гена в котором конкретный сегмент ДНК копируется в РНК (особенно мРНК) посредством фермент РНК-полимераза.
И ДНК, и РНК являются нуклеиновых кислот, которые используют пар оснований из нуклеотиды как дополнительный язык. Во время транскрипции последовательность ДНК считывается РНК-полимеразой, которая производит комплементарный антипараллельный Нить РНК называется первичная стенограмма.
Транскрипция происходит в следующих общих шагах:
Участок ДНК, транскрибируемый в молекулу РНК, называется блок транскрипции и кодирует хотя бы один ген. Если ген кодирует белок, транскрипция производит информационная РНК (мРНК); мРНК, в свою очередь, служит шаблоном для синтеза белка посредством перевод. Альтернативно, транскрибируемый ген может кодировать некодирующая РНК такие как микроРНК, рибосомальная РНК (рРНК), переносить РНК (тРНК) или ферментативные молекулы РНК, называемые рибозимы. [1] В целом РНК помогает синтезировать, регулировать и обрабатывать белки; поэтому он играет фундаментальную роль в выполнении функций в ячейка.
Содержание
Задний план
Единица транскрипции ДНК, кодирующая белок, может содержать как кодирующая последовательность, который будет переведен в белок, и регуляторные последовательности, которые направляют и регулируют синтез этого белка. Регуляторная последовательность перед («вверх по течению»из) кодирующая последовательность называется пять основных непереведенных регионов (5’UTR); последовательность после («вниз по течению»из) кодирующая последовательность называется три основных непереведенных региона (3’UTR). [1]
В отличие от Репликация ДНК, транскрипция приводит к РНК-комплементу, который включает нуклеотид урацил (U) во всех случаях, когда тимин (T) произошел бы в дополнении ДНК.
Только одна из двух цепей ДНК служит шаблоном для транскрипции. В антисмысловой цепь ДНК читается РНК-полимеразой от 3 ‘конца до 5’ конца во время транскрипции (3 ‘→ 5’). Комплементарная РНК создается в противоположном направлении, в направлении 5 ‘→ 3′, что соответствует последовательности смысловой цепи, за исключением замены урацила на тимин. Эта направленность обусловлена тем, что РНК-полимераза может добавлять нуклеотиды только к 3’-концу растущей цепи мРНК. Такое использование только цепи ДНК 3 ‘→ 5’ устраняет необходимость в Фрагменты Окадзаки которые видны в репликации ДНК. [1] Это также устраняет необходимость в Праймер РНК для инициирования синтеза РНК, как в случае репликации ДНК.
В не-шаблонная (смысловая) цепь ДНК называется кодирующая нить, потому что его последовательность такая же, как и вновь созданный транскрипт РНК (за исключением замены тимина на урацил). Это нить, которая используется по соглашению при представлении последовательности ДНК. [3]
Транскрипция имеет некоторые механизмы проверки, но они менее эффективны и менее эффективны, чем средства контроля для копирования ДНК. В результате транскрипция имеет более низкую точность копирования, чем репликация ДНК. [4]
Основные шаги
Транскрипция делится на инициация, побег промоутера, удлинение и прекращение. [5]
Инициация
Транскрипция начинается со связывания РНК-полимеразы вместе с одним или несколькими общие факторы транскрипции, к конкретной последовательности ДНК, называемой «промоутер»с образованием» замкнутого комплекса «РНК-полимераза-промотор. В» замкнутом комплексе «промоторная ДНК все еще является полностью двухцепочечной. [5]
Затем РНК-полимераза с помощью одного или нескольких общих факторов транскрипции раскручивает приблизительно 14 пар оснований ДНК с образованием «открытого комплекса» РНК-полимераза-промотор. В «открытом комплексе» промоторная ДНК частично разматывается и является одноцепочечной. Открытая одноцепочечная ДНК называется «пузырем транскрипции». [5]
РНК-полимераза с помощью одного или нескольких общих факторов транскрипции затем выбирает сайт начала транскрипции в пузыре транскрипции связывается с инициирующим NTP и расширение NTP (или короткая РНК грунтовка и удлиняющий NTP), комплементарный последовательности сайта начала транскрипции, и катализирует образование связи с получением исходного продукта РНК. [5]
В бактерии, РНК-полимераза холоэнзим состоит из пяти субъединиц: 2 субъединиц α, 1 субъединицы β, 1 субъединицы β ‘и 1 субъединицы ω. У бактерий есть один общий фактор транскрипции РНК, известный как фактор сигма. Фермент ядра РНК-полимеразы связывается с бактериальным фактором общей транскрипции (сигма) с образованием холофермента РНК-полимеразы, а затем связывается с промотором. [5] (РНК-полимераза называется холоферментом, когда сигма-субъединица присоединена к ферменту ядра, который состоит из 2 субъединиц α, 1 субъединицы β, только 1 субъединицы β ‘).
Инициирование транскрипции регулируется дополнительными белками, известными как активаторы и репрессоры, и, в некоторых случаях, связанные коактиваторы или корепрессоры, которые модулируют образование и функцию комплекса инициации транскрипции. [5]
Побег промоутера
После того, как первая связь синтезирована, РНК-полимераза должна покинуть промотор. В течение этого времени наблюдается тенденция к высвобождению транскрипта РНК и образованию усеченных транскриптов. Это называется неудачное начало, и является общим как для эукариот, так и для прокариот. [7] Прерванная инициация продолжается до тех пор, пока не будет синтезирован продукт РНК с пороговой длиной приблизительно 10 нуклеотидов, после чего происходит ускользание промотора и образование комплекса элонгации транскрипции.
Механически выход промотора происходит через Скручивание ДНК, обеспечивая энергию, необходимую для разрыва взаимодействия между холоферментом РНК-полимеразы и промотором. [8]
У бактерий исторически считалось, что фактор сигма определенно высвобождается после очистки промотора. Эта теория была известна как модель обязательного выпуска. Однако более поздние данные показали, что после и после удаления промотора сигма-фактор высвобождается в соответствии с стохастическая модель известный как стохастическая модель выпуска. [9]
У эукариот на промоторе, зависимом от РНК-полимеразы II, после клиренса промотора TFIIH фосфорилирует серин 5 на карбоксиконцевом домене РНК-полимеразы II, что приводит к рекрутированию кэпирующего фермента (CE). [10] [11] Точный механизм того, как CE вызывает клиренс промотора у эукариот, пока не известен.
Удлинение
Одна нить ДНК, шаблон прядь (или некодирующая цепь), используется в качестве матрицы для синтеза РНК. По мере того как транскрипция продолжается, РНК-полимераза пересекает цепочку матрицы и использует комплементарность спаривания оснований с шаблоном ДНК для создания копии РНК (которая удлиняется во время обхода). Хотя РНК-полимераза пересекает матричную цепь от 3 ‘→ 5’, кодирующая (не матричная) цепь и вновь образованная РНК также могут использоваться в качестве контрольных точек, поэтому транскрипцию можно описать как происходящую 5 ‘→ 3’. Это дает молекулу РНК из 5 ‘→ 3’, точную копию кодирующей цепи (за исключением того, что тимин заменены на урацилы, а нуклеотиды состоят из рибозного (5-углеродного) сахара, где ДНК содержит дезоксирибозу (на один атом кислорода меньше) в сахарно-фосфатном скелете). [ нужна цитата ]
Транскрипция мРНК может включать несколько РНК-полимераз на одной матрице ДНК и несколько раундов транскрипции (амплификация определенной мРНК), поэтому из одной копии гена можно быстро получить множество молекул мРНК. [ нужна цитата ] Характерные скорости удлинения у прокариот и эукариот составляют около 10-100 нт / сек. [12] Однако у эукариот нуклеосомы действуют как основные препятствия для транскрипции полимераз во время удлинения транскрипции. [13] [14] У этих организмов пауза, индуцированная нуклеосомами, может регулироваться факторами удлинения транскрипции, такими как TFIIS. [14]
Удлинение также включает в себя механизм корректуры, который может заменить неправильно встроенные основы. У эукариот это может соответствовать коротким паузам во время транскрипции, которые позволяют соответствующим факторам редактирования РНК связываться. Эти паузы могут быть характерны для РНК-полимеразы или из-за структуры хроматина. [ нужна цитата ]
Прекращение
Терминация транскрипции у эукариот менее изучена, чем у бактерий, но включает расщепление нового транскрипта с последующим независимым от матрицы добавлением аденинов на его новом 3′-конце в процессе, называемом полиаденилирование. [16]
Роль РНК-полимеразы в посттранскрипционных изменениях РНК
РНК-полимераза играет очень важную роль на всех этапах, включая посттранскрипционные изменения в РНК.
Ингибиторы
Эндогенные ингибиторы
У позвоночных большинство генов промоутеры содержать Остров CpG с многочисленными CpG сайты. [20] Когда многие из промоторных сайтов CpG гена метилированный ген становится подавленным (заглушенным). [21] Колоректальный рак обычно бывает от 3 до 6. Водитель мутации и от 33 до 66 автостопщик или пассажирские мутации. [22] Однако подавление транскрипции (молчание) может иметь большее значение, чем мутации, в развитии рака. Например, при колоректальном раке от 600 до 800 генов транскрипционно ингибируются метилированием CpG-островков (см. регуляция транскрипции при раке). Репрессия транскрипции при раке также может происходить другими эпигенетический механизмы, такие как измененное выражение микроРНК. [23] При раке груди подавление транскрипции BRCA1 может происходить чаще из-за сверхэкспрессии микроРНК-182, чем из-за гиперметилирования промотора BRCA1 (см. Низкая экспрессия BRCA1 при раке груди и яичников).
Фабрики транскрипции
Активные единицы транскрипции сгруппированы в ядре в дискретных сайтах, называемых фабрики транскрипции или эухроматин. Такие сайты можно визуализировать, позволив задействованным полимеразам расширить свои транскрипты в помеченных предшественниках (Br-UTP или Br-U) и пометив иммуно-меченую растущую РНК. Фабрики транскрипции также могут быть локализованы с помощью флуоресцентной гибридизации in situ или помечены антителами, направленными против полимераз. В нуклеоплазме человека насчитывается
10 000 фабрик. HeLa клетка, среди которых
8000 фабрик полимеразы II и
2000 фабрик полимеразы III. Каждая фабрика полимеразы II содержит
8 полимераз. Поскольку наиболее активные единицы транскрипции связаны только с одной полимеразой, каждая фабрика обычно содержит
8 различных единиц транскрипции. Эти единицы могут быть связаны через промоторы и / или энхансеры, при этом петли образуют «облако» вокруг фактора. [24]
История
В 1972 г. Уолтер Фирс стал первым человеком, который на самом деле доказал существование терминирующего фермента.
Измерение и обнаружение
Транскрипцию можно измерить и обнаружить разными способами: [ нужна цитата ]
Обратная транскрипция
Немного вирусы (такие как ВИЧ, причина СПИД), обладают способностью транскрибировать РНК в ДНК. У ВИЧ есть геном РНК, который обратная расшифровка в ДНК. Полученная ДНК может быть объединена с геномом ДНК клетки-хозяина. Главный фермент, отвечающий за синтез ДНК из матрицы РНК, называется обратная транскриптаза.
В случае ВИЧ обратная транскриптаза отвечает за синтез комплементарная ДНК цепь (кДНК) в геном вирусной РНК. Фермент рибонуклеаза H затем переваривает цепь РНК, и обратная транскриптаза синтезирует комплементарную цепь ДНК с образованием двойной спиральной структуры ДНК («кДНК»). КДНК интегрируется в геном клетки-хозяина ферментом интегрировать, который заставляет клетку-хозяин генерировать вирусные белки, которые собираются в новые вирусные частицы. В случае ВИЧ после этого клетка-хозяин подвергается запрограммированной гибели клетки, или апоптоз из Т-клетки. [28] Однако у других ретровирусов клетка-хозяин остается неповрежденной, когда вирус выходит из клетки.
Теломераза часто активируется в раковых клетках, чтобы раковые клетки могли бесконечно дублировать свои геномы без потери важной последовательности ДНК, кодирующей белок. Активация теломеразы может быть частью процесса, который позволяет раковым клеткам становиться бессмертный. Фактор бессмертия рака за счет удлинения теломер за счет теломеразы, как было доказано, встречается в 90% всех канцерогенных опухолей. in vivo оставшиеся 10% используют альтернативный способ поддержания теломер, называемый ALT или альтернативное удлинение теломер. [29]