Přepis (biologie)

Transkripce (z latinského  transcriptio „přepisování“) je proces syntézy RNA  probíhající ve všech živých buňkách pomocí DNA jako šablony ; přenos genetické informace z DNA do RNA.

Transkripce je katalyzována enzymem DNA-dependentní RNA polymerázou. RNA polymeráza se pohybuje podél molekuly DNA ve směru 3`-5` [1] .

Pokud mluvíme o transkripci oblastí kódujících protein, pak jednotkou bakteriální transkripce je operon  - fragment molekuly DNA sestávající z promotoru (operátor, na který se represorový protein váže), transkribované části (která může obsahovat několik sekvencí kódujících protein) a terminátor. U eukaryot transkribovaná část obvykle obsahuje jednu sekvenci kódující protein.

Řetězec DNA, který slouží jako templát pro dokončení RNA, se nazývá kódování nebo templát . Sekvence vyplývající z takové syntézy RNA bude identická se sekvencí nekódujícího řetězce DNA (s výjimkou nahrazení thyminové DNA uracilovou RNA) podle principu komplementarity .

Transkripce pro- a eukaryot

U bakterií je transkripce katalyzována jedinou RNA polymerázou. Skládá se z hlavního těla pěti podjednotek (α 2 ββ'ω) a podjednotky σ (faktor sigma), která určuje vazbu na promotor a je jediným iniciátorem transkripce. Například u Escherichia coli je nejběžnější forma sigma faktoru σ 70 .

Eukaryotické buňky obsahují alespoň 3 RNA polymerázy , zatímco rostliny obsahují 5, které vyžadují sadu faktorů pro iniciaci a prodloužení. RNA polymeráza II  je hlavním enzymem eukaryotických buněk, který katalyzuje transkripci protein-kódujících mRNA (a některých dalších RNA).

U bakterií není mRNA po transkripci nijak modifikována a k translaci může dojít přímo během transkripce . V eukaryotických buňkách je mRNA modifikována v jádře - je na ni zavěšen 5'-cap a syntetizován 3'-polyA ocas, dochází ke sestřihu . mRNA pak může vstoupit do cytoplazmy, kde proběhne translace.

Proces přepisu

Transkripce se skládá z fází iniciace, elongace a ukončení.

Iniciace

Iniciace transkripce je proces DNA-dependentní RNA polymerázy navázání na promotor a vytvoření stabilního komplexu pro pokračování transkripce.

Iniciaci transkripce lze rozdělit do několika kroků [2] .

1. RNA polymeráza (spolu s transkripčními iniciačními faktory u eukaryot) se váže na promotor a vytváří uzavřený komplex . V této formě je dvojitá šroubovice DNA umístěna uvnitř komplexu.
2. Transformace do otevřeného komplexu . Šroubovice DNA ve vzdálenosti asi 13 párů bází od počátečního bodu transkripce taje, to znamená, že řetězce DNA jsou od sebe odděleny. Část řetězců DNA, která byla oddělena, se nazývá transkripční bublina.
3. Separace řetězců poskytuje přístup k nekódujícímu řetězci DNA. První dva ribonukleotidy se zarovnají s templátovou DNA a spojí se. K dalšímu prodlužování RNA dochází, když jsou ribonukleotidy připojeny na 3'-konec řetězce. Spojení prvních 10 nukleotidů je neefektivní proces, takže transkripce je v této fázi často ukončena, uvolní se krátký transkript a syntéza začne znovu. Toto vyklouznutí polymerázy se nazývá abortivní transkripce .
4. Jakmile komplex polymeráza-promotor vytvoří transkript delší než 10 nukleotidů, stane se dostatečně stabilním, aby mohl pokračovat v transkripci a vstoupí do fáze prodlužování. Také se nazývá vyhýbání se promotoru .

Iniciace transkripce je komplexní proces, který závisí na sekvenci DNA v blízkosti transkribované sekvence (a u eukaryot i na vzdálenějších částech genomu- enhancerů a tlumičů ) a na přítomnosti či nepřítomnosti různých proteinových faktorů .

Prodloužení

Okamžik přechodu RNA polymerázy z iniciace transkripce do elongace nebyl přesně stanoven. Tento přechod v případě RNA polymerázy E. coli charakterizují tři hlavní biochemické děje : separace sigma faktoru, první translokace molekuly enzymu podél templátu a silná stabilizace transkripčního komplexu, který kromě RNA polymeráza, zahrnuje rostoucí řetězec RNA a transkribovanou DNA. Stejné jevy jsou charakteristické pro eukaryotické RNA polymerázy. Přechod od iniciace k elongaci je doprovázen porušením vazeb mezi enzymem, promotorem , transkripčními iniciačními faktory a v některých případech přechodem RNA polymerázy do stavu elongační kompetence (například fosforylace CTD domény v RNA polymeráze II). Elongační fáze končí po uvolnění rostoucího transkriptu a disociaci enzymu z templátu (terminace).

Ve fázi elongace je v DNA rozpleteno přibližně 18 párů bází nukleotidů . Přibližně 12 nukleotidů templátového řetězce DNA tvoří hybridní šroubovici s rostoucím koncem řetězce RNA. Jak se RNA polymeráza pohybuje po templátu, dochází před ní k odvíjení a za ní dochází k obnově dvoušroubovice DNA. Současně se z komplexu s templátem a RNA polymerázou uvolní další článek rostoucího řetězce RNA. Tyto pohyby musí být doprovázeny relativní rotací RNA polymerázy a DNA. Je těžké si představit, jak se to může stát v buňce, zejména při transkripci chromatinu . Proto je možné, že pro zabránění takové rotaci je RNA polymeráza pohybující se podél DNA doprovázena topoizomerázami .

Prodlužování se provádí pomocí hlavních prodlužovacích faktorů nutných k tomu, aby se proces předčasně nezastavil [3] .

Nedávno se objevily důkazy, že prodlužování mohou regulovat i regulační faktory. RNA polymeráza se v určitých oblastech genu během prodlužování zastaví . To je zvláště zřetelné při nízkých koncentracích substrátů . V některých částech matrice dochází k dlouhým prodlevám v podpoře RNA polymerázy, tzv. pauzy jsou pozorovány i při optimálních koncentracích substrátů. Trvání těchto pauz může být řízeno elongačními faktory.

Ukončení

Bakterie mají dva mechanismy pro ukončení transkripce:

• rho-dependentní mechanismus, ve kterém Rho ([rho]) protein destabilizuje vodíkové vazby mezi templátem DNA a mRNA a uvolňuje molekulu RNA.
• rho-nezávislý, ve kterém se transkripce zastaví, když nově syntetizovaná molekula RNA vytvoří stonkovou smyčku následovanou několika uracily (…uuuu), což vede k oddělení molekuly RNA od templátu DNA.

Ukončení transkripce u eukaryot je méně prozkoumáno. Končí štěpením RNA, po kterém enzym přidá na svůj 3' konec několik adeninů (…AAAA), jejichž počet určuje stabilitu tohoto transkriptu [4] .

Přepis továrny

Existuje řada experimentálních údajů, které naznačují, že transkripce se provádí v tzv. transkripčních továrnách: obrovské, podle některých odhadů, až 10 M Da komplexy, které obsahují asi 8 RNA polymeráz II a složky následného zpracování a sestřihu , např. stejně jako korekce nově syntetizovaného transkriptu [5] . V buněčném jádru probíhá neustálá výměna mezi zásobami rozpustné a zahrnuté RNA polymerázy. Aktivní RNA polymeráza je zapojena do takového komplexu, který je zase strukturní jednotkou organizující zhutnění chromatinu . Nejnovější data [6] naznačují, že transkripční továrny existují i ​​v nepřítomnosti transkripce, jsou fixované v buňce (dosud není jasné, zda interagují s jadernou matricí buňky či nikoli) a představují nezávislý jaderný subkompartment. Komplex transkripční továrny obsahující RNA polymerázu I, II nebo III byl analyzován hmotnostní spektrometrií. [7]

Reverzní transkripce

Některé viry (jako je virus lidské imunodeficience, který způsobuje infekci HIV ) mají schopnost přepisovat RNA do DNA. HIV má RNA genom , který se integruje do DNA. Výsledkem je, že DNA viru může být kombinována s genomem hostitelské buňky. Hlavní enzym zodpovědný za syntézu DNA z RNA se nazývá reverzní enzym . Jednou z funkcí reverzní fáze je vytvoření komplementární DNA (cDNA) z virového genomu. Přidružený enzym ribonukleáza H štěpí RNA a reverzní enzym syntetizuje cDNA z dvojité šroubovice DNA. cDNA je integrována do genomu hostitelské buňky integrázou . Výsledkem je syntéza virových proteinů hostitelskou buňkou, které tvoří nové viry. V případě HIV je také naprogramována apoptóza (buněčná smrt) T-lymfocytů . [8] V jiných případech může buňka zůstat distributorem virů.

Některé eukaryotické buňky obsahují enzym telomerasu , který také vykazuje aktivitu reverzní transkripce. S jeho pomocí se syntetizují opakující se sekvence v DNA. Telomeráza je často aktivována v rakovinných buňkách pro nekonečnou duplikaci genomu bez ztráty sekvence DNA kódující protein. Některé zvířecí viry obsahující RNA, využívající RNA-dependentní DNA polymerázu, jsou schopny syntetizovat DNA komplementární k virové RNA. Integruje se do genomu eukaryotické buňky, kde může zůstat skryt po mnoho generací. Za určitých podmínek (například vystavení karcinogenům) se mohou aktivovat virové geny a zdravé buňky se změní na rakovinné.

Poznámky

1. ↑ Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts. Molekulární biologie buňky . — 4. - Garland Science, 2002. - ISBN 978-0-8153-3218-3 , 978-0-8153-4072-0.
2. ↑ James D. Watson. Molekulární biologie genu . - W. A. ​​​​Benjamin, 1965. - 530 s.
3. ↑ DB Nikolov, SK Burley. Iniciace transkripce RNA polymerázy II: strukturní pohled  //  Proceedings of the National Academy of Sciences. — 1997-01-07. — Sv. 94 , iss. 1 . — S. 15–22 . - ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490 . - doi : 10.1073/pnas.94.1.15 .
4. ↑ Benjamin Lewin. Geny 9 . - Jones & Bartlett Learning, 2008. - 912 s. - ISBN 978-0-7637-4063-4 .
5. ↑ Peter R. Cook. Organizace replikace a přepisu  (anglicky)  // Science. — 11. 6. 1999. — Sv. 284 , iss. 5421 . — S. 1790–1795 . — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203 . - doi : 10.1126/science.284.5421.1790 .
6. ↑ Jennifer A. Mitchell, Peter Fraser. Transkripční továrny jsou jaderné pododdělení, které zůstává bez transkripce  //  Genes & Development. — 2008-01-01. — Sv. 22 , iss. 1 . — S. 20–25 . — ISSN 1549-5477 0890-9369, 1549-5477 . - doi : 10.1101/gad.454008 .
7. ↑ Svitlana Mělník, Binwei Deng, Argyris Papantonis, Sabyasachi Baboo, Ian M. Carr. Proteomy transkripčních továren obsahujících RNA polymerázy I, II nebo III  //  Nature Methods. — 2011-11. — Sv. 8 , iss. 11 . — S. 963–968 . — ISSN 1548-7105 . - doi : 10.1038/nmeth.1705 .
8. ↑ Irina Nikolaevna Kolesnikovová. Některé rysy mechanismů apoptózy u HIV infekce . - Rostov na Donu, 2000. (Ruština)

Slovníky a encyklopedie	Velký Rus Britannica (online)
V bibliografických katalozích	GND : 4185906-6 J9U : 987007562989305171 LCCN : sh85053872 NDL : 00857944 NKC : ph136848