11.3: Транскрипція РНК

Цілі навчання

• Поясніть, як синтезується РНК за допомогою ДНК як шаблону
• Розрізняють транскрипцію у прокаріотів і еукаріот

Під час процесу транскрипції інформація, закодована в послідовності ДНК одного або декількох генів, транскрибується в нитку РНК, яку також називають стенограмою РНК. Отримана одноцепочечная молекула РНК, що складається з рибонуклеотидів, що містять основи аденін (А), цитозин (С), гуанін (G) та урацил (U), діє як рухома молекулярна копія вихідної послідовності ДНК. Транскрипція у прокаріотів і в еукаріот вимагає подвійної спіралі ДНК, щоб частково розкрутити в області синтезу РНК. Розмотану область називають транскрипційним міхуром. Транскрипція конкретного гена завжди відбувається з однієї з двох ниток ДНК, яка діє як шаблон, так званої антисенсової нитки. Продукт РНК доповнює шаблонну нитку ДНК і майже ідентичний нешаблонної ланцюжку ДНК або сенс-нитка. Єдина відмінність полягає в тому, що в РНК всі Т-нуклеотиди замінюються нуклеотидами U; під час синтезу РНК U включається, коли в комплементарній антисенсивної нитки є А.

Транскрипція у бактерій

Бактерії використовують ту ж РНК-полімеразу для транскрибування всіх своїх генів. Як і ДНК-полімераза, РНК-полімераза додає нуклеотиди один за іншим до групи 3'-OH зростаючого нуклеотидного ланцюга. Однією з критичних відмінностей в активності між ДНК-полімеразою та РНК-полімеразою є вимога до 3'-OH, на яку потрібно додавати нуклеотиди: ДНК-полімераза вимагає такої групи 3'-OH, що вимагає ґрунтовки, тоді як РНК-полімераза цього не робить. Під час транскрипції до зростаючої ланцюга РНК додається рибонуклеотид, що доповнює нитку шаблону ДНК, а ковалентний фосфодіефірний зв'язок утворюється шляхом синтезу зневоднення між новим нуклеотидом і останнім доданим. У кишковій паличці РНК-полімераза містить шість поліпептидних субодиниць, п'ять з яких складають серцевий фермент полімерази, відповідальний за додавання нуклеотидів РНК до зростаючої нитки. Шоста субодиниця відома як сигма (σ). Фактор σ дозволяє РНК-полімеразі зв'язуватися з певним промотором, таким чином дозволяючи транскрипцію різних генів. Існують різні σ чинники, що дозволяють транскрипцію різних генів.

Ініціація

Ініціація транскрипції починається з промотора, послідовності ДНК, на яку транскрипційний механізм зв'язується та ініціює транскрипцію. Нуклеотидна пара в подвійній спіралі ДНК, яка відповідає ділянці, з якого транскрибується перший нуклеотид 5' РНК, є місцем ініціації. Нуклеотиди, що передують місцю ініціації, позначаються «вище за течією», тоді як нуклеотиди, що слідують за місцем ініціації, називаються нуклеотидами «нижче за течією». У більшості випадків промотори розташовані лише вище за течією генів, які вони регулюють. Хоча послідовності промоторів різняться між бактеріальними геномами, деякі елементи збережені. На позиціях —10 та —35 всередині ДНК до місця ініціації (позначено +1) є дві послідовності консенсусу промоторів або регіони, схожі між усіма промоторами та різними видами бактерій. Послідовність консенсусу —10, яка називається коробкою TATA, є TATAAT. Послідовність —35 розпізнається і пов'язана з σ.

Подовження

Подовження у фазі транскрипції починається, коли субодиниця σ дисоціює від полімерази, дозволяючи основному ферменту синтезувати РНК, що доповнює шаблон ДНК в напрямку від 5 'до 3' зі швидкістю приблизно 40 нуклеотидів в секунду. У міру подовження ДНК безперервно розмотується попереду ферменту ядра і перемотується за ним (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Під час подовження бактеріальна РНК-полімераза відстежує вздовж шаблону ДНК, синтезує мРНК у напрямку від 5 до 3' та розмотує та перемотує ДНК під час її зчитування.

Припинення

Після транскрибування гена бактеріальна полімераза повинна дисоціювати від шаблону ДНК та звільнити новоспечену РНК. Це називається припиненням транскрипції. Шаблон ДНК включає повторювані нуклеотидні послідовності, які діють як сигнали припинення, змушуючи РНК-полімеразу зупинятися та вивільнятися з шаблону ДНК, звільняючи стенограму РНК.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

1. Де σ фактор РНК-полімерази зв'язує ДНК, щоб почати транскрипцію?
2. Що відбувається для ініціювання полімеризаційної активності РНК-полімерази?
3. Звідки береться сигнал до закінчення транскрипції?

Транскрипція в Eucaryotes

Прокаріоти і еукаріоти виконують принципово один і той же процес транскрипції, з деякими суттєвими відмінностями (див. Таблицю\(\PageIndex{1}\)). Еукаріоти використовують три різні полімерази, РНК-полімерази I, II та III, всі структурно відрізняються від бактеріальної РНК-полімерази. Кожен транскрибує різну підмножину генів. Цікаво, що архей містить єдину РНК-полімеразу, яка більш тісно пов'язана з еукаріотичної РНК-полімеразою II, ніж з її бактеріальним аналогом. Еукаріотичні мРНК також зазвичай є моноцистронічними, що означає, що кожен з них кодує лише один поліпептид, тоді як прокаріотичні мРНК бактерій та архей зазвичай поліцистронові, що означає, що вони кодують кілька поліпептидів.

Найважливішою відмінністю між прокаріотами і еукаріотами є мембранно-зв'язане ядро останнього, що впливає на простоту використання молекул РНК для синтезу білка. З генами, пов'язаними в ядрі, еукаріотична клітина повинна транспортувати молекули РНК, що кодують білок, до цитоплазми для перекладу. Первинні транскрипти, що кодують білок, молекули РНК, безпосередньо синтезовані РНК-полімеразою, повинні пройти кілька етапів обробки, щоб захистити ці молекули РНК від деградації протягом часу, коли вони переносяться з ядра в цитоплазму і переводяться в білок. Наприклад, еукаріотичні мРНК можуть тривати кілька годин, тоді як типова прокаріотична мРНК триває не більше 5 секунд.

Первинна розшифровка (також звана пре-мРНК) спочатку покрита РНК-стабілізуючими білками, щоб захистити її від деградації під час обробки та експорту з ядра. Перший тип обробки починається, поки первинний стенограма все ще синтезується; спеціальний 7-метилгуанозиновий нуклеотид, який називається 5' cap, додається до 5' кінця зростаючої стенограми. Окрім запобігання деградації, фактори, що беруть участь у наступному синтезі білка, розпізнають шапку, яка допомагає ініціювати трансляцію рибосомами. Після завершення подовження інший фермент обробки додає рядок приблизно 200 аденін-нуклеотидів до кінця 3', який називається хвостом Poly-A. Ця модифікація додатково захищає попередньо МРНК від деградації та сигналізує клітинним факторам, що стенограму потрібно експортувати в цитоплазму.

Еукаріотичні гени, які кодують поліпептиди, складаються з послідовностей кодування, які називаються екзонами (ex -on означає, що вони натиснуті ex) та інтервенційних послідовностей, званих інтронами (int -ron позначає їх роль int ervening). Транскрибовані послідовності РНК, відповідні інтронам, не кодують області функціонального поліпептиду і видаляються з пре-МРНК під час обробки. Важливо, щоб всі інтрон-кодовані послідовності РНК були повністю і точно видалені з попередньо МРНК перед синтезом білка, щоб послідовності РНК, кодовані екзоном, були належним чином з'єднані разом для коду функціонального поліпептиду. Якщо процес помиляється навіть одним нуклеотидом, послідовності знову приєднаних екзонів будуть зміщені, а отриманий поліпептид буде нефункціональним. Процес видалення інтрон-кодованих послідовностей РНК та повторного підключення тих, кодованих екзонами, називається зрощенням РНК і полегшується дією сплацеосоми, що містить невеликі ядерні білки рибонуклео (SNRNP). Послідовності РНК, кодовані інтроном, видаляються з попередньої МРНК, поки вона все ще знаходиться в ядрі. Хоча вони не перекладені, інтрони, як видається, мають різні функції, включаючи регуляцію генів та транспорт мРНК. Після завершення цих модифікацій зріла стенограма, мРНК, яка кодує поліпептид, транспортується з ядра, призначеного для цитоплазми для трансляції. Інтрони можуть бути зрощені по-різному, в результаті чого різні екзони включаються або виключаються з кінцевого продукту мРНК. Цей процес відомий як альтернативне зрощування. Перевага альтернативного сплайсингу полягає в тому, що можуть генеруватися різні типи транскриптів мРНК, всі отримані з однієї послідовності ДНК. В останні роки було показано, що деякі архей також мають здатність зрощувати їх попередньо МРНК.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Порівняння транскрипції бактерій проти еукаріотів

Нерухомість	Бактерії	Еукаріот
Кількість поліпептидів, закодованих на мРНК	Моноцистроновая або поліцистроновая	Виключно моноцистроновий
подовження пасом	ядро + σ = голоензим	РНК-полімерази I, II або III
Додавання 5' ковпачка	Ні	Так
Додавання 3' Poly-A хвоста	Ні	Так
Зрощування попередньої МРНК	Ні	Так

Посилання на навчання

Візуалізуйте, як відбувається зрощування мРНК, спостерігаючи за процесом у дії в цьому відео. Подивіться, як інтрони видаляються під час сплайсингу РНК тут.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

1. Як транскрипція РНК з гена білка модифікована після його транскрипції в клітині еукаріотичних клітин?
2. Чи містять екзони або інтрони інформацію для білкових послідовностей?

Клінічна спрямованість: Частина 2

У відділенні невідкладної допомоги медсестра сказала Марку, що він прийняв гарне рішення прийти до лікарні, оскільки його симптоми вказували на інфекцію, яка вийшла з-під контролю. Симптоми Марка прогресували, уражена ділянка шкіри та кількість набряку збільшувалася. В межах ураженої ділянки почалася висип, утворилися пухирі та невеликі газові кишені під зовнішнім шаром шкіри, а частина шкіри ставала сірою. Виходячи з гнильного запаху гною, що стікає з одного з пухирів, швидкого прогресування інфекції і візуального вигляду ураженої шкіри, лікар негайно почав лікування некротизуючого фасциита. Лікар Марк замовив культуру рідини, що стікає з пухиря, а також замовив роботу крові, включаючи кількість лейкоцитів.

Марк був прийнятий до відділення інтенсивної терапії і почав внутрішньовенне введення антибіотика широкого спектру дії, щоб спробувати мінімізувати подальше поширення інфекції. Незважаючи на антибіотикотерапію, стан Марка швидко погіршився. Марк заплутався і запаморочився. Протягом декількох годин після госпіталізації його артеріальний тиск значно знизився, а дихання стало меншим і швидшим. Крім того, пухирі збільшилися, при цьому пухирі посилюються за кольором до пурпурно-чорного, а сама рана, здавалося, швидко прогресувала вгору ноги Марка.

Вправа\(\PageIndex{3}\)

1. Які можливі збудники некротизуючого фасциита Марка?
2. Які можливі пояснення того, чому лікування антибіотиками, здається, не працює?

Ключові поняття та резюме

• Під час транскрипції інформація, закодована в ДНК, використовується для створення РНК.
• РНК-полімераза синтезує РНК, використовуючи антисенсову нитку ДНК як шаблон шляхом додавання комплементарних нуклеотидів РНК до 3' кінця зростаючої нитки.
• РНК-полімераза зв'язується з ДНК в послідовності, яка називається промотором під час ініціації транскрипції.
• Гени, що кодують білки споріднених функцій, часто транскрибуються під контролем одного промотора у прокаріотів, в результаті чого утворюється поліцистронова молекула мРНК, яка кодує кілька поліпептидів.
• На відміну від ДНК-полімерази, РНК-полімераза не вимагає групи 3'-ОН для додавання нуклеотидів, тому праймер не потрібен під час ініціації.
• Припинення транскрипції у бактерій відбувається, коли РНК-полімераза стикається зі специфічними послідовностями ДНК, які призводять до зупинки полімерази. Це призводить до вивільнення РНК-полімерази з ланцюга шаблону ДНК, звільняючи стенограму РНК.
• Еукаріоти мають три різні РНК-полімерази. У еукаріотів також є моноцистроновая мРНК, кожна кодує лише один поліпептид.
• Еукаріотичні первинні стенограми обробляються кількома способами, включаючи додавання 5-дюймового ковпачка та хвоста 3′- полі-А, а також зрощування, щоб генерувати зрілу молекулу мРНК, яку можна транспортувати з ядра і яка захищена від деградації.