ТРАНСКРИПЦИЯ ДНК: ПРОЦЕСС У ЭУКАРИОТ И ПРОКАРИОТ - БИОЛОГИЯ - 2024

Транскрипции ДНК представляет собой процесс , посредством которого информация , содержащаяся в дезоксирибонуклеиновой кислоте копируется в качестве подобной молекулы РНК, либо в качестве шага к синтезу белка или для образования молекул РНК , участвующих в большое значение имеют множественные клеточные процессы (регуляция экспрессии генов, передача сигналов и т. д.).

Хотя неверно, что все гены организма кодируют белки, верно то, что все белки клетки, будь то эукариотические или прокариотические, кодируются одним или несколькими генами, где каждая аминокислота представлена набор из трех оснований ДНК (кодон).

Обработка эукариотических генов (Источник: Леонид 2 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) через Wikimedia Commons)

Синтез полипептидной цепи любого клеточного белка происходит благодаря двум фундаментальным процессам: транскрипции и трансляции; оба сильно регулируются, поскольку это два процесса, имеющие большое значение для функционирования любого живого организма.

Что такое транскрипция ДНК?

Транскрипция включает формирование «матрицы» для молекулы РНК, известной как «информационная РНК» (мРНК), из «стандартной» последовательности, кодируемой в области ДНК, соответствующей транскрибируемому гену.

Этот процесс осуществляется ферментом, называемым РНК-полимеразой, который распознает определенные места в последовательности ДНК, связывается с ними, открывает цепь ДНК и синтезирует молекулу РНК, используя одну из этих комплементарных цепей ДНК в качестве матрицы или шаблон, даже если он встречает другую специальную последовательность остановки.

С другой стороны, трансляция - это процесс, посредством которого происходит синтез белка. Он состоит из «считывания» информации, содержащейся в мРНК, которая была транскрибирована с гена, «трансляции» кодонов ДНК в аминокислоты и формирования полипептидной цепи.

Трансляция нуклеотидных последовательностей мРНК осуществляется ферментами, известными как аминоацил-тРНК-синтетазы, благодаря участию других молекул РНК, известных как «транспортная РНК» (тРНК), которые являются антикодонами кодонов, содержащихся в МРНК, которые являются точной копией последовательности ДНК гена.

Транскрипция у эукариот (процесс)

Во время транскрипции у эукариот ДНК используется в качестве матрицы для создания цепи информационной РНК с помощью фермента РНК-полимеразы.

В эукариотических клетках процесс транскрипции происходит в ядре, которое является основной внутриклеточной органеллой, в которой ДНК содержится в форме хромосом. Он начинается с «копии» кодирующей области гена, которая транскрибируется в однополосную молекулу, известную как информационная РНК (мРНК).

Поскольку ДНК заключена в указанной органелле, молекулы мРНК действуют как посредники или переносчики в передаче генетического сообщения из ядра в цитозоль, где происходит трансляция РНК и весь биосинтетический аппарат для синтеза белка ( рибосомы).

- На что похожи гены эукариот?

Ген состоит из последовательности ДНК, характеристики которой определяют его функцию, поскольку порядок нуклеотидов в указанной последовательности определяет ее транскрипцию и последующую трансляцию (в случае тех, которые кодируют белки).

Когда ген транскрибируется, то есть когда его информация копируется в форме РНК, результатом может быть некодирующая РНК (кРНК), которая выполняет прямые функции в регуляции экспрессии генов, в передаче сигналов в клетке и т. Д. или это может быть информационная РНК (мРНК), которая затем будет транслироваться в аминокислотную последовательность в пептиде.

Представление структуры эукариотического гена (Источник: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) через Wikimedia Commons)

Наличие у гена функционального продукта в виде РНК или белка зависит от определенных элементов или участков, присутствующих в его последовательности.

Гены, эукариотические или прокариотические, имеют две цепи ДНК, одну из которых называют «смысловой», а другую - «антисмысловой». Ферменты, ответственные за транскрипцию этих последовательностей, «читают» только одну из двух цепей, обычно «смысловую» или «кодирующую» цепь, которая «направлена» 5'-3 '.

У каждого гена на концах есть регуляторные последовательности:

- если последовательности находятся перед кодирующей областью (той, которая будет транскрибироваться), они известны как «промоторы».

- если они разделены множеством килобаз, они могут быть «заглушающими» или «усиливающими»

- те последовательности, которые наиболее близки к 3 'области генов, обычно являются последовательностями терминатора, которые говорят полимеразе, что она должна останавливать и прекращать транскрипцию (или репликацию, в зависимости от обстоятельств)

Промоторная область делится на дистальную и проксимальную в зависимости от ее близости к кодирующей области. Он находится на 5'-конце гена и является сайтом, который фермент РНК-полимераза и другие белки распознают для инициации транскрипции ДНК в РНК.

В проксимальной части промоторной области могут связываться факторы транскрипции, которые обладают способностью изменять сродство фермента к транскрибируемой последовательности, таким образом, они несут ответственность за положительную или отрицательную регуляцию транскрипции генов.

Области энхансера и сайленсинга также несут ответственность за регуляцию транскрипции гена путем модификации «активности» промоторных областей путем их связывания с активаторными или репрессорными элементами «выше» кодирующей последовательности гена.

Говорят, что эукариотические гены всегда «выключены» или «репрессированы» по умолчанию, поэтому они должны быть активированы промоторными элементами, чтобы они могли экспрессироваться (транскрибироваться).

- Кто отвечает за транскрипцию?

Каким бы ни был организм, транскрипция осуществляется группой ферментов, называемых РНК-полимеразами, которые, подобно ферментам, отвечающим за репликацию ДНК, когда клетка собирается делиться, специализируются на синтезе цепи РНК. от одной из нитей ДНК транскрибируемого гена.

РНК-полимеразы - это большие ферментные комплексы, состоящие из многих субъединиц. Есть разные виды:

- РНК-полимераза I (Pol I): транскрибирует гены, кодирующие «большую» субъединицу рибосомы.

- РНК-полимераза II (Pol II): транскрибирует гены, кодирующие белки, и продуцирует микро-РНК.

- РНК-полимераза III (Pol III): которые продуцируют РНК-переносчики, используемые во время трансляции, а также РНК, соответствующую малой субъединице рибосомы.

- РНК-полимеразы IV и V (Pol IV и Pol V): они типичны для растений и отвечают за транскрипцию малых интерферирующих РНК.

- Каков процесс?

Транскрипция эукариотического гена (Источник: Erinp.5000 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) через Wikimedia Commons)

Генетическая транскрипция - это процесс, который можно разделить на три фазы: инициация, удлинение и завершение.

инициирование

Во время инициации промоторная область промоторная область гена функционирует как сайт узнавания РНК-полимеразы. Здесь контролируется большая часть генетической экспрессии.

РНК-полимераза (скажем, РНК-полимераза II) связывается с последовательностью промоторной области, которая состоит из участка длиной 6-10 пар оснований на 5'-конце гена, обычно на расстоянии примерно 35 пар оснований. сайта начала транскрипции.

Объединение РНК-полимеразы приводит к «раскрытию» двойной спирали ДНК, разделяя комплементарные цепи. Синтез РНК начинается в сайте, известном как «сайт инициации», и происходит в направлении 5'-3 ', то есть «вниз по течению» или слева направо (по соглашению).

Инициирование транскрипции, опосредованное РНК-полимеразами, зависит от сопутствующего присутствия факторов транскрипции белков, известных как общие факторы транскрипции, которые вносят вклад в «расположение» фермента в промоторной области.

После того, как фермент начал полимеризоваться, он «сбрасывается» как с промоторной последовательности, так и с общих факторов транскрипции.

Удлинение

Во время удлинения РНК-полимераза скользит вниз по цепи, которая служит шаблоном

Это происходит, когда РНК-полимераза «движется» по последовательности ДНК и добавляет рибонуклеотиды, комплементарные цепи ДНК, которая служит «шаблоном» для растущей РНК. Когда РНК-полимераза «проходит» через цепь ДНК, она снова присоединяется к своей антисмысловой цепи.

Полимеризация, осуществляемая РНК-полимеразой, состоит из нуклеофильных атак кислорода в положении 3 'растущей цепи РНК на фосфат «альфа» следующего добавляемого предшественника нуклеотида, с последующим образованием фосфодиэфирных связей и высвобождением молекула пирофосфата (PPi).

Набор, состоящий из нити ДНК, РНК-полимеразы и формирующейся нити РНК, известен как транскрипционный пузырь или комплекс.

Прекращение

Когда РНК-полимераза достигает концевой области гена, транскрипционная информационная РНК завершается. Затем диссоциируют РНК-полимераза, цепь ДНК и информационная РНК транскрипции.

Терминация происходит, когда полимераза достигает последовательности терминации, которая логически расположена «ниже по течению» от сайта инициации транскрипции. Когда это происходит, и фермент, и синтезированная РНК «отделяются» от транскрибируемой последовательности ДНК.

Терминаторная область обычно состоит из последовательности ДНК, которая способна «складываться» сама по себе, образуя структуру типа «петля шпильки».

После терминации синтезированная цепь РНК известна как первичный транскрипт, который высвобождается из комплекса транскрипции, после чего она может или не может подвергаться посттранскрипционному процессингу (до ее трансляции в белок, если применимо) через процесс называется «резка и сращивание».

Транскрипция в прокариотах (процесс)

Поскольку прокариотические клетки не имеют ядра, заключенного в мембрану, транскрипция происходит в цитозоле, особенно в «ядерной» области, где сконцентрирована хромосомная ДНК (бактерии имеют кольцевую хромосому).

Таким образом, повышение цитозольной концентрации данного белка у прокариот происходит значительно быстрее, чем у эукариот, поскольку процессы транскрипции и трансляции происходят в одном и том же компартменте.

- Что такое прокариотические гены?

Прокариотические организмы имеют гены, которые очень похожи на гены эукариот: первые также используют промоторные и регуляторные области для своей транскрипции, хотя важное различие связано с тем фактом, что промоторной области часто бывает достаточно для достижения «сильной» экспрессии гены.

В этом смысле важно упомянуть, что в целом прокариотические гены всегда включены по умолчанию.

Область промотора связана с другой областью, обычно «вышестоящей», которая регулируется молекулами-репрессорами и известна как «область оператора».

Представление структуры прокариотического гена (Источник: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) через Wikimedia Commons)

Разница в транскрипции между прокариотами и эукариотами заключается в том, что обычно информационные РНК эукариот являются моноцистронными, то есть каждая из них содержит информацию для синтеза одного белка, в то время как у прокариот они могут быть моноцистронными или полицистронными, где только один МРНК может содержать информацию о двух или более белках.

Таким образом, хорошо известно, что прокариотические гены, кодирующие белки со сходными метаболическими функциями, например, обнаруживаются в группах, известных как опероны, которые одновременно транскрибируются в единую молекулярную форму матричной РНК.

Прокариотические гены плотно упакованы, без множества некодирующих областей между ними, так что после транскрибирования в молекулы линейной информационной РНК они могут быть немедленно транслированы в белок (эукариотические мРНК часто нуждаются в дальнейшей обработке).

- Как работает прокариотическая РНК-полимераза?

Прокариотические организмы, такие как бактерии, например, используют один и тот же фермент РНК-полимеразу для транскрипции всех своих генов, то есть тех, которые кодируют рибосомные субъединицы, и тех, которые кодируют различные клеточные белки.

В бактериях E. coli РНК-полимераза состоит из 5 полипептидных субъединиц, две из которых идентичны. Субъединицы α, α, β, β 'составляют центральную часть фермента и собираются и разбираются во время каждого события транскрипции.

Субъединицы α - это субъединицы, которые обеспечивают соединение между ДНК и ферментом; субъединица β связывается с трифосфатными рибонуклеотидами, которые будут полимеризоваться в соответствии с ДНК-матрицей в формирующейся молекуле мРНК, а β'-субъединица связывается с указанной цепью матричной ДНК.

Пятая субъединица, известная как σ, участвует в инициации транскрипции и является той, которая придает специфичность полимеразе.

- Каков процесс?

Транскрипция у прокариот очень похожа на транскрипцию эукариот (она также подразделяется на инициацию, элонгацию и терминацию) с некоторыми различиями в отношении идентичности промоторных областей и факторов транскрипции, необходимых для РНК-полимеразы. выполнять свои функции.

Хотя промоторные области могут различаться у разных видов прокариот, существуют две консервативные «консенсусные» последовательности, которые можно легко идентифицировать в области -10 (TATAAT) и в области -35 (TTGACA) выше кодирующей последовательности.

инициирование

Это зависит от σ-субъединицы РНК-полимеразы, поскольку она опосредует взаимодействие между ДНК и ферментом, делая его способным распознавать промоторные последовательности. Инициация заканчивается, когда выделяются некоторые абортирующие транскрипты длиной около 10 нуклеотидов.

Удлинение

Когда σ-субъединица отделяется от фермента, начинается фаза элонгации, которая состоит из синтеза молекулы мРНК в направлении 5'-3 '(примерно 40 нуклеотидов в секунду).

Прекращение

Терминация у прокариот зависит от двух разных типов сигналов, она может быть Rho-зависимой и Rho-независимой.

Rho-зависимый белок контролируется этим белком, который «следует» за полимеразой по мере того, как она продвигается в синтезе РНК, пока последняя не достигает последовательности, богатой гуанинами (G), замедляется и вступает в контакт с белком Rho. диссоциация от ДНК и мРНК.

Rho-независимая терминация контролируется специфическими последовательностями гена, обычно богатыми гуанин-цитозиновыми (GC) повторами.

Ссылки

1. Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К. и Уолтер П. (2007). Молекулярная биология клетки. Наука о гирляндах. Нью-Йорк, 1392 год.
2. Гриффитс, А.Дж., Весслер, С.Р., Левонтин, Р.К., Гелбарт, В.М., Сузуки, Д.Т., и Миллер, Д.Х. (2005). Введение в генетический анализ. Macmillan.
3. Лодиш, Х., Берк, А., Кайзер, Калифорния, Кригер, М., Скотт, член парламента, Бретчер, А.,… и Мацудаира, П. (2008). Молекулярная клеточная биология. Macmillan.
4. Нельсон, Д.Л., Ленингер, А.Л., и Кокс, М.М. (2008). Принципы биохимии Ленингера. Macmillan.
5. Розенберг, Л. Е., и Розенберг, Д. Д. (2012). Гены и геномы человека: наука. Здоровье, Общество, 317-338.
6. Шафи, Т., и Лоу, Р. (2017). Структура эукариотических и прокариотических генов. Wiki Journal of Medicine, 4 (1), 2.
7. McGraw-Hill Animations, youtube.com. Транскрипция и трансляция ДНК.