Transkripcija: prepis DNK v RNK in osnovni proces izražanja genov

Pri transkripciji se iz DNK tvori RNK. Informacije se kopirajo iz ene molekule v drugo: zaporedje nukleotidov v DNK se prepiše v komplementarno zaporedje nukleotidov v RNK. Zaporedje DNK kopira poseben encim, imenovan polimeraza RNK, da nastane ustrezna veriga RNK.

"Vsa živa bitja z nešteto različicami uporabljajo skoraj identičen mikroskopski stroj za branje svojih genov. Ta stroj - polimeraza RNK - je odgovoren za proces, imenovan transkripcija, ki s proizvodnjo RNK iz DNK naredi prvi korak pri branju načrta življenja, ki je zakodiran v vseh naših genih."

Osnovni potek transkripcije

Pri eukariotih se kot neposredni produkt transkripcije pogosto tvori pre-messenger RNK (pre-mRNA), ki vsebuje tako kodirajoče kot nekodirajoče dele. Nekodirajoči deli, imenovani introni, se odstranijo s spliceosomom, kompleksom ribonukleoproteinov, medtem ko se ohranjeni eksoni sestavijo skupaj in tvorijo zrelo messenger RNA (mRNA). mRNA prenaša genetsko sporočilo iz DNK v celični mehanizem za izdelavo beljakovin; transkripcija je tako prvi korak pri izražanju genov.

Komponente transkripcijske enote

Odsek DNK, ki se prepiše v molekulo RNK, imenujemo transkripcijska enota. Ta običajno vsebuje:

1. regulatorna zaporedja, ki uravnavajo, kdaj in koliko beljakovin se sintetizira (promotorji, enhanserji, tišjevalci)
2. zaporedja, ki ne kodirajo: introni in nekateri regulatorni deli
3. zaporedja, ki kodirajo aminokislinska zaporedja v beljakovini — to so eksoni

Smeri, predloga in kodirajoča veriga

Tako kot pri replikaciji DNK se prepisuje le ena od dveh verig DNK. Ta veriga se imenuje predlogna veriga (template strand), ker služi kot predloga za zaporedje nukleotidov v nastajajoči RNK. Druga veriga se imenuje kodirajoča veriga (coding strand); njeno zaporedje je enako zaporedju novo ustvarjene RNK z izjemo, da je v DNK namesto uracila prisoten timin, medtem ko RNK vsebuje uracil.

RNA polimeraza bere predlogno verigo v smeri 3' → 5', nova veriga RNK pa se sintetizira v smeri 5' → 3'. Promotor — regulatorna regija, običajno le nekaj sto nukleotidov pred začetkom transkripcije — leži na 5' koncu gena (glede na kodirajočo verigo) in omogoča vezavo polimeraze in pripadajočih faktorjev. V evkariontskih celicah se za to vezavo pogosto zahtevajo dodatni transkripcijski faktorji, ki pomagajo usmeriti polimerazo na pravilen začetek transkripcije.

Faze transkripcije

1. Iniciacija: Polimeraza RNK (v bakterijah običajno ena glavna vrsta, v evkariontih ločene polimeraze I, II in III) skupaj s faktorji prepozna promotor in se veže na DNA. Pri evkariontih polimeraza II prepozna kompleks sestavljen iz TATA-boxa in drugih elementov; oblikuje se začetni transkripcijski kompleks.

2. Elongacija: Polimeraza se premika vzdolž predlogne verige, dodaja nukleotide in podaljšuje novo verigo RNK v smeri 5' → 3'. Med tem procesom se DNA lokalno odvija in ponovno zapira za polimerazo.

3. Terminacija: Ko polimeraza doseže terminatorno zaporedje, se transkripcija zaključi in RNK se sprosti. V bakterijah obstajajo mehanizmi rho-zavisne in rho-neodvisne terminacije; v evkariontih je pogosto potreben dodatni procesore za obdelavo 3' konca (npr. poladenilacijski signal), da se transkript pravilno dokonča.

Obdelava pre-mRNA pri evkariontih

Pri evkariontih pre-mRNA pogosto ni takoj funkcionalna, temveč podvržena več postopkom urejanja:

• na 5' koncu se doda 7-metilguanozinni cap, ki stabilizira molekulo in omogoča prepoznavo med prevajanjem;
• na 3' koncu se izvede pol(A) rep (polyadenilacija), ki prav tako stabilizira in vpliva na izvoz iz jedra;
• introni se odstranijo s spliceosomom, sestavljenim iz majhnih jedrnih RNK in beljakovinskih komponent (snRNP), eksoni pa se povežejo skupaj;
• nastane zrela mRNA, ki ima 5' kapo, kodirni del, 3' nekodirajočo regijo in pol(A) rep.

Alternativno sestavljanje (alternativno splicing) omogoča, da iz enega gena nastane več različic mRNA in posledično več različic beljakovin, kar povečuje funkcionalno raznolikost proteoma brez povečanja števila genov.

Druge vrste RNK in funkcije transkripcije

Transkripcija ne proizvaja le mRNA. Celice sintetizirajo tudi druge vrste RNK z različnih transkripcijskih enot:

• rRNA (ribosomalna RNK) — gradnik ribosomov;
• tRNA (transportna RNK) — prenaša aminokisline pri prevajanju;
• snRNA, snoRNA, miRNA, siRNA in druge regulatorne RNK, ki sodelujejo pri urejanju, modifikacijah in regulaciji genetske ekspresije.

Razlike med prokarionti in evkarionti

Glavne razlike vključujejo:

• v prokariontih sta transkripcija in prevajanje pogosto sočasna (torekste molekule mRNA se takoj prevaja), medtem ko pri evkariontih pre-mRNA potuje najprej v jedro, kjer poteka obdelava, šele nato izstopi v citoplazmo za prevajanje;
• evkarionti imajo več vrst RNA polimeraz (I, II, III) z različnimi nalogami, prokarionti pa običajno eno glavno polimerazo;
• evkarionti potrebujejo številne transkripcijske faktorje in kompleksno regulacijo promotorjev in enhanserjev, medtem ko je pri bakterijah regulacija pogosto preprostejša.

Pomen in zgodovinski prispevek

Transkripcija je temeljni biološki proces, saj povezuje informacije v DNK s sintezo beljakovin in regulacijo celičnih funkcij. Razumevanje njenih molekulskih osnov je imelo velik vpliv na genetiko, molekularno biologijo in biomedicino — zato je Roger D. Kornberg leta 2006 prejel Nobelovo nagrado za kemijo "za svoje študije molekularnih osnov evkariontske transkripcije".

Celovit vpogled v transkripcijo vključuje tako mehanistično razumevanje polimeraz in spliceosoma kot tudi pomen regulacije (promotorji, enhanserji, transkripcijski faktorji) ter posledic za razvoj bolezni, terapij in biotehnoloških aplikacij (npr. RNA-interferenca, terapevtske mRNA vakcine).

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je prepisovanje?

V: Kaj postane ustrezna veriga RNK, ki nastane s transkripcijo?

V: Kaj se zgodi s pre-messenger RNA, ko je ustvarjena?

V: Kaj počne mRNA?

V: Kaj je transkripcijska enota?

V: Iz katere verige DNK se med transkripcijo bere mRNA?

V: Kdo je leta 2006 prejel Nobelovo nagrado za kemijo za evkariontsko transkripcijo?

Išči po črki