ТРАНСКРИПЦІЯ ДНК: ПРОЦЕС В ЕУКАРІОТ І ПРОКАРІОТ - БІОЛОГІЯ - 2025

Транскрипції ДНК являє собою процес , за допомогою якого інформація , що міститься в дезоксирибонуклеїнової кислоти копіюється в якості подібної молекули РНК, або в якості кроку до синтезу білка або для утворення молекул РНК , що беруть участь в численні клітинні процеси мають велике значення (регуляція експресії генів, сигналізація тощо).

Хоча це неправда, що всі гени організму кодують білки, це правда, що всі білки клітини, будь то еукаріотичні чи прокаріотичні, кодуються одним або кількома генами, де кожна амінокислота представлена ​​a набір з трьох баз ДНК (кодон).

Обробка еукаріотичних генів (Джерело: Леонід 2 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) через Wikimedia Commons)

Синтез поліпептидного ланцюга, що належить до будь-якого клітинного білка, відбувається завдяки двом фундаментальним процесам: транскрипції та трансляції; обидва є високорегульованими, оскільки це два процеси, що мають велике значення для функціонування будь-якого живого організму.

Що таке транскрипція ДНК?

Транскрипція передбачає формування "шаблону" для молекули РНК, відомої як "месенджерна РНК" (мРНК) із "стандартної" послідовності, кодованої в області ДНК, що відповідає гену, який слід транскрибувати.

Цей процес здійснюється ферментом під назвою РНК-полімераза, яка розпізнає особливі місця в послідовності ДНК, зв'язується з ними, відкриває ланцюг ДНК і синтезує молекулу РНК, використовуючи одну з цих комплементарних ланцюгів ДНК як шаблон або візерунок, навіть коли він стикається з іншою спеціальною послідовністю зупинки.

Переклад, з іншого боку, - це процес, завдяки якому відбувається синтез білка. Він складається з "читання" інформації, що міститься в мРНК, яка була транскрибована з гена, "перекладу" ДНК-кодонів на амінокислоти та утворення поліпептидного ланцюга.

Переклад нуклеотидних послідовностей мРНК здійснюється ферментами, відомими як синтетичні аміноацил-тРНК, завдяки участі інших молекул РНК, відомих як "переносна РНК" (тРНК), які є антикодонами кодонів, що містяться в МРНК, які є вірною копією послідовності ДНК гена.

Транскрипція в еукаріот (процес)

Під час транскрипції в еукаріотів ДНК використовується як шаблон для створення ланцюга месенджерної РНК за допомогою ферменту РНК-полімерази.

В еукаріотичних клітинах процес транскрипції відбувається всередині ядра, яке є основною внутрішньоклітинною органелою, де ДНК міститься у вигляді хромосом. Він починається з "копії" кодуючої області гена, яка транскрибується в односмугову молекулу, відому як месенджер РНК (мРНК).

Оскільки ДНК обмежена у зазначеному органелі, молекули мРНК функціонують як посередники або транспортери при передачі генетичного повідомлення від ядра до цитозолу, де відбувається трансляція РНК та всієї біосинтетичної машини синтезу білка ( рибосоми).

- Як виглядають еукаріотичні гени?

Ген складається з послідовності ДНК, характеристики якої визначають її функцію, оскільки порядок нуклеотидів у зазначеній послідовності визначає його транскрипцію та подальший трансляцію (у випадку тих, що кодують білки).

Коли ген транскрибується, тобто коли його інформація копіюється у вигляді РНК, результатом може бути некодуюча РНК (кРНК), яка має прямі функції в регуляції експресії генів, в клітинній сигналізації тощо. або це може бути месенджерна РНК (мРНК), яка потім буде переведена в амінокислотну послідовність у пептиді.

Представлення структури еукаріотичного гена (Джерело: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) через Wikimedia Commons)

Від того, чи має ген функціональний продукт у вигляді РНК або білка, залежить від певних елементів або регіонів, присутніх у його послідовності.

Гени, еукаріотичні або прокаріотичні, мають дві ланцюги ДНК, одну відому як «смислову» ланцюг, а другу «антисмислову». Ферменти, відповідальні за транскрипцію цих послідовностей, "зчитують" лише одну з двох ниток, як правило, ланцюг "сенс" або "кодування", що має "напрямок" 5'-3 '.

Кожен ген має регуляторні послідовності на своїх кінцях:

- якщо послідовності знаходяться до області кодування (тієї, яка буде транскрибована), вони відомі як "промотори"

- якщо вони розділені багатьма кілобазами, вони можуть бути «замовкнути» або «посилити»

- ті послідовності, які є найближчими до 3 'області генів, як правило, є термінаторними послідовностями, які кажуть полімеразі, що вона повинна зупинити та закінчити транскрипцію (або реплікацію, залежно від випадку)

Область промотора поділяється на дистальну і проксимальну, відповідно до її близькості до кодуючої області. Саме на 5 'кінці гена і знаходиться місце, коли фермент РНК-полімерази та інші білки розпізнають, щоб ініціювати транскрипцію з ДНК в РНК.

У проксимальній частині області промотору можуть зв'язуватися фактори транскрипції, які мають здатність змінювати спорідненість ферменту до послідовності транскрибування, таким чином вони відповідають за позитивну чи негативну регуляцію транскрипції генів.

Області, що підсилюють і замовчують, також відповідають за регуляцію транскрипції генів, модифікуючи "активність" промоторних областей шляхом їх зв'язування з активаторними або репресорними елементами "вгору" кодуючої послідовності гена.

Кажуть, що еукаріотичні гени завжди «вимикаються» або «репресуються» за замовчуванням, тому їх потрібно активувати промоторними елементами, щоб їх експресувати (транскрибувати).

- Хто відповідає за транскрипцію?

Незалежно від організму, транскрипція здійснюється групою ферментів, званих РНК-полімеразами, які, подібно до ферментів, відповідальних за реплікацію ДНК, коли клітина збирається ділитися, спеціалізуються на синтезі ланцюга РНК. з однієї з ланцюгів ДНК транскрибованого гена.

РНК-полімерази - це великі ферментні комплекси, що складаються з багатьох субодиниць. Існують різні типи:

- РНК-полімераза I (Pol I): яка транскрибує гени, що кодують "велику" рибосомальну субодиницю.

- РНК-полімераза II (Pol II): яка транскрибує гени, що кодують білки, і продукують мікро РНК.

- РНК-полімераза III (Pol III): яка виробляє переносні РНК, що використовуються під час трансляції, а також РНК, що відповідає малій субодиниці рибосоми.

- РНК-полімераза IV і V (Pol IV і Pol V): вони характерні для рослин і відповідають за транскрипцію малих інтерферуючих РНК.

- Який процес?

Транскрипція еукаріотичної гена (Джерело: Erinp.5000 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) через Wikimedia Commons)

Генетична транскрипція - це процес, який можна вивчити як поділити на три фази: ініціація, подовження та припинення.

Посвячення

Під час ініціації промоторная область промоторної області гена функціонує як сайт розпізнавання РНК-полімерази. Тут контролюється більша частина генетичної експресії

РНК-полімераза (скажімо, РНК-полімераза II) зв'язується з послідовністю промоторної області, яка складається з розтягування 6-10 пар основ на 5 'кінці гена, як правило, на відстані приблизно 35 пар основ стартового сайту транскрипції.

Об'єднання РНК-полімерази призводить до "відкриття" подвійної спіралі ДНК, розділяючи комплементарні нитки. Синтез РНК починається на ділянці, відомому як "сайт ініціації" і відбувається в напрямку 5'-3 ', тобто "вниз за течією" або зліва направо (за домовленістю).

Ініціація транскрипції, опосередкована РНК-полімеразами, залежить від супутньої присутності факторів транскрипції білків, відомих як загальні фактори транскрипції, які сприяють «розташуванню» ферменту в промоторній області.

Після того, як фермент почав полімеризуватися, він "проливається" як з промоторної послідовності, так і із загальних факторів транскрипції.

Подовження

Під час подовження РНК-полімераза ковзає по ланцюгу, який слугує шаблоном

Це відбувається, коли РНК-полімераза «рухається» по послідовності ДНК і додає рибонуклеотиди, доповнюють ланцюг ДНК, який слугує «шаблоном» зростаючої РНК. Коли РНК-полімераза "проходить" через ланцюг ДНК, вона знову приєднується до своєї антисмислової ланцюга.

Полімеризація, проведена РНК-полімеразою, складається з нуклеофільних атак кисню в положенні 3 'зростаючої ланцюга РНК до фосфатного "альфа" наступного нуклеотидного попередника, який слід додати, з подальшим утворенням фосфодіефірних зв'язків. молекула пірофосфату (PPi).

Набір, що складається з ланцюга ДНК, полімерази РНК та зародженої ланцюга РНК, відомий як міхур транскрипції або комплекс.

Припинення

Коли РНК-полімераза досягає кінцевої області гена, транскрипційна месенджера РНК завершена. Потім РНК-полімераза, ланцюг ДНК і транскрипційна месенджера РНК дисоціюють

Термінація відбувається, коли полімераза досягає термінаційної послідовності, яка логічно розташована «нижче за течією» від сайту ініціації транскрипції. Коли це відбувається, і фермент, і синтезована РНК "відриваються" від послідовності транскрибування ДНК.

Область закінчення зазвичай складається з послідовності ДНК, яка здатна «згортатися» на собі, утворюючи структуру типу «шпилька».

Після закінчення синтезований ланцюг РНК відомий як первинний стенограму, який вивільняється з комплексу транскрипції, після чого він може або не може бути після транскрипційно оброблений (до його перекладу в білок, якщо це застосовується) через процес називається "різання та зрощування".

Транскрипція в прокаріоти (процес)

Оскільки клітини прокаріотів не мають ядра, вкритого мембраною, транскрипція відбувається в цитозолі, конкретно в "ядерній" області, де зосереджена хромосомна ДНК (бактерії мають кругову хромосому).

Таким чином, підвищення концентрації цитозолу даного білка значно протікає у прокаріотів, ніж у еукаріотів, оскільки процеси транскрипції та трансляції відбуваються в одному і тому ж відділенні.

- Як виглядають прокаріотичні гени?

Прокаріотичні організми мають гени, дуже схожі на еукаріоти: перші також використовують промоторні та регуляторні регіони для їх транскрипції, хоча важлива різниця пов'язана з тим, що область промотору часто є достатньою для досягнення "сильної" експресії гени.

У цьому сенсі важливо згадати, що загалом гени прокаріотів завжди «увімкнено».

Промоторная область асоціюється з іншою областю, зазвичай "вище за течією", яка регулюється молекулами репресора і відома як "область оператора".

Представлення структури гена прокаріотів (Джерело: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) через Wikimedia Commons)

Різниця транскрипції прокаріотів і еукаріотів полягає в тому, що зазвичай месенджери РНК еукаріотів є монокістронними, тобто кожна містить інформацію про синтез одного білка, тоді як у прокаріотів вони можуть бути моноцистронними або полікістронними, де лише одна МРНК може містити інформацію про два або більше білків.

Таким чином, добре відомо, що прокаріотичні гени, що кодують білки з подібними метаболічними функціями, наприклад, зустрічаються в групах, відомих як оперони, які одночасно транскрибуються в єдину молекулярну форму месенджерної РНК.

Прокаріотичні гени щільно упаковані, без багатьох не кодуючих областей між ними, тому щойно переписані в молекули РНК лінійної месенджери, вони можуть бути негайно переведені в білок (еукаріотичні мРНК часто потребують подальшої обробки).

- Як прокаріотична РНК-полімераза?

Прокаріотичні організми, такі як бактерії, наприклад, використовують той же фермент РНК-полімерази для транскрибування всіх своїх генів, тобто тих, що кодують рибосомальні субодиниці, та ті, що кодують різні клітинні білки.

У бактеріях E. coli полімераза РНК складається з 5 поліпептидних субодиниць, дві з яких однакові. Субодиниці α, α, β, β 'складають центральну частину ферменту і збираються та розбираються під час кожної події транскрипції.

Субодиниці α - це ті, що дозволяють об'єднати ДНК і фермент; β-субодиниця пов'язується з трифосфатними рибонуклеотидами, які будуть полімеризовані згідно з шаблоном ДНК в молекулі мРНК, що зароджується, а β-субодиниця пов'язується з зазначеною ланцюжком ДНК шаблону.

П'ята субодиниця, відома як σ, бере участь в ініціації транскрипції і є тією, яка надає специфічність полімеразі.

- Який процес?

Транскрипція в прокаріотів дуже схожа на трансакцію еукаріотів (вона також поділяється на ініціацію, подовження та припинення), з деякими відмінностями щодо ідентичності промоторних областей та факторів транскрипції, необхідних для РНК-полімерази здійснювати свої функції.

Хоча промоторні регіони можуть змінюватись між різними прокаріотичними видами, є дві збережені послідовності "консенсусу", які легко ідентифікуються в області -10 (TATAAT) та в області -35 (TTGACA) вище за кодовою послідовністю.

Посвячення

Це залежить від σ субодиниці РНК-полімерази, оскільки вона опосередковує взаємодію між ДНК та ферментом, роблячи його здатним розпізнавати послідовності промоторів. Ініціація закінчується, коли утворюються деякі абортивні стадії транскриптів приблизно 10 нуклеотидів, які вивільняються.

Подовження

Коли σ субодиниця відривається від ферменту, починається фаза подовження, яка складається з синтезу молекули мРНК у напрямку 5'-3 '(приблизно 40 нуклеотидів в секунду).

Припинення

Термінація у прокаріотів залежить від двох різних типів сигналів, вона може бути Rho-залежною і Rho-незалежною.

Rho-залежний білок контролюється цим білком, який «слідує» за полімеразою, оскільки вона просувається в синтезі РНК, поки остання не досягне послідовності, багатої гуанінами (G), зупиняється і не вступає в контакт з білком Rho. дисоціюючи з ДНК та мРНК.

Rho-незалежне припинення контролюється специфічними послідовностями гена, як правило, багатими на гуанін-цитозин (GC) повторами.

Список літератури

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2007). Молекулярна біологія клітини. Гарленд Наука. Нью-Йорк, 1392 рік.
2. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Вступ до генетичного аналізу. Макміллан.
3. Лодіш, Х., Берк, А., Кайзер, Каліфорнія, Крігер, М., Скотт, депутат, Бретчер, А.,… і Мацудайра, П. (2008). Молекулярна клітинна біологія. Макміллан.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL, & Cox, MM (2008). Принципи біохімії Ленінгера. Макміллан.
5. Rosenberg, LE, & Rosenberg, DD (2012). Гени та геноми людини: Наука. Здоров’я, суспільство, 317-338.
6. Shafee, T., & Lowe, R. (2017). Еукаріотична та прокаріотична структура генів. Wiki Journal of Medicine, 4 (1), 2.
7. McGraw-Hill Animations, youtube.com. Транскрипція та трансляція ДНК.