DNA-TRANSCRIPTIE: PROCES IN EUKARYOTEN EN PROKARYOTEN - BIOLOGIE - 2025

De transcriptie van het DNA is het proces waarbij de informatie in het deoxyribonucleïnezuur wordt gekopieerd als een soortgelijk molecuul, RNA, hetzij als een stap naar eiwitsynthese of voor de vorming van RNA-moleculen die betrokken zijn bij meerdere cellulaire processen van groot belang (regulering van genexpressie, signalering, etc.).

Hoewel het niet waar is dat alle genen van een organisme coderen voor eiwitten, is het waar dat alle eiwitten van een cel, of ze nu eukaryoot of prokaryoot zijn, worden gecodeerd door een of meer genen, waarbij elk aminozuur wordt weergegeven door een set van drie DNA-basen (codon).

Verwerking van eukaryote genen (Bron: Leonid 2 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons)

De synthese van de polypeptideketen die tot elk cellulair eiwit behoort, vindt plaats dankzij twee fundamentele processen: transcriptie en translatie; beide sterk gereguleerd, aangezien het twee processen zijn die van groot belang zijn voor het functioneren van elk levend organisme.

Wat is DNA-transcriptie?

Transcriptie omvat de vorming van een "sjabloon" voor een RNA-molecuul dat bekend staat als "boodschapper-RNA" (mRNA) uit de "standaard" -sequentie die wordt gecodeerd in het DNA-gebied dat overeenkomt met het te transcriberen gen.

Dit proces wordt uitgevoerd door een enzym genaamd RNA-polymerase, dat speciale plaatsen in de DNA-sequentie herkent, eraan bindt, de DNA-streng opent en een RNA-molecuul synthetiseert met behulp van een van deze complementaire DNA-strengen als sjabloon of patroon, zelfs als het een andere speciale stopreeks tegenkomt.

Vertaling, aan de andere kant, is het proces waardoor eiwitsynthese plaatsvindt. Het bestaat uit het "lezen" van de informatie in het mRNA dat werd getranscribeerd van een gen, de "vertaling" van de DNA-codons in aminozuren en de vorming van een polypeptideketen.

De vertaling van de nucleotidesequenties van het mRNA wordt uitgevoerd door enzymen die bekend staan ​​als aminoacyl-tRNA-synthetasen, dankzij de deelname van andere RNA-moleculen die bekend staan ​​als 'transfer RNA' (tRNA), die anticodons zijn van de codons in de MRNA, een getrouwe kopie van de DNA-sequentie van een gen.

Transcriptie in eukaryoten (proces)

Tijdens transcriptie in eukaryoten wordt DNA gebruikt als een sjabloon om een ​​streng boodschapper-RNA te creëren met behulp van het enzym RNA-polymerase.

In eukaryote cellen vindt het transcriptieproces plaats in de kern, het belangrijkste intracellulaire organel waarin DNA zich bevindt in de vorm van chromosomen. Het begint met de "kopie" van het coderende gebied van het gen dat wordt getranscribeerd in een enkelbandmolecuul dat bekend staat als boodschapper-RNA (mRNA).

Omdat het DNA is opgesloten in het organel, functioneren de mRNA-moleculen als tussenpersonen of transporteurs bij de overdracht van de genetische boodschap van de kern naar het cytosol, waar de translatie van RNA plaatsvindt en de gehele biosynthetische machinerie voor eiwitsynthese (de ribosomen).

- Hoe zijn eukaryote genen?

Een gen bestaat uit een DNA-sequentie waarvan de kenmerken zijn functie bepalen, aangezien de volgorde van de nucleotiden in die sequentie de transcriptie en daaropvolgende translatie bepaalt (in het geval van degenen die coderen voor eiwitten).

Wanneer een gen wordt getranscribeerd, dat wil zeggen wanneer de informatie ervan wordt gekopieerd in de vorm van RNA, kan het resultaat een niet-coderend RNA (cRNA) zijn, dat directe functies heeft bij de regulatie van genexpressie, bij celsignalering, enz. of het kan een boodschapper-RNA (mRNA) zijn, dat vervolgens wordt vertaald in een aminozuursequentie in een peptide.

Vertegenwoordiging van de structuur van een eukaryoot gen (Bron: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) via Wikimedia Commons)

Of een gen een functioneel product heeft in de vorm van RNA of eiwit, hangt af van bepaalde elementen of regio's die in de sequentie aanwezig zijn.

Genen, eukaryoot of prokaryoot, hebben twee DNA-strengen, de ene bekend als de "sense" -streng en de andere "antisense". De enzymen die verantwoordelijk zijn voor de transcriptie van deze sequenties "lezen" slechts één van de twee strengen, typisch de "sense" of "coderende" streng, die een 5'-3 "" richting "heeft.

Elk gen heeft aan zijn uiteinden regulerende sequenties:

- als de sequenties zich vóór het coderende gebied bevinden (het gebied dat zal worden getranscribeerd), staan ​​ze bekend als 'promotors'

- als ze door vele kilobasen van elkaar gescheiden zijn, kunnen ze 'zwijgen' of 'versterken' zijn

- die sequenties die het dichtst bij het 3'-gebied van de genen liggen, zijn meestal terminatorsequenties, die het polymerase vertellen dat het de transcriptie (of replicatie, al naar het geval) moet stoppen en beëindigen

Het promotorgebied is verdeeld in distaal en proximaal, afhankelijk van de nabijheid van het coderingsgebied. Het bevindt zich aan het 5'-uiteinde van het gen en is de plaats die het RNA-polymerase-enzym en andere eiwitten herkennen om transcriptie van DNA naar RNA te initiëren.

In het proximale deel van het promotorgebied kunnen transcriptiefactoren binden, die het vermogen hebben om de affiniteit van het enzym voor de te transcriberen sequentie te wijzigen, en dus zijn ze verantwoordelijk voor het positief of negatief reguleren van de transcriptie van genen.

De enhancer- en silencingregio's zijn ook verantwoordelijk voor het reguleren van gentranscriptie door de "activiteit" van de promotorregio's te modificeren door hun vereniging met activator- of repressorelementen "stroomopwaarts" van de coderende sequentie van het gen.

Er wordt gezegd dat eukaryote genen standaard altijd "uitgeschakeld" of "onderdrukt" zijn, dus ze moeten geactiveerd worden door promotorelementen om tot expressie te komen (getranscribeerd).

- Wie is verantwoordelijk voor de transcriptie?

Ongeacht het organisme, wordt transcriptie uitgevoerd door een groep enzymen genaamd RNA-polymerasen, die, vergelijkbaar met de enzymen die verantwoordelijk zijn voor DNA-replicatie wanneer een cel op het punt staat zich te delen, gespecialiseerd zijn in de synthese van een RNA-keten. van een van de DNA-strengen van het gen dat wordt getranscribeerd.

RNA-polymerasen zijn grote enzymcomplexen die uit veel subeenheden bestaan. Er zijn verschillende soorten:

- RNA-polymerase I (Pol I): die de genen transcriberen die coderen voor de "grote" ribosomale subeenheid.

- RNA-polymerase II (Pol II): die de genen die coderen voor eiwitten transcriberen en micro-RNA's produceren.

- RNA-polymerase III (Pol III): die de transfer-RNA's produceren die tijdens translatie worden gebruikt, en ook het RNA dat overeenkomt met de kleine subeenheid van het ribosoom.

- RNA-polymerase IV en V (Pol IV en Pol V): deze zijn typisch voor planten en zijn verantwoordelijk voor de transcriptie van kleine storende RNA's.

- Wat is het proces?

Eukaryote gentranscriptie (Bron: Erinp.5000 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) via Wikimedia Commons)

Genetische transcriptie is een proces dat kan worden bestudeerd in drie fasen: initiatie, verlenging en beëindiging.

Inwijding

Tijdens initiatie fungeert het promotorgebied het promotorgebied van het gen als herkenningsplaats voor RNA-polymerase. Dit is waar de meeste genetische expressie wordt gecontroleerd

RNA-polymerase (zeg maar RNA-polymerase II) bindt zich aan de sequentie van het promotorgebied, dat bestaat uit een stuk van 6 tot 10 basenparen aan het 5'-uiteinde van het gen, gewoonlijk ongeveer 35 basenparen van de transcriptiestartsite.

De vereniging van RNA-polymerase leidt tot de "opening" van de dubbele DNA-helix, waardoor de complementaire strengen worden gescheiden. RNA-synthese begint op de plaats die bekend staat als de "initiatieplaats" en vindt plaats in de 5'-3'-richting, dat wil zeggen "stroomafwaarts" of van links naar rechts (volgens afspraak).

De initiatie van transcriptie die wordt gemedieerd door RNA-polymerasen, hangt af van de gelijktijdige aanwezigheid van eiwittranscriptiefactoren die bekend staan ​​als algemene transcriptiefactoren, die bijdragen aan de "locatie" van het enzym in het promotorgebied.

Nadat het enzym begonnen is met polymeriseren, wordt het "afgestoten" van zowel de promotorsequentie als de algemene transcriptiefactoren.

Verlenging

Tijdens verlenging glijdt RNA-polymerase langs de ketting die als sjabloon dient

Het treedt op als RNA-polymerase langs de DNA-sequentie "beweegt" en ribonucleotiden toevoegt die complementair zijn aan de DNA-streng die dient als een "sjabloon" voor het groeiende RNA. Als RNA-polymerase door de DNA-streng "passeert", voegt het zich weer bij zijn antisense-streng.

De polymerisatie uitgevoerd door RNA-polymerase bestaat uit nucleofiele aanvallen van zuurstof op positie 3 'van de groeiende RNA-keten naar het fosfaat "alfa" van de volgende toe te voegen nucleotideprecursor, met de daaruit voortvloeiende vorming van fosfodiësterbindingen en het vrijkomen van een pyrofosfaatmolecuul (PPi).

De set die bestaat uit de DNA-streng, de RNA-polymerase en de ontluikende RNA-streng staat bekend als een transcriptiebel of -complex.

Beëindiging

Wanneer RNA-polymerase het terminale gebied van het gen bereikt, is het transcriptionele boodschapper-RNA compleet. Vervolgens dissociëren RNA-polymerase, DNA-streng en transcriptie-boodschapper-RNA

Beëindiging vindt plaats wanneer het polymerase de terminatiesequentie bereikt, die logisch "stroomafwaarts" van de transcriptie-initiatieplaats is gelokaliseerd. Wanneer dit gebeurt, raken zowel het enzym als het gesynthetiseerde RNA "losgemaakt" van de DNA-sequentie die wordt getranscribeerd.

Het terminatiegebied bestaat normaal gesproken uit een DNA-sequentie die in staat is zichzelf te "vouwen" en een structuur van het type "haarspeldlus" te vormen.

Na beëindiging staat de gesynthetiseerde RNA-streng bekend als het primaire transcript, dat wordt vrijgegeven uit het transcriptiecomplex, waarna het al dan niet posttranscriptioneel kan worden verwerkt (voorafgaand aan de vertaling in eiwit, indien van toepassing) via een proces genaamd "snijden en splitsen".

Transcriptie in prokaryoten (proces)

Omdat prokaryote cellen geen door een membraan omsloten kern hebben, vindt transcriptie plaats in het cytosol, met name in het "nucleaire" gebied, waar chromosomaal DNA geconcentreerd is (bacteriën hebben een circulair chromosoom).

Op deze manier is de toename van de cytosolische concentratie van een bepaald eiwit aanzienlijk sneller bij prokaryoten dan bij eukaryoten, aangezien de transcriptie- en translatieprocessen plaatsvinden in hetzelfde compartiment.

- Hoe zijn prokaryote genen?

Prokaryote organismen hebben genen die sterk lijken op eukaryoten: de eerste maken ook gebruik van promotor- en regulerende regio's voor hun transcriptie, hoewel een belangrijk verschil te maken heeft met het feit dat het promotorgebied vaak voldoende is om een ​​'sterke' expressie van de genen.

In deze zin is het belangrijk om te vermelden dat prokaryote genen in het algemeen altijd standaard "aan" zijn.

Het promotorgebied is geassocieerd met een ander gebied, gewoonlijk "stroomopwaarts", dat wordt gereguleerd door repressormoleculen en bekend staat als het "operatorgebied".

Vertegenwoordiging van de structuur van een prokaryotisch gen (Bron: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) via Wikimedia Commons)

Een verschil in transcriptie tussen prokaryoten en eukaryoten is dat normaal gesproken de boodschapper-RNA's van eukaryoten monocistronisch zijn, dat wil zeggen dat elk de informatie bevat om een ​​enkel eiwit te synthetiseren, terwijl deze in prokaryoten monocistronisch of polycistronisch kunnen zijn, waarbij er maar één kan zijn. MRNA kan de informatie voor twee of meer eiwitten bevatten.

Het is dus algemeen bekend dat prokaryote genen die coderen voor eiwitten met vergelijkbare metabolische functies, bijvoorbeeld worden aangetroffen in groepen die bekend staan ​​als operons, die gelijktijdig worden getranscribeerd in een vorm van boodschapper-RNA met één molecuul.

Prokaryote genen zijn dicht opeengepakt, zonder veel niet-coderende regio's ertussen, dus als ze eenmaal zijn getranscribeerd in lineaire boodschapper-RNA-moleculen, kunnen ze onmiddellijk in eiwitten worden vertaald (eukaryote mRNA's hebben vaak verdere verwerking nodig).

- Hoe is prokaryotisch RNA-polymerase?

Prokaryote organismen zoals bacteriën gebruiken bijvoorbeeld hetzelfde RNA-polymerase-enzym om al hun genen te transcriberen, dat wil zeggen die genen die coderen voor ribosomale subeenheden en die coderen voor verschillende cellulaire eiwitten.

In E. coli-bacteriën is RNA-polymerase samengesteld uit 5 polypeptidesubeenheden, waarvan er twee identiek zijn. De α, α, β, β '-subeenheden vormen het centrale deel van het enzym en worden tijdens elke transcriptiegebeurtenis geassembleerd en gedemonteerd.

De α-subeenheden zijn degene die de vereniging tussen het DNA en het enzym mogelijk maken; de β-subeenheid bindt aan de trifosfaatribonucleotiden die zullen worden gepolymeriseerd volgens het DNA-templaat in het ontluikende mRNA-molecuul en de β '-subeenheid bindt aan de mal-DNA-streng.

De vijfde subeenheid, bekend als σ, neemt deel aan de initiatie van transcriptie en is degene die specificiteit verleent aan het polymerase.

- Wat is het proces?

Transcriptie in prokaryoten lijkt sterk op die van eukaryoten (het is ook onderverdeeld in initiatie, verlenging en terminatie), met enkele verschillen in de identiteit van de promotorregio's en de transcriptiefactoren die nodig zijn voor RNA-polymerase oefenen hun functies uit.

Hoewel de promotorgebieden kunnen variëren tussen verschillende prokaryote soorten, zijn er twee geconserveerde "consensus" -sequenties die gemakkelijk kunnen worden geïdentificeerd in het -10-gebied (TATAAT) en in het -35-gebied (TTGACA) stroomopwaarts van de coderende sequentie.

Inwijding

Het hangt af van de σ-subeenheid van RNA-polymerase, aangezien het de interactie tussen DNA en het enzym medieert, waardoor het in staat is promotersequenties te herkennen. De initiatie eindigt wanneer enkele abortieve transcripten van ongeveer 10 nucleotiden worden geproduceerd die worden vrijgegeven.

Verlenging

Wanneer de σ-subeenheid wordt losgemaakt van het enzym, begint de verlengingsfase, die bestaat uit de synthese van een mRNA-molecuul in de 5'-3'-richting (ongeveer 40 nucleotiden per seconde).

Beëindiging

Beëindiging in prokaryoten is afhankelijk van twee verschillende soorten signalen, het kan Rho-afhankelijk en Rho-onafhankelijk zijn.

Het Rho-afhankelijke eiwit wordt gecontroleerd door dit eiwit dat het polymerase "volgt" terwijl het vordert in de RNA-synthese totdat de laatste een sequentie bereikt die rijk is aan guanines (G), stopt en in contact komt met het Rho-eiwit. dissociëren van DNA en mRNA.

Rho-onafhankelijke terminatie wordt gecontroleerd door specifieke sequenties van het gen, meestal rijk aan guanine-cytosine (GC) herhalingen.

Referenties

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2007). Moleculaire biologie van de cel. Garland Science. New York, 1392.
2. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT en Miller, JH (2005). Een inleiding tot genetische analyse. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, Bretscher, A., … & Matsudaira, P. (2008). Moleculaire celbiologie. Macmillan.
4. Nelson, DL, Lehninger, AL en Cox, MM (2008). Lehninger principes van biochemie. Macmillan.
5. Rosenberg, LE en Rosenberg, DD (2012). Menselijke genen en genomen: wetenschap. Gezondheid, Maatschappij, 317-338.
6. Shafee, T., en Lowe, R. (2017). Eukaryote en prokaryote genstructuur. Wiki Journal of Medicine, 4 (1), 2.
7. McGraw-Hill-animaties, youtube.com. DNA-transcriptie en vertaling.