Транскрипция в биологията — синтез на РНК от ДНК и генна експресия

Транскрипция: как РНК се синтезира от ДНК, ролята на РНК полимеразата, сплайсинг, мРНК и генна експресия — ясни обяснения и примери.

Транскрипцията е процес, при който информацията в ДНК се копира в РНК. Тази копия е необходима за превеждането на генетичната информация в белтъци и за други клетъчни функции. Копирането се извършва от специален ензим, наречен РНК полимераза, за да се синтезира молекула РНК, чият нуклеотиден ред отразява този на ДНК шаблона.

Както много учени са описали: "Всички живи същества, с техните безбройни вариации, използват почти идентична микроскопична машина за разчитане на гените си. Тази машина - РНК полимераза - отговаря за процес, наречен транскрипция, който, произвеждайки РНК от ДНК, прави първата стъпка в разчитането на плана на живота, който е кодиран във всички наши гени".

Какво се получава и как се обработва

Първият продукт често е т.нар. „предмесинджерна РНК“ (пре-мРНК). След синтеза некодиращите интрони се премахват от сплайсозома, а останалите екзони се свързват, за да се образува зрелата месинджърна РНК. Получената молекула се нарича месинджър РНК (мРНК), защото пренася генетичното съобщение от ДНК до клетъчните машини за синтез на протеини. Транскрипцията е първата стъпка в процеса на експресия на гените.

Структура на транскрипционната единица

Участъкът от ДНК, който се транскрибира в молекула РНК, се нарича транскрипционна единица. Тя обикновено включва:

1. регулаторни последователности (например промотори и енхансъри), които управляват кога и колко се синтезира;
2. последователности, които не кодират: интрони;
3. последователности, които кодират аминокиселинни последователности в протеина — това са екзони.

Посока и механика на синтеза

Подобно на репликацията на ДНК, при транскрипцията се използва само една от двете вериги на ДНК. Тази верига се нарича шаблонна, защото служи като модел за подреждането на нуклеотидите в новата РНК. Другата верига е кодираща верига — нейната последователност е идентична с тази на синтезираната РНК, с изключение на факта, че в нея тиминът е заменен с урацил (тиминът и урацил). ДНК-шаблонът се чете в посока 3' → 5' от РНК полимеразата, а новата РНК-верига расте в посока 5' → 3'. РНК полимеразата се свързва при 3' края на гена (промотора) върху темплейтната верига и се придвижва към 5' края.

Фази на транскрипцията

• Инициация: РНК полимеразата и допълнителни фактори (в еукариотите — транскрипционни фактори) разпознават и се свързват с промоторавата област, откривайки началото на транскрипционната единица.
• Елонгация: РНК полимеразата разгъва ДНК, чете шаблона и добавя противоположни рибонуклеотиди, синтезирайки РНК-веригата.
• Терминация: при достигане на терминаторни сигнали синтезът спира и РНК полимеразата отделя новообразуваната РНК.

Разлики между прокариоти и еукариоти

Прокариотите (бактерии) имат обикновено една РНК полимераза и използват фактори като сигма-фактор, за да разпознаят промоторите; при тях транскрипцията и транслацията могат да бъдат координирани и да протичат едновременно в цитоплазмата. Еукариотите имат няколко различни РНК полимерази (I, II и III), сложни набори от транскрипционни фактори, хроматинови ремоделиращи комплекси и процеси за посттранскрипционна обработка като 5' шапиране (5' cap), сплайсинг и полиаденилиране (poly(A) опашка). Хроматинът и нуклеосомите също регулират достъпността на гена за транскрипция.

Обработка и видове РНК

Освен мРНК, транскрипцията произвежда и други типове РНК, важни за клетката: тРНК (транспортна), рРНК (рибозомна), snRNA (малки ядренни РНК) и др. При еукариотите пре-мРНК преминава през няколко обработки — добавяне на 5' кап (важен за стабилност и за разпознаване от рибозомата), премахване на интрони чрез сплайсозома и добавяне на 3' поли(A)-опашка, която увеличава стабилността и подпомага експорта от ядрото.

Регулация и биологично значение

Транскрипцията е ключов контролен пункт в генната експресия: чрез промотори, енхансъри, репресори, епигенетични модификации (метилиране на ДНК, модификации на хистони) и наличието на конкретни транскрипционни фактори клетката може да регулира кои гени и кога да се изразяват. Неспазването на тези механизми може да доведе до болести, включително някои видове рак и генетични заболявания.

Допълнителни бележки

• РНК полимеразите нямат толкова силна коректурна активност като ДНК полимеразите, затова честотата на грешки при транскрипция е по-висока, но повечето грешки са преходни и не се наследяват.
• В бактериите един промотор може да управлява транскрипцията на няколко гена под формата на оперон; при еукариотите регулирането обикновено е по-фино и поединично.
• За изследване на транскрипцията се използват методи като RT-PCR, RNA-seq и хроматин-имунопреципитация (ChIP), които позволяват да се идентифицират транскрипти и свързани протеини и регулаторни елементи.

Роджър Д. Корнберг получава Нобеловата награда за химия за 2006 г. "за изследванията си на молекулярната основа на еукариотната транскрипция", което подчертава централната роля на този процес за разбирането на клетъчната биология и генетиката.

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво представлява транскрипцията?

В: В какво се превръща съответстващата верига РНК, създадена чрез транскрипция?

В: Какво се случва с предмесиерната РНК, след като е създадена?

В: Какво прави мРНК?

В: Какво представлява транскрипционната единица?

Въпрос: От коя верига на ДНК се чете мРНК по време на транскрипцията?

Въпрос: Кой е носителят на Нобелова награда за химия за 2006 г., свързана с еукариотната транскрипция?

Търсене по буква