Transkription
Englisch: transcription
Definition
Unter Transkription versteht man den biologischen Prozess, bei dem genetische Information von einem der beiden DNA-Stränge auf die RNA übertragen wird. Der DNA-Strang dient dabei als Matrize, die in ihrer Basensequenz komplementär zum synthetisierten RNA-Strang ist.
Hintergrund
Die Transkription wird bei Prokaryoten im Zytoplasma, bei Eukaryoten im Zellkern durch DNA-abhängige RNA-Polymerasen katalysiert. In eukaryotischen Zellen entsteht durch die Transkription außerdem zunächst ein Zwischenprodukt, die hnRNA, die durch posttranskriptionale Modifikationen in mRNA umgewandelt wird.
Übersicht
Die Transkription wird in drei Phasen unterteilt:
- Initiation: Rekrutierung und Zusammenbau der Transkriptionsmaschinerie
- Elongation: Das Ablesen des Gens und der Synthese einer komplementären RNA
- Termination: Beendigung der Transkription an einer spezifischen Sequenz
Als Konvention wird in der wissenschaftlichen Literatur der Strang, an dem die komplementäre RNA gebildet wird, als Vorlagenstrang oder Matrizenstrang (Englisch: "template strand") bezeichnet. Der andere Strang, der nicht als Vorlage dient, wird als kodierender Strang (Englisch: "coding strand") bezeichnet. Bei DNA-Sequenzen wird immer die Sequenz des kodierenden Stranges angegeben. Dadurch ist die Sequenz der DNA identisch mit der gebildeten RNA (mit Ausnahme von Uracil anstelle von Thymin).
Ablauf
Prokaryoten
Initiation
Prokaryoten verfügen über eine einzelne RNA-Polymerase, die alle kodierenden (mRNA) und nicht-kodierenden (z.B. rRNA) RNA-Transkripte herstellt. Das Core-Enzym (α₂ββ′ω) der RNA-Polymerase hat eine molekulare Masse von etwa 400 kDa und besteht aus fünf Untereinheiten. Die Promotorspezifität wird durch austauschbare Sigma-Faktoren (σ-Faktoren) vermittelt. Diese dissoziierbaren Initiationsfaktoren binden an das Core-Enzym und bilden zusammen mit ihm das sogenannte Holoenzym. Durch die Verwendung unterschiedlicher Sigma-Faktoren kann die RNA-Polymerase verschiedene Promotorgruppen erkennen, was ein zentrales Element der Genregulation bei Prokaryoten ist.
Der Sigma-Faktor stabilisiert die Bindung der Polymerase an den Promotor. Nach der initialen Bindung erfolgt eine Konformationsänderung, bei der die DNA im Bereich -10 bp upstream vom Transkriptionsstart aufgetrennt wird. Dadurch wird ein Zugang zum Matritzenstrang ermöglicht. Die RNA-Synthese beginnt, indem Phosphodiesterbindungen zwischen eingehenden rNTPs katalysiert werden, um den anfänglichen Transkriptionskomplex zu bilden.[1] Abhängig vom Promotor kann es zu abortiven Transkriptionen kommen, bei denen das Enzym zwischen dem anfänglichen Transkriptionskomplex und dem offenen Komplex hin- und herwechselt und kurze RNAs freisetzt. Der Wechsel zur produktiven RNA-Transkription hängt u.a. von der Promotorsequenz, dem σ-Faktor und der anfänglichen Transkriptionssequenz ab. Mit dem Übergang in die produktive Elongation wird der Sigma-Faktor meist freigesetzt. Ein Teil der frühen Elongationskomplexe kann ihn jedoch vorübergehend weiterhin gebunden halten.
Elongation
Die Elongation erfolgt, indem sich die RNA-Polymerase in 3' zu 5' Richtung auf dem Matrizenstrang fortbewegt und dabei eine komplementäre RNA-Kette synthetisiert. Hinter der Polymerase schließen sich die Stränge wieder. Dies erzeugt eine Struktur, die als "Transcription Bubble" (die Übersetzung Transkriptionsblase wird in der deutschen Literatur selten verwendet) bezeichnet wird. Ungefähr 10 Nukleotide bilden dabei gleichzeitig ein RNA:DNA-Hybrid. Der Einbau von neuen Nukleotiden geschieht durch Anlagerung von freien komplementären Ribonukleosidtriphosphaten an den Matritzenstrang. Die Energie für die Ausbildung der Phosphodiesterbindung mit der wachsenden RNA wird durch Spaltung des Triphosphat bereitgestellt.[2]
Termination
Die Transkription wird beendet, sobald die RNA-Polymerase auf eine ca. 40 bp lange Sequenz trifft. Dies führt dazu, dass sich das Transkript von der DNA löst. Die Termination wird durch zwei Mechanismen ausgeführt: Die intrinsische Termination führt dazu, dass das Transkript eine Haarnadelstruktur durch GC-reiche Sequenzen bildet. In der Rho-abhängigen Termination bindet der Rho-Faktor an eine spezifische Sequenz, wodurch die RNA-Polymerase pausiert und sich die RNA ablösen kann.
Eukaryoten
Die eukaryotische und die prokaryotische Transkription sind sich prinzipiell sehr ähnlich. Jedoch existieren einige Abweichungen, die auf die deutlich komplexere Struktur der Eukaryoten zurückgeführt werden können:
- Genomgröße: Während Prokaryoten nur einige tausend Gene besitzen (E. coli ca. 4.500), liegt die Zahl der Gene des Menschen bei ca. 23.000
- Genomorganisation: Das Genom der Prokaryoten liegt frei im Zytoplasma, während das eukaryotische Genom als Chromatin organisiert in einem Zellkern vorliegt und einzelne Abschnitte unterschiedlich zugänglich sind
- Lokalisation: Um translatiert zu werden, muss die eukaryotische mRNA den Zellkern verlassen. Dies erfordert eine vorangegangene Prozessierung der RNA
Außerdem verfügen Eukaryoten über vier verschiedene Polymerasen, die sich in ihrer Lokalisation und der zu synthetisierenden RNA unterscheiden:
- RNA-Polymerase I: Synthetisiert im Zellkern prä-ribosomale RNA (45S), die später zu den 5.8S, 18S und 28S rRNA Untereinheiten heranreift
- RNA-Polymerase II: An der Transkription von hnRNA (mRNA-Vorläufer), snRNA sowie snoRNA beteiligt
- RNA-Polymerase III: stellt die Transfer-RNA (tRNA) sowie die 5S-rRNA Untereinheit im Zellkern her
- mitochondriale RNA-Polymerase: Lokalisiert in den Mitochondrien und synthetisiert die mitochondriale RNA (mtRNA).
Initiation
Bevor die Transkription in Eukaryoten starten kann, muss sich ein Präinitiationskomplex (PIK) im Promotorbereich des Gens bilden. Dieser besteht aus mehreren allgemeinen Transkriptionsfaktoren und der multimeren RNA-Polymerase. Der erste Schritt in der Bildung dieses Komplexes ist die Bindung des TATA-Bindeproteins (TBP) an die TATA-Box. Diese Sequenz befindet sich meist -30 bp vom Transkriptionsstart entfernt. Dies führt zur Rekrutierung der allgemeinen Transkriptionsfaktoren und der RNA-Polymerase. TBP wird dadurch Teil des Transkriptionsfaktors TFIID.
Eine besondere Rolle in der Regulierung der Aktivität der RNA-Polymerase II wird durch die C-terminale Domäne (CTD) erfüllt. Diese lineare Domäne ragt aus der Polymerase heraus und kann durch Phosphorylierungen modifiziert werden, wodurch sich die Aktivität des gesamten Komplexes verändert. Dadurch kann sich die RNA-Polymerase II aus dem Präinitiationskomplex lösen und mit der Transkription beginnen.
Elongation
Die Elongation in Eukaryoten kann mit der der Prokaryoten verglichen werden. Unterschiede bestehen vor allem im Übergang von der Initiation zur Elongation. Aus unbekannten Gründen ist der gebildete Komplex aus RNA, DNA und Polymerase am Beginn sehr instabil und bricht nach der Synthese von wenigen Nukleotiden ab. Dieser Prozess wird mehrmals wiederholt, bis schließlich ein stabiles DNA:RNA-Hybrid gebildet wird und die Transkription fortgesetzt werden kann.[3]
Termination
Die Transkription wird beendet, sobald sie auf einen Terminator in der DNA trifft. Es gibt zwei Modellvorstellungen für den genauen Ablauf der Termination:
- Im allosterischen Modell führt das Abschneiden der prä-mRNA am Polyadenylierungssignal (z.B. AAUAAA) zu einer strukturellen Änderung der RNA-Polymerase, die dadurch instabil wird und sich schließlich von der DNA ablöst.
- Im Torpedo-Modell baut eine 5’-Exonuklease das nach dem Freisetzen der prä-mRNA weiter synthetisierte "Resttranskript" ab. Sobald die Exonuklease die RNA-Polymerase einholt, löst diese sich von der DNA ab.
Beide Modellvorstellungen sind wahrscheinlich komplementäre Mechanismen, die aufeinander aufbauen bzw. zusammenwirken können.
Prozessierung der RNA
Anders als in Prokaryoten, kann die Transkription nicht mit der Translation gekoppelt werden, da sich die dafür benötigten Ribosomen außerhalb des Zellkerns befinden. Die RNA muss zunächst modifiziert werden, um sie für den Transport vor dem Abbau durch Nukleasen zu schützen. Die unverarbeitete transkribierte RNA wird auch als hnRNA oder prä-mRNA bezeichnet.
Die Prozessierung der RNA findet bereits während der Transkription statt. Durch mehrere Enzyme wird an das 5'-Ende ein 7-Methylguanosin-Cap (7-mG) angehängt. Am 3'-Ende der RNA befindet sich eine Sequenz, die als Polyadenylierungssignal bezeichnet wird. Diese führt dazu, dass 150-200 Adenin Nukleotide als Poly(A)-Schwanz an die RNA angehängt wird.[2]
Die transkribierte prä-mRNA enthält außerdem noch nichtkodierende Introns, die durch Spleißen entfernt werden. Die reife mRNA kann schließlich den Zellkern verlassen.
Quellen
- ↑ Chen et al. Diverse and Unified Mechanisms of Transcription Initiation in Bacteria. Nat Rev Microbiol. 19(2):95-109. 2020
- ↑ 2,0 2,1 Griffiths, A. J. F. Introduction to genetic analysis. 8th edn, (W.H. Freeman and Co., 2005).
- ↑ Klug, W. S. Concepts of genetics. 10th edn, (Pearson Education, 2012).