Transkription

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.

Die Transkription wird in drei Phasen unterteilt:

1. Initiation: Rekrutierung und Zusammenbau der Transkriptionsmaschinerie
2. Elongation: Das Ablesen des Gens und der Synthese einer komplementären RNA
3. 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).

Prokaryoten

Initiation

Prokaryoten besitzen nur eine RNA-Polymerase, die an den Promotor eines Gens bindet. Diese Bindung wird durch einen transienten Cofaktor vermittelt, der als Sigma-Faktor bezeichnet wird. Durch Verwendung unterschiedlicher Sigma-Faktoren kann die RNA-Polymerase an verschiedene Promotoren binden, was eine zusätzliche Ebene der Genregulation darstellt.

Der Sigma-Faktor bildet zusammen mit der RNA-Polymerase das Holoenzym und initiiert die Trennung der Stränge -10 bp upstream vom Transkriptionsstart. Sobald die Transkription beginnt, löst sich der Sigma-Faktor wieder von der Polymerase.

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.^[1]

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.^[2]

Termination

Die Transkription wird beendet, sobald sie auf spezifische Sequenzen trifft, welche die Bindung der RNA-Polymerase an die DNA destabilisieren. Dies führt zu einer Öffnung der Polymerase, wodurch die RNA und die DNA freigelassen werden.^[2]

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.^[1]

Die transkribierte prä-mRNA enthält außerdem noch nichtkodierende Introns, die durch Spleißen entfernt werden. Die reife mRNA kann schließlich den Zellkern verlassen.