Transkription

Länk till bild på transkription

Översiktstabell för faserna i eukaryot mRNA-transkription

Översikt för polymeras

DNA-transkription

DNA-transkription är den process där genetisk information i DNA kopieras till RNA. Denna process är ett avgörande steg i genuttryck och möjliggör produktionen av proteiner genom efterföljande translation. Transkriptionen styrs av olika mekanismer beroende på om det gäller prokaryota eller eukaryota organismer, och regleras dessutom genom komplexa signalvägar och sekvenser.

Prokaryoter

Hos prokaryoter initieras transkriptionen vid en specifik sekvens kallad promotorregion. Denna region känns igen av RNA-polymerasets holoenzym, som består av flera subenheter: alfa, alfa, beta, beta, gamma och en särskild sigma-subenhet. Sigma-subenheten är avgörande för att RNA-polymeraset ska binda till promotorn och påbörja syntes av RNA. Ett och samma RNA-polymeras transkriberar alla typer av RNA hos prokaryoter.

Eukaryoter

I eukaryota celler är processen mer komplex och involverar flera olika RNA-polymeraser. RNA-polymeras I transkriberar rRNA efter att generella transkriptionsfaktorer bundit till promotorregionen; rRNA används i ribosomer för proteinsyntes.

RNA-polymeras II producerar mRNA efter att specifika transkriptionsfaktorer bundit in till promotorsekvenser. mRNA modifieras med cap och poly-A-svans innan det kan translateras till protein. RNA-polymeras III ansvarar för transkriptionen av tRNA, som också är nödvändigt för translationen. Vissa snRNA syntetiseras av både polymeras II och III.

Genreglering

Genuttryck i eukaryoter regleras även av regulatoriska DNA-sekvenser som enhancers och silencers. Transkriptionsfaktorer kan binda till dessa sekvenser och inducera en böjning i DNA-strängen, vilket underlättar eller förhindrar interaktioner med RNA-polymeraser och på så sätt påverkar hur snabbt RNA syntetiseras.

Signalmolekyler såsom PKA (proteinkinas A) kan påverka aktiviteten hos specifika transkriptionsfaktorer genom fosforylering, vilket gör det möjligt för cellen att anpassa genuttryck till inre och yttre stimuli.

mRNA-transkription

Initiering

Hos prokaryoter sker initieringen vid specifika DNA-sekvenser belägna vid -35, -10 och +1-positionerna relativt transkriptionsstart. RNA-polymerasets holoenzym, inklusive sigma-subenheten, känner igen dessa promotorregioner och binder in för att starta transkriptionen.

Hos eukaryoter involverar initieringen ett mer komplext maskineri. Promotorregionerna innehåller sekvenser såsom TATA-boxen, CAAT-boxen och GC-rika områden. RNA-polymeras II ansvarar för syntesen av mRNA och kräver allmänna transkriptionsfaktorer för att binda korrekt, bland annat TFIID som känner igen TATA-boxen.

Elongering

Under elongeringen används den så kallade mallsträngen som läses i riktning 3' till 5' av RNA-polymeraset, medan den motsatta kodande strängen inte används som mall. RNA-polymeraset öppnar DNA-helixen framför sig, stabiliserar enkeltrådar och lindar upp DNA bakom sig efter transkriptionen.

RNA syntetiseras i riktning 5' till 3'. Det finns indikationer på att RNA-polymeraset har någon form av korrekturläsningsförmåga, men den är inte lika väldefinierad som hos DNA-polymeras.

Terminering

Hos prokaryoter finns två huvudtyper av terminering. I rho-beroende terminering binder ett rho-protein till RNA och förflyttar sig längs transkriptet tills det når polymeraset, vilket får det att lossna. I rho-oberoende terminering innehåller DNA-sekvensen inverterade repetitioner, exempelvis CCGGxxxxGGCC, som transkriberas till RNA och bildar en hårnålsslinga. Denna struktur destabiliserar komplexet och får polymeraset att släppa.

Hos eukaryoter initieras termineringen av en polyadenyleringssignal, ofta sekvensen AAUAAA. Denna signal känns igen av enzymkomplex som klipper RNA och får RNA-polymeras II att släppa från DNA, vilket avslutar transkriptionen.

Posttranskriptionella modifieringar

Posttranskription sker endast i eukaryoter och är nödvändig för att omvandla det nybildade pre-mRNA, eller hnRNA, till moget mRNA som kan exporteras till cytoplasman och translateras. Dessa modifieringar sker i cellkärnan och innefattar kemiska förändringar i båda ändar av RNA-molekylen.

Vid 5'-änden, där RNA har en trifosfatgrupp, agerar enzymet RNA-trifosfatas genom att ta bort en av fosfatgrupperna. Därefter sätter guanylyltransferas fast en GTP-molekyl på änden, varvid två inorganiska fosfater spjälkas och en GMP kopplas till RNA. Slutligen fäster metyltransferas en metylgrupp på guaninet, vilket bildar den så kallade 5'-cap-strukturen. Denna struktur skyddar RNA från nedbrytning och är nödvändig för att translationen ska kunna initieras vid ribosomen.

På 3'-änden finns en specifik sekvens, AAUAAA, som känns igen av enzymet poly-A-polymeras. Detta enzym adderar ett stort antal adenin-nukleotider och bildar en så kallad poly-A-svans. Poly-A-svansen fungerar dels som en signal för transport ut ur kärnan, dels som ett skydd mot nedbrytning, samt spelar en viktig roll vid initiering av translation.

Splitsning av pre-mRNA

Splitsning är en viktig process som sker efter transkription i eukaryota celler. Det primära RNA-transkriptet, även kallat hnRNA, innehåller både exoner och introner. Exoner är de delar som kodar för aminosyror och ska behållas i det mogna mRNA, medan introner är icke-kodande sekvenser som måste avlägsnas innan translation kan ske.

Splitsningen sker med hjälp av små nukleära RNA-molekyler (snRNA) och proteiner som tillsammans bildar små nukleära ribonukleoproteiner (SNRP). Dessa identifierar gränserna mellan introner och exoner, klipper ut intronerna och limmar ihop exonerna. Ett typiskt intron börjar med sekvensen GU och slutar med AG, och en adenin (A) i mitten spelar en central roll för att forma en lassoformad struktur som gör det möjligt att klippa bort intronet.

Efter splitsningen har det mogna mRNA en struktur som innehåller 5'-änden med cap, en 5'-UTR (untranslated region), kodande exoner, en 3'-UTR och en poly-A-svans vid 3'-änden. Genom alternativ splitsning kan en och samma hnRNA-molekyl ge upphov till flera olika mRNA-varianter, vilket bidrar till proteinmångfald. Detta utnyttjas särskilt i immunförsvarets antikroppar, i olika neuronala celler, samt för att särskilja hjärtmuskel från skelettmuskel.

RNA-redigering

RNA-redigering är en process där den nukleotidsekvens som skrivits av från DNA kan ändras efter transkriptionen. Ett exempel är att en cytosin (C) omvandlas till uracil (U), vilket kan ändra en kodonsekvens från exempelvis CAA (som kodar för glutamin) till UAA, UAG eller UGA – vilka är stoppkodon. Därmed kan RNA-redigering påverka var translationen avslutas och därigenom proteinets längd och funktion.