Transkripce

Transkripce je přepis genetické informace z DNA do molekuly RNA. Jedná se v drtivé většině o přepis informace z jednoho genu, sloužícího k tvorbě jedné specifické bílkoviny, kterou buňka v danou chvíli potřebuje. Vlákno RNA se vytvoří na principu komplementarity k vláknu DNA.

Poté, co je informace přepsána, je díky mRNA přenesena na proteosyntetický aparát, kde se podle opsaného pořadí zahájí proteosyntéza.

Iniciace a přepis

Iniciace transkripce.

Elongace transkripce.

Terminace transkripce.

Transkripce je enzymatický proces, kdy je jako enzym využívána RNA polymeráza (DNA-dependentní RNA-polymerasa). Prozkoumávání řetězce probíhá od konce 5' ke konci 3'. RNA polymeráza hledá v DNA startovní sekvenci nukleotidů, tzv. promotor (za jeho rozpoznání je zodpovědná podjednotka enzymu – tzv. sigma faktor). Ačkoli je molekula DNA dvouřetězcová, je promotor asymetrický, z čehož plyne, že:

dochází vždy k přepisu jen z jednoho vlákna – vlákno pracovní (též negativní (-), antikódující či nesmyslné);
druhé vlákno pro transkripci tohoto genu význam nemá – vlákno paměťové (též pozitivní (+), kódující či smysluplné).

Po rozpoznání promotoru a rozpojování vodíkových můstků se podle komplementarity bází k pracovnímu vláknu DNA nasyntetizuje RNA vlákno. → místo T je U! Jakmile polymeráza narazí na stop sekvenci v řetězci, dojde k zastavení přepisu a uvolněná RNA může putovat dále. Základními enzymy podílejícími se na transkripci jsou DNA-dependentní RNA-polymerasy I.– III.:

Označení	Lokalizace	Produkt
I.	jadérko	pre-rRNA, 5.8S, 18S, 28S rRNA
II.	jádro	pre-mRNA (hnRNA), miRNA, lncRNA, snRNA
III.	jádro	pre-tRNA, 5S rRNA, snRNA

Na transkripci eukaryot se podílí řada bílkovin – tzv. transkripční faktory (TF), které jsou rozlišené římskými číslicemi a písmeny. Transkripce je zahájena navázáním TF IID do oblasti TATA boxu. Následuje připojení dalšího TF, RNA polymerasy a dalších TF. Transkripcí u eukaryot vznikají RNA prekurzorového typu, tj. takové, které se teprve posttranskripčními úpravami stávají definitivními funkčními molekulami.

Regulační sekvence

Promotor

Směřuje k 5' konci pracovního vlákna DNA před začátkem transkripce. Bývá proměnlivé délky, obvykle kolem 30–40 pb. Jeho funkcí je označení začátku transkripce a podílí se na regulaci její intenzity. V oblasti promotoru se často vyskytují tzv. signální sekvence:

30–40 pb před začátkem transkripce bývá tzv. TATA box ← obsahuje vyšší množství T a A;
další známou signální sekvencí je CCAAT box ← obvykle na pozici 75–80 pb (u genů, které jsou touto signální sekvencí vybaveny, je její přítomnost podmínkou účinné transkripce).

Existuje řada genů, které neobsahují ani TATA ani CCAAT box – jedná se většinou o geny vyskytující se v každé buňce = housekeeping genes (např. geny determinující enzymy citrátového cyklu).

Enhancery = „zesilovače"

Jsou to úseky DNA, které mohou být od genu, který ovlivňují, značně vzdáleny. Jde o krátké sekvence, jejichž funkce není ovlivněna vzdáleností od řízeného genu. Mohou působit jak ve směru 5' → 3', tak i naopak, jejich účinek je podobný jako u promotoru.

Posttranskripční úpravy

U bakterií a prokaryot obecně k žádným posttranskripčním úpravám mRNA nedochází.

Zato u eukaryotních buněk je situace značně složitější.

Primární transkript je vybaven na 5' konci tzv. čepičkou vytvořenou zvláštním nukleotidem (7–methylguanosintrifosfát), který je připojen vazbou 5'-5' k 5' konci RNA transkriptu a na 3' konci tzv. polyadenylovým koncem (asi 200 adeninových zbytků), který je syntetizován pomocí enzymu poly-A polymerázy (tento enzym nepotřebuje k syntéze templát DNA) ← tento úsek se pravděpodobně podílí na transportu mRNA z jádra do cytoplazmy

Primární transkript prochází tzv. sestřihem, kdy jsou z něj odstraněny nekódující sekvence. Za sestřih je zodpovědný komplex snRNA (U1, U2, U4, U5 a U6) a proteinů - spliceosom. Lasovitým stáčením primárního transkriptu dochází k odstřižení intronů (části řetězce nekódující žádné aminokyseliny). Kódující úseky (exony) jsou pak pospojovány do finálního řetězce. Opět se zde uplatňují specifické sekvence, které označují hranice mezi introny a exony. Odstřižené introny jsou ihned odbourávány.

Editace RNA – pochod, při kterém jsou do mRNA některé nukleotidy přidávány nebo chemicky měněny.

Podrobnější informace naleznete na stránce Posttranskripční úpravy.

Transkripční faktory

- jsou proteiny, které se spolupodílejí na iniciaci transkripce (přepis dědičné informace z genu (z DNA) na RNA).

Váží se na jednotlivé elementy promotoru, čímž usnadňují vazbu příslušné RNA-polymerázy. Prokaryotická RNA-polymeráza ke své činnosti TF nevyžaduje, transkripce u eukaryot je na přítomnosti TF závislá.

Jejich prostřednictvím je genová exprese přizpůsobována potřebám buňky či celého organismu (např. hormony, hypoxiemohou stimulovat expresi – transkripci určitých genů). Toto přizpůsobení může být značně rychlé, během hodiny může vzniknout až několik tisíc transkriptů jednoho úseku DNA. Některé TF musí být nejdříve aktivovány např. fosforylací nebo odstraněním inhibitoru.

Rozlišujeme:

obecné TF – výskyt ve všech typech buněk,
speciální TF – výskyt jen v určitých buňěk,
bazální TF – faktory nutné pro navození bazální transkripce (v buňkách s nízkou transkripční aktivitou).

Funkce a biologická úloha transkripčních faktorů

Regulace bazální transkripce

GTFs (general transcription factors) – nezbytné pro průběh transkripce
mnohé z nich se neváží na DNA, ale jsou součástí preiniciačního komplexu, který reaguje přímo s RNA-polymerázou II
nejběžnější: TFIIA, TFIIB, TFIID (součástí je podjednotka zvaná TATA binding protein (TBP) – váže se specificky na sekvenci TATA box), TFIIE, TFIIF a TFIIH

Buněčný vývoj

na základě signálů regulují buněčnou diferenciaci a determinaci
rodina TF Hox je významná pro správné tělesné uspořádnání
TF kódovaný SRY (Sex-determining region of Y) – určení pohlaví člověka

Odpověď na mezibuněčné signály

součástí signalizační kaskády (aktivace x suprese)
např. estrogenová signalizace: TF je součástí estrogenového receptoru, který po aktivaci putuje do jádra, kde reguluje transkripci určitých genů

Odpověď na vnější prostředí

TF rovněž regulují signalizační kaskády exogenního původu
Heat shock factor (HSF) – aktivuje geny umožňující přežití při vyšších teplotách
Hypoxia inducible factor (HIF) – přežití v prostředí s nedostatkem kyslíku

Kontrola buněčného cyklu

hl. TF, které jsou onkogeny (např. myc) a tumorsupresory (např. p53) – úloha v buněčném růstu a apoptóze

Transkripce u prokaryot

[ upravit vložený článek

]

Transkripce i translace u prokaryot probíhá v mnoha ohledech podobně jako u eukaryotních buněk, v mnoha detailech se však liší. Velké rozdíly jsou navíc mezi prokaryotními organismy ze skupiny Bacteria (nebo též Eubacteria) a Archaea (u nichž se mnoho z těchto procesů podobá spíše situaci u eukaryot), jako modelový organismus, k němuž se vztahují všechny níže popsané jevy, zde tedy budeme brát bakterii E. coli. Velký rozdíl mezi prokaryotními a eukaryotními organismy je v prostorové a časovém vztahu transkripce a translace, kdy v důsledku absence dvojité jaderné membrány oddělující tyto dva procesy u bakterií obvykle nedochází k dalšímu zpracování nově vznikající mRNA a ribozomy nasedají na RNA ještě před dokončením její syntézy.
Transkripce je proces přepisu jednoho řetězce DNA do komplementárního řetězce RNA. Je katalyzován enzymem RNA polymerázou. Probíhá ve směru od 5’ konce nové molekuly RNA k jejímu 3’ konci a energeticky je poháněn hydrolýzou makroergní vazby přicházejícího ribonukleosidtrifosfátu. Na rozdíl od eukaryotní transkripce, kdy je obvykle přepisování pouze jeden gen kódující jediný polypeptid nebo nepřekládanou RNA, se může u bakterií přepisovat více genů do jedné polycistronní molekuly RNA. Ty jsou následně postupně translatovány za vzniku několika samostatných polypeptidů (viz Operonový model).

RNA polymeráza

Transkripci u bakterií zajišťuje jediná RNA polymeráza (na rozdíl od eukaryot), skládající se z 5 proteinových podjednotek, nazvaných α, β, β‘, ω a σ (často též nazývaná sigma faktor), přičemž α podjednotka je přítomna ve dvou kopiích. Sigma podjednotka slouží k rozpoznání promotoru a navázání enzymu k DNA při iniciaci transkripce a krátce po začátku syntézy RNA disociuje.

Iniciace transkripce

Aby mohla být zahájena syntéza RNA, musí dojít k rozpoznání sekvence nazývané promotor upstream od začátku přepisované oblasti. To se u bakterií děje pomocí sigma faktoru. Sigma faktor má u E. coli minimálně sedm známých variant(citace), z nichž nejčastější je σ⁷⁰ neboli RpoD. Ten se uplatňuje při transkripci většiny genů, existují však i sigma faktory rozeznávající jiné sekvence promotoru. Obvykle se jedná o geny podílející se na společné metabolické funkci nebo odpovědi na specifické podmínky prostředí. U bakterií se tak jedná o důležitý prvek regulace genové exprese prostřednictvím syntézy a degradace různých variant sigma faktoru.
Samotný promotor obsahuje dvě vysoce konzervované sekvence rozeznávané sigma faktorem, nazývané konsensus sekvence. Konkrétní sekvence v daném místě promotoru se může mírně lišit od konsensus sekvence, obvykle však platí, že čím více se jí blíží, tím silnější daný promotor je pro daný sigma faktor. Pro σ⁷⁰ se jedná o sekvenci TATAAT v pozici −10 neboli TATA box, neboli Pribnow box, a sekvenci TTGACA v pozici −35.
Po otevření transkripční bubliny oddělením obou řetězců DNA a syntéze krátkého řetězce (okolo 9 nukleotidů) dochází k disociaci sigma faktoru a dále transkripce pokračuje podobně jako u eukaryot.

Terminace transkripce

Terminaci transkripce u bakterií nejčastěji zajištuje specifická sekvence v nově syntetizované RNA. Obvykle se jedná o sekvenci bohatou na GC páry obsahující dvě invertované repetice oddělené nerepetitivním úsekem. Tato sekvence je v DNA následována krátkým řetězce opakujících se adenosinových bází (v RNA podmiňujících polyU sekvenci). Invertované repetice v nově vznikající RNA vzájemně párují a vytvářejí tak strukturu smyčky, což zastavuje postup transkripce. Díky slabé interakci A s U (oproti G a C) následně dochází k disociaci nově vzniklé molekuly RNA.
Jinou možností je u bakterií terminace prostřednictvím proteinu Rho (ρ). Ten rozeznává specifickou sekvenci v nově syntetizované RNA a následně se po ní pohybuje směrem ke komplexu RNA polymerázy, kde způsobuje disociaci polymerázy a RNA.

Odkazy

Související články

Zdroje

ŠTEFÁNEK, Jiří. Medicína, nemoci, studium na 1. LF UK [online]. [cit. 11.02.2010]. <http://www.stefajir.cz>.

ŠÍPEK, Antonín. Transkripce a posttranskripční úpravy [online]. [cit. 18.04.2010]. <http://www.genetika-biologie.cz/transkripce>.