Транскрипция на ДНК – синтез на иРНК

Транскрипция – представлява процес на „преписване” на информацията, която се съдържа в определен участък от ДНК молекулата, върху молекула РНК. Най-често транскрипционният продукт е информационна РНК (иРНК), която след това служи за матрица, разчитана от рибозомите при транслацията. По-рядко се транскрибират участъци от ДНК, кодиращи рибозомна или транспортна РНК.

Същност и значение на процеса транскрипция

РНК; автор на изобр.: Blausen.com staff. „Blausen gallery 2014“. Wikiversity Journal of Medicine. DOI:10.15347/wjm/2014.010. ISSN 20018762. – Own work; лиценз на изобр.: CC BY 3.0

Необходимостта от процеса транскрипция се обуславя от големите размери на ДНК молекулата, които ограничават локацията ѝ единствено в ядрото, а транслационният процес, чрез който се синтезират протеините, протича в клетъчния цитозол. Освен това рибозомите не разчитат кода на ДНК и затова е нужна молекула, която да изпълнява ролята на посредник, пренасяйки кода за аминокиселинните последователности, съдържаща се в ДНК, до структурите, осъществяващи протеиновия синтез. Именно затова РНК транскриптите са много подходящи за тази цел – те са точно информационно копие само на този участък от генома, който в дадения момент е нужно да се експресира.

При процеса транскрипция за матрица служи само част от едната ДНК верига и тя се означава като матрична верига, но всъщност полученият РНК транскрипт е копие на другата – наречена кодираща верига. Мономерите за изграждането на РНК  молекулите са рибонуклеотиди и тук, като при репликацията, се спазва комплементарността на азотните бази в нуклеотидите, но срещу аденин вместо тимин застава азотната база урацил. Подобно на репликацията и транслацията, транскрипционният процес протича в три етапа: инициация, елонгация и терминация.

Етапи на транскрипцията

Инициация

Мястото, обозначаващо началото на гена, който трябва да се транскрибира, се нарича промотор. Именно той служи като ориентир за главния ензим в процеса транскрипция – РНК полимераза. РНК полимеразата е голям ензим, като прокариотните организми имат само един вид от него, а при еукариотите са познати три разновидности на ензима. РНК полимераза I отговаря за синтеза на рибозомна РНК, тип II – за иРНК, а тип III катализира синтеза на тРНК и малките ядърцеви РНК.

Началото на етапа инициация се отбелязва от момента, в който РНК полимеразата и специфични протеини, наречени транскрипционни фактори, се свържат със съответния промотор. При прокариотите повечето гени, кодиращи протеини със свързани функции, се транскрибират заедно, а съвкупността от такива гени се нарича оперон. РНК полимеразата започва да разплита двойната спирала, разкъсвайки водородните връзки между базите от двете вериги на ДНК. Така участъкът от матричната ДНК верига, който носи дадения ген, става достъпен за презаписване върху РНК молекула.

РНК полимеразата присъединява рибонуклеотид, комплементарен на първия дезоксирибонуклеотид (начална точка на транскрипция) от презаписваната ДНК секвенция. Водородните връзки между дезоксирибонуклеотидите и рибонуклеотидите възникват спонтанно и започва формирането на комплекс от ДНК и РНК. РНК полимеразата катализира формирането на фосфодиестерната връзка между първия и втория рибонуклеотид и с това завършва инициацията на процеса транскрипция.

Елонгация

транскрипция – елонгация

РНК полимеразата продължава да присъединява рибонуклеотиди към растящата РНК молекула, разчитайки матричната ДНК верига в посока 3’-5’. Новосинтезираната РНК верига се изгражда, като рибонуклеотидите се добавят от 5’ към 3’ края. При прокариотите РНК полимеразата добавя средно по 42 – 54 нуклеотида в секунда, а в еукариотните клетки скоростта, с която работи ензимът, е доста по-ниска: 22 – 25 нуклеотида в секунда. Топозиомеразни ензими предотвратяват спирализацията на нарастващата РНК верига и матричаната ДНК верига, за да може транскрипцията да продължи безпрепятствено. Етапът елонгация приключва, когато РНК полимеразата стигне края на гена, който се презаписва върху РНК.

Терминация

Щом РНК полимеразата разпознае крайния участък от транскрибирания участък, наречен терминатор, ензимът прекратява движението си по ДНК матрицата. Съществуват известни различия в механизмите за терминиране на транскрипцията при прокариотни и еукариотни организми.

При прокариотите терминацията е два вида: Rho-независима и Rho-зависима. Терминаторът на транскрибирания ген има дълъг палиндромен участък – последователност от нуклеотиди, които са подредени така, че нуклеотидните бази от двата края на палиндрома да са взаимнокомплементарни.

При транскрибирането на такъв палиндром краят на получената РНК верига спонтанно се нагъва под действието на водородните връзки, които се формират между комплементарните азотни бази. Образува се т. нар. фуркетна бримка, която е сигнал за РНК полимеразата да преустанови транскрипционния процес при  Rho-независимата терминация. Обикновено след фуркетната бримка транскриптът съдържа много урацилови бази. Слабите водородни връзки на урацила от РНК молекулата с аденина от ДНК се разкъсват и РНК транскриптът се отделя от матричната верига.

транскрипция – терминация

При Rho-зависимата терминация протеинът Rho се свързва с РНК полимеразата и я отделя от ДНК матрица, както и опосредства разделянето на РНК веригата от ДНК матрицата. При еукариотите точните механизми на терминация все още не са изяснени докрай. Знае се, че терминацията при транскрипция на гени, кодиращи рРНК, много наподобява тези на Rho-зависимата терминация при прокариотите.

Когато се транскрибират гени за синтеза на тРНК, процесът завършва подобно на Rho-независимата прокариотна терминация. Най-сложен е този етап от процеса при транскрипцията на структурните гени, кодиращи протеини. В тези случаи терминацията се осъществява от специфични мултипротеинови комплекси. Тези протеини разпознават терминалните секвенции, свързват се с РНК транскрипта и го срязват на около 30 бази след терминатора. Подир това в 3’ края на иРНК веригата ензим, наречен полиаденилат полимераза, добавя стотици аденинови нуклеотиди. Този процес се нарича полиаденилиране, а наборът от множество аденозинмонофосфатни остатъци в края на РНК веригата се нарича поли-А опашка. Функцията на поли-А опашката е да предпазва РНК транскрипта от ензимно разграждане. След терминацията еукариотните иРНК преминават през процес, наречен зреене, за да станат годни да участват в транслацията след това.

Регулация на процеса транскрипция

Процесът ранскрипция е важен етап от генната експресия и затова е от голямо значение адекватната му регулация. От това кога, колко и кои гени се транскрибират зависи какви протеини ще се транслират, а оттам се повлиява сътоянието и функциите на целия организъм. При прокариотите регулацията кои гени да се транскрибират се осъществява основно на етап инициация и зависи най-вече от това дали са налице инхибиторни молекули, които да възпрепятстват началото на транскрипцията. В случай, че такива инхибитори липсват, РНК полимеразата може да се свърже с промотора на даден ген. Затова се счита, че нормалното състояние на прокариотния геном е достъпно за транскрибиране.

Инициацията на транскрипцията при бактерии се подпомага от активиращи протеини, наречени сигма фактори. Тези протеини подпомагат разпознаването на промотора от РНК полимеразата, докато инхибиторите блокират свързването им. При еукариотите регулацията на генната експресия се осъществява на различни нива.

Епигенетичният контрол действа на ниво кондензация на хроматина – по-хлабаво спирализираният около хистоните хроматин е по-достъпен за ензимите и транскрипционно активен. Модификацията на ДНК и хистоновите протеини също влияят на транскрипцията. При еукариотите инициацията се повлиява от активиращи (активатори) или потискащи (репресори) транскрипционни фактори. Докато активаторите привличат РНК полимеразата към промоторите на гените, репресорите пречат на това събитие директно или като блокират действието на активаторите.

Някои гени имат т. нар. енхансери – участъци от ДНК, разположени на сравнително големи разстояния от самия ген, които свързват активиращи протеини и така променят конформацията на ДНК молекулата по начин, благоприятстващ свързването на РНК полимеразата с промотора на дадения ген. Всякакви смущения в регулацията на процеса транскрипция могат да се окажат пагубни за клетката, а и за целия организъм. Например при много онкологични заболявания е установена потисната транскрипция на определени гени.