Eukariotska transkripcija

Eukariotska transkripcija je razrađen proces koji eukariotske ćelije koriste za kopiranje genetikih informacija pohranjenih u DNK u jedinice prenosive komplementarnih replica RNK .^[1] Transkripcija gena se dešava iu eukariotskim i prokariotskim ćelijama. Za razliku od prokariotske RNK-polimeraze koja pokreće transkripciju svih različitih tipova RNK, RNK-polimeraza kod eukariota (uključujući ljude) dolazi u tri varijacije, od kojih svaka prevodi različit tip gena. Eukariotska ćelija ima jedro koje razdvaja procese transkripcije i translacije. Eukariotska transkripcija se događa unutar jedra, gdje je DNK upakovana u nukleosome i strukture višeg reda, hromatin. Složenost eukariotskog genoma zahtijeva veliku raznolikost i složenost kontrole ekspresije gena.

Eukariotska transkripcija se odvija u tri uzastopne faze: inicijacija, elongacija i terminacija.^[1]

Transkribovane RNK služe različitim funkcijama. Naprimjer, strukturne komponente ribosoma se transkribiraju pomoću RNK-polimeraza I. Geni koji kodiraju proteine se transkribiraju pomoću RNK-polimeraza II u RNK-e za informatore (iRNK) koji prenose informacije od DNK do mjesta sinteze proteina.^[1] Obilnije su napravljene takozvane nekodirajuće RNK koje predstavljaju veliku većinu transkripcijske ekspresije ćelije.^[2] Ove nekodirajuće RNA obavljaju niz važnih ćelijskih funkcija.^[2]

RNK-polimeraza

Eukarioti imaju tri jedarne RNK-polimeraze, od kojih svaka ima različite uloge i svojstva.^[3]^[4]

Naziv	Lokacija	Proizvod
RNK-polimeraza I (Pol I, Pol A)	Jedarce	Veća ribosomska RNK (rRNK) (28S, 18S, 5.8S)
RNK-polimeraza II (Pol II, Pol B)	Jedro	glasnička RNK (iRNK), većina malih jedarnih RNK (snRNK), mala interferirajuća RNK (siRNK) i mikroRNK (miRNK).
RNK-polimeraza III (Pol III, Pol C)	Ćelijsko jedro (i možda interfejs nukleolus-nukleoplazma )	Transportna RNK (tRNK), druge male RNK (uključujući malu 5S ribosomsku RNK (5s rRNK), snRNK U6, RNK čestica prepoznavanja signala (SRP RNK) i druge stabilne kratke RNK

RNK-polimeraza I (Pol I) katalizira transkripciju svih rRNK gena osim 5S.^[3]^[4] Ovi rRNK geni su organizirani u jednu transkripcijsku jedinicu i transkribiraju se u kontinuirani transkript. Ovaj prekursor se zatim procesuira u tri rRNK: 18S, 5.8S i 28S. Transkripcija rRNK gena odvija se u specijalizovanoj jedarnoj strukturi zvanoj jedarce,^[5] gdje se transkribovane rRNK kombinuju sa proteinima da formiraju ribosome.^[6]

RNK-polimeraza II (Pol II) odgovorna je za transkripciju svih iRNK, nekih snRNK, siRNK i svih miRNK.^[3]^[4] Mnogi Pol II transkripti postoje prolazno kao pojedinačni lančane prekursorske RNK (pre-RNK) koje se dalje obrađuju kako bi se stvorile zrele RNK.^[1] Naprimjer, prekursorska iRNK (pre-iRNK) se intenzivno obrađuje prije izlaska u citoplazmu kroz jedarne pore za translaciju proteina.

RNK-polimeraza III (Pol III) transkribuje male nekodirajuće RNK, uključujući tRNK, 5S rRNK, U6 snRNK, SRP RNK i druge stabilne kratke RNK kao što je ribonukleazna P RNK.^[7]

RNK-polimeraze I, II i III sadrže 14, 12 i 17 podjedinica, redom.^[8] Sve tri eukariotske polimeraze imaju po pet osnovnih podjedinica koje pokazuju homologiju sa β, β’, α^I, α^II i ω podjedinicama RNK-polimeraze E. coli . Identičnu ω-sličnu podjedinicu (RBP6) koriste sve tri eukariotske polimeraze, dok iste α-slične podjedinice koriste Pol I i III. Tri eukariotske polimeraze dijele četiri druge zajedničke podjedinice među sobom. Preostale podjedinice su jedinstvene za svaku RNK-polimerazu. Dodatne podjedinice pronađene u Pol I i Pol III u odnosu na Pol II, homologne su transkripcijskim faktorima Pol II.^[8]

Kristalne strukture RNK-polimeraze I^[9] i II^[10] pružaju priliku da se razumiju interakcije među podjedinicama i molekulski mehanizam transkripcije eukariota u atomskim detaljima.

Karboksilni terminalni domen (CTD) RPB1, najveće podjedinice RNK-polimeraze II, ima važnu ulogu u spajanju mehanizma neophodnog za sintezu i preradu trsnskripata Pol II .^[11] Dug i strukturno poremećen, CTD sadrži više ponavljanja heptapeptidne sekvence YSPTSPS koja su podložna fosforilacija ma i drugim posttranslaciijskm modifikacijama tokom transkripcijskog ciklusa. Ove modifikacije i njihova regulacija predstavljaju operativni kod za CTD za kontrolu inicijacije, elongacije i terminacije transkripcije i za spajanje transkripcije i prerade RNK].^[11]

Inicijacija

Inicijacija transkripcije gena kod eukariota dešava se u specifičnim koracima.^[1] Prvo, RNA polimeraza zajedno sa općim transkripcijskim faktorom vezuje se za promotorsku regiju gena da formira zatvoreni kompleks koji se naziva preinicijacijski kompleks. Naknadni prijelaz kompleksa iz zatvorenog u otvoreno stanje rezultira topljenjem ili razdvajanjem dva lanca DNK i pozicioniranjem lanca šablona na aktivno mjesto RNK-polimeraza. Bez potrebe za prajmerom, RNK-polimeraza može pokrenuti sintezu novog lanca RNK koristeći šablon lanca DNK da vodi selekciju ribonukleotida i hemizam polimerizacija.^[1] Međutim, mnoge od započetih sinteza se prekidaju prije transkripata dostižu značajnu dužinu (~10 nukleotida). Tokom ovih abortivnih ciklusa, polimeraza nastavlja da stvara i otpušta kratke transkripte sve dok ne bude u stanju da proizvede transkript koji premašuje dužinu od deset nukleotida. Jednom kada se ovaj prag postigne, RNK-polimeraza prolazi promotor i transkripcija se nastavlja u fazu elongacije.^[1]

Elongacija

Nakon što pobjegne od promotora i odbaci većinu transkripcijskih faktora za inicijaciju, polimeraza dobija nove faktore za sljedeću fazu transkripcije: elongaciju.^[12]^[13] Elongacija transkripcije je procesivan proces. Dvolančana DNK koja ulazi sa prednje strane enzima se otkopčava da bi se iskoristila šablonska lanca za sintezu RNK. Za svaki DNK bazni par odvojen polimerazom koja napreduje, odmah se formira jedan hibridni RNA:DNK bazni par. DNK lanci i nastali lanac RNK izlaze iz odvojenih kanala; dva lanca DNK se ponovo ujedinjuju na zadnjem kraju transkripcionog mehurića dok jednolančana RNA izlazi sama.

Prerada RNK

Elongacija polimeraza povezana je sa skupom proteinskih faktora potrebnih za različite tipove prerade RNK.^[1] iRNK se zatvara čim izađe iz polimeraznog RNK-izlaznog kanala. Nakon zatvaranja, defosforilacija Ser-5 unutar CTD ponavljanja može biti odgovorna za disocijaciju mehanizma za zatvaranje. Dalja fosforilacija Ser-2 uzrokuje regrutaciju mehanizma za preradu RNK koja kataliziza uklanjanje nekodirajućih introna, da bi se stvorila zrela iRNK.^[1] U eukariotima alternativna prerada proširuje proteinske komplemente. Baš kao i kod 5'-kapiranja i prerade, CTD rep je uključen u regrutovanje enzima odgovornih za 3'-poliadenilaciju, konačni događaj prerade RNK koji je povezan sa transkripcijskom terminacijom.^[1]

Terminacija

Posljednja faza transkripcije je terminacija, koja dovodi do disocijacije kompletnog transkripta i oslobađanja RNK-polimeraze iz šablonske DNK. Proces se razlikuje za svaku od tri RNK-polimeraze.^[14] Mehanizam terminacije je najmanje shvaćen od tri faze transkripcije.

Ovisna o faktoru

Terminacija transkripcije gena pre-rRNK polimerazom Pol I izvodi sistem kojem je potreban specifični terminacijski faktor transkripcije.^[3] Korišteni mehanizam ima neke sličnosti sa rho-ovisnim terminacijom kod prokariota.^[15] Eukariotske ćelije sadrže stotine ribosomskih ponavljanja DNK, ponekad raspoređenih na više hromosoma. Termiknacija transkripcije dešava se u ribosomskom intergenskom razmaknom regionu koji sadrži nekoliko mjesta za završetak transkripcije uzvodno od mjesta za pauziranje Pol I. Kroz još nepoznat mehanizam, 3'-kraj transkripta se cijepa, stvarajući veliku primarnu molekulu rRNK koji se dalje prerađuje u zrele 18S, 5.8S i 28S rRNK.

Kako Pol II dostigne kraj gena, dva proteinska kompleksa nošena CTD, CPSF (faktor specifičnosti cijepanja i poliadenilacija) i CSTF (faktor stimulacije cijepanja), prepoznaju poli-A signal u transkribiranoj RNK.^[14] CPSF i CSTF vezani za poli-A regrutuju druge proteine da izvrše cijepanje RNK, a zatim poliadenilaciju. Poli-A polimeraza dodaje približno 200 adenina na cijepani 3’ kraj RNK bez šablona.^[14] Dugački poli-A rep je jedinstven za transkripte koje je napravio Pol II.

U procesu transkripcijske terminacije Pol I i Pol II, elongacijski kompleks se ne rastvara odmah nakon što se cijepa RNK. Polimeraza nastavlja da se kreće duž šablona, stvarajući drugu molekulu RNK, povezanu sa kompleksom elongacije.^[1] Predložena su dva modela, kako bi se objasnilo kako se konačno postiže prekid.^[14] Alosterni model navodi da kada transkripcija ide kroz terminaciju sekvence, to uzrokuje rastavljanje faktora elongacije i/ili skup terminacijskih faktora koji uzrokuju konformacijske promjene kompleksa elongacije.^[15]^[16] Model torpeda sugerira da 5' do 3' egzonukleaza razgrađuje drugu RNK dok ona izlazi iz elongacionog kompleksa. Polimeraza se oslobađa kada je visoko procesivna egzonukleaza preuzima. Predlaže se da će novi pogled izraziti spajanje ova dva modela.^[16]

Neovisna o faktoru

RNK-polimeraza III može efikasno prekinuti transkripciju bez uključivanja dodatnih faktora. Signal završetka Pol III sastoji se od dijela timina (na nešablonskom lancu) koji se nalazi unutar 40bp nizvodno od 3' kraja zrele RNK.^[14] Poly-T signal za terminaciju pauzira Pol III

Poređenje između prokariotske i eukariotske transkripcije

Eukariotska transkripcija je složenija od prokariotske transkripcije. Naprimjer, kod eukariota genetički materijal (DNK), a time i transkripcija, primarno je lokaliziran u jedru, gdje je odvojen od citoplazme (u kojoj se translatira) edarnom membranom. Ovo omogućava vremensku regulaciju ekspresija gena sekvestracijom RNK u jedru i omogućava selektivni transport zrelih RNK u citoplazmu. Bakterije nemaju jasno jedro koje odvaja DNK od ribosoma i iRNK se prevodi u protein čim se transkribuje. Spajanje između ova dva procesa pruža važan mehanizam za regulaciju prokariotskih gena.^[1]

Na nivou inicijacije, RNK-polimeraza u prokariotima (posebno bakterijama) snažno se vezuje za region promotora i pokreće visoku baznu stopu transkripcije. Nije potrebna hidroliza ATP-a za tranziciju od bliskog do otvorenog, topljenje promotora je vođeno reakcijama vezivanja koje favorizuju otopljenu konformaciju. Hromatin uveliko otežava transkripciju kod eukariota. Za inicijaciju specifičnu za promotor potrebno je sklapanje velikog multiproteinskog preinicijskog kompleksa. Topljenje promotora kod eukariota zahtijeva hidrolizu ATP-a. Kao rezultat toga, eukariotske RNK-polimeraze pokazuju nisku baznu brzinu transkripcijske inicijacije.

Također pogledajte

Reference

^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l Watson J, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M, Losik R, Harrison SC (2014). Molecular Biology of the Gene (7th izd.). Benjamin-Cummings Publishing Company. ISBN 978-0-321-76243-6.
^ ^a ^b Mattick JS (novembar 2001). "Non-coding RNAs: architects of eukaryotic complexity". EMBO Reports (11 izd.). 2: 986–91. doi:10.1093/embo-reports/kve230. PMC 1084129. PMID 11713189.
^ ^a ^b ^c ^d Lodish H, Berk A, Kaiser CA, Krieger M, Bretscher A, Ploegh H, Amon A, Scott MP (2. 5. 2012). Molecular cell biology (7th izd.). New York: W.H. Freeman and Co. ISBN 9781429234139.
^ ^a ^b ^c Cramer P, Armache KJ, Baumli S, Benkert S, Brueckner F, Buchen C, Damsma GE, Dengl S, Geiger SR, Jasiak AJ, Jawhari A, Jennebach S, Kamenski T, Kettenberger H, Kuhn CD, Lehmann E, Leike K, Sydow JF, Vannini A (2008). "Structure of eukaryotic RNA polymerases". Annual Review of Biophysics. 37: 337–52. doi:10.1146/annurev.biophys.37.032807.130008. hdl:11858/00-001M-0000-0015-7BF0-E. PMID 18573085. S2CID 8818814.
^ Sirri V, Urcuqui-Inchima S, Roussel P, Hernandez-Verdun D (januar 2008). "Nucleolus: the fascinating nuclear body". Histochemistry and Cell Biology. 129 (1): 13–31. doi:10.1007/s00418-007-0359-6. PMC 2137947. PMID 18046571.
^ Fromont-Racine M, Senger B, Saveanu C, Fasiolo F (august 2003). "Ribosome assembly in eukaryotes". Gene. 313: 17–42. doi:10.1016/S0378-1119(03)00629-2. PMID 12957375.
^ Dieci G, Fiorino G, Castelnuovo M, Teichmann M, Pagano A (decembar 2007). "The expanding RNA polymerase III transcriptome". Trends in Genetics. 23 (12): 614–22. doi:10.1016/j.tig.2007.09.001. PMID 17977614.
^ ^a ^b Carter R, Drouin G (maj 2010). "The increase in the number of subunits in eukaryotic RNA polymerase III relative to RNA polymerase II is due to the permanent recruitment of general transcription factors". Molecular Biology and Evolution. 27 (5): 1035–43. doi:10.1093/molbev/msp316. PMID 20026480.
^ Fernández-Tornero C, Moreno-Morcillo M, Rashid UJ, Taylor NM, Ruiz FM, Gruene T, Legrand P, Steuerwald U, Müller CW (oktobar 2013). "Crystal structure of the 14-subunit RNA polymerase I". Nature. 502 (7473): 644–9. Bibcode:2013Natur.502..644F. doi:10.1038/nature12636. PMID 24153184. S2CID 205235881.
^ Cramer P, Bushnell DA, Kornberg RD (juni 2001). "Structural basis of transcription: RNA polymerase II at 2.8 angstrom resolution" (PDF). Science. 292 (5523): 1863–76. Bibcode:2001Sci...292.1863C. doi:10.1126/science.1059493. hdl:11858/00-001M-0000-0015-8729-F. PMID 11313498. S2CID 4993438.
^ ^a ^b Corden JL (novembar 2013). "RNA polymerase II C-terminal domain: Tethering transcription to transcript and template". Chemical Reviews. 113 (11): 8423–55. doi:10.1021/cr400158h. PMC 3988834. PMID 24040939.
^ Pokholok DK, Hannett NM, Young RA (april 2002). "Exchange of RNA polymerase II initiation and elongation factors during gene expression in vivo". Molecular Cell. 9 (4): 799–809. doi:10.1016/S1097-2765(02)00502-6. PMID 11983171.
^ Wade JT, Struhl K (april 2008). "The transition from transcriptional initiation to elongation". Current Opinion in Genetics & Development. 18 (2): 130–6. doi:10.1016/j.gde.2007.12.008. PMC 2563432. PMID 18282700.
^ ^a ^b ^c ^d ^e Richard P, Manley JL (juni 2009). "Transcription termination by nuclear RNA polymerases". Genes & Development. 23 (11): 1247–69. doi:10.1101/gad.1792809. PMC 2763537. PMID 19487567.
^ ^a ^b Clancey S (2008). "DNA transcription". Nature Education. 1 (41). Pristupljeno 27. 11. 2013.
^ ^a ^b Rosonina E, Kaneko S, Manley JL (maj 2006). "Terminating the transcript: breaking up is hard to do". Genes & Development. 20 (9): 1050–6. doi:10.1101/gad.1431606. PMID 16651651.

Vanjski linkovi

Portal Biologija

[Watson-1] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g ^h ⁱ ^j ^k ^l Watson J, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M, Losik R, Harrison SC (2014). Molecular Biology of the Gene (7th izd.). Benjamin-Cummings Publishing Company. ISBN 978-0-321-76243-6.

[Mattick-2] Mattick JS (novembar 2001). "Non-coding RNAs: architects of eukaryotic complexity". EMBO Reports (11 izd.). 2: 986–91. doi:10.1093/embo-reports/kve230. PMC 1084129. PMID 11713189.

[Lodish_7th-3] Lodish H, Berk A, Kaiser CA, Krieger M, Bretscher A, Ploegh H, Amon A, Scott MP (2. 5. 2012). Molecular cell biology (7th izd.). New York: W.H. Freeman and Co. ISBN 9781429234139.

[Cramer-4] Cramer P, Armache KJ, Baumli S, Benkert S, Brueckner F, Buchen C, Damsma GE, Dengl S, Geiger SR, Jasiak AJ, Jawhari A, Jennebach S, Kamenski T, Kettenberger H, Kuhn CD, Lehmann E, Leike K, Sydow JF, Vannini A (2008). "Structure of eukaryotic RNA polymerases". Annual Review of Biophysics. 37: 337–52. doi:10.1146/annurev.biophys.37.032807.130008. hdl:11858/00-001M-0000-0015-7BF0-E. PMID 18573085. S2CID 8818814.

[5] Sirri V, Urcuqui-Inchima S, Roussel P, Hernandez-Verdun D (januar 2008). "Nucleolus: the fascinating nuclear body". Histochemistry and Cell Biology. 129 (1): 13–31. doi:10.1007/s00418-007-0359-6. PMC 2137947. PMID 18046571.

[6] Fromont-Racine M, Senger B, Saveanu C, Fasiolo F (august 2003). "Ribosome assembly in eukaryotes". Gene. 313: 17–42. doi:10.1016/S0378-1119(03)00629-2. PMID 12957375.

[7] Dieci G, Fiorino G, Castelnuovo M, Teichmann M, Pagano A (decembar 2007). "The expanding RNA polymerase III transcriptome". Trends in Genetics. 23 (12): 614–22. doi:10.1016/j.tig.2007.09.001. PMID 17977614.

[Carter-8] Carter R, Drouin G (maj 2010). "The increase in the number of subunits in eukaryotic RNA polymerase III relative to RNA polymerase II is due to the permanent recruitment of general transcription factors". Molecular Biology and Evolution. 27 (5): 1035–43. doi:10.1093/molbev/msp316. PMID 20026480.

[9] Fernández-Tornero C, Moreno-Morcillo M, Rashid UJ, Taylor NM, Ruiz FM, Gruene T, Legrand P, Steuerwald U, Müller CW (oktobar 2013). "Crystal structure of the 14-subunit RNA polymerase I". Nature. 502 (7473): 644–9. Bibcode:2013Natur.502..644F. doi:10.1038/nature12636. PMID 24153184. S2CID 205235881.

[10] Cramer P, Bushnell DA, Kornberg RD (juni 2001). "Structural basis of transcription: RNA polymerase II at 2.8 angstrom resolution" (PDF). Science. 292 (5523): 1863–76. Bibcode:2001Sci...292.1863C. doi:10.1126/science.1059493. hdl:11858/00-001M-0000-0015-8729-F. PMID 11313498. S2CID 4993438.

[corden-11] Corden JL (novembar 2013). "RNA polymerase II C-terminal domain: Tethering transcription to transcript and template". Chemical Reviews. 113 (11): 8423–55. doi:10.1021/cr400158h. PMC 3988834. PMID 24040939.

[12] Pokholok DK, Hannett NM, Young RA (april 2002). "Exchange of RNA polymerase II initiation and elongation factors during gene expression in vivo". Molecular Cell. 9 (4): 799–809. doi:10.1016/S1097-2765(02)00502-6. PMID 11983171.

[13] Wade JT, Struhl K (april 2008). "The transition from transcriptional initiation to elongation". Current Opinion in Genetics & Development. 18 (2): 130–6. doi:10.1016/j.gde.2007.12.008. PMC 2563432. PMID 18282700.

[Richard_rnap-14] Richard P, Manley JL (juni 2009). "Transcription termination by nuclear RNA polymerases". Genes & Development. 23 (11): 1247–69. doi:10.1101/gad.1792809. PMC 2763537. PMID 19487567.

[Suz-nature-15] Clancey S (2008). "DNA transcription". Nature Education. 1 (41). Pristupljeno 27. 11. 2013.

[RNAPII-16] Rosonina E, Kaneko S, Manley JL (maj 2006). "Terminating the transcript: breaking up is hard to do". Genes & Development. 20 (9): 1050–6. doi:10.1101/gad.1431606. PMID 16651651.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]