Transkriptio: DNA:sta RNA:ksi — prosessi, vaiheet ja merkitys

Transkriptio: DNA→RNA — selkeä opas prosessiin, vaiheisiin ja merkitykseen. Ymmärrä RNA-polymeraasin toiminta, esivälittäjä-RNA, spleisaus ja mRNA:n rooli geenien ilmentymisessä.

Transkriptio on prosessi, jossa DNA:sta tehdään RNA:ta. Tieto kopioidaan yhdeltä nukleiinihappomolekyyliltä toiselle: erityinen entsyymi, RNA-polymeraasi, luo DNA-sekvenssin perusteella sitä vastaavan RNA-juosteen.

"Kaikki elävät olennot lukemattomine variaatioineen käyttävät lähes samanlaista mikroskooppista laitetta geeniensä lukemiseen. Tämä kone - RNA-polymeraasi - vastaa transkriptioksi kutsutusta prosessista, joka tuottamalla DNA:sta RNA:ta ottaa ensimmäisen askeleen kaikkien geeniemme koodaaman elämän suunnitelman lukemisessa."

Ensimmäisenä syntyvä RNA-juoste on usein esiaste-RNA (pre-mRNA) eli "esivälittäjä-RNA". Eukaryooteissa pre-mRNA:sta poistetaan ei-koodaavat intronit spliceosomin avulla. Jäljelle jäävät eksonit yhdistetään ja muodostuu valmis sanansaattaja-RNA (mRNA), joka kuljettaa geneettisen viestin DNA:lta solun proteiineja valmistavalle koneistolle. Transkriptio on näin ollen ensimmäinen keskeinen vaihe, joka johtaa geenien ilmentymiseen.

Transkriptioyksikkö ja sen osat

RNA-molekyyliksi transkriboitua DNA:n aluetta kutsutaan transkriptioyksiköksi. Se sisältää useita eri sekvenssejä ja rakenteita:

1. sekvenssit, jotka säätelevät proteiinisynteesiä — esimerkiksi promoottori, tehostajat (enhancers), hiljentäjät (silencers) ja muut säätelyelementit;
2. sekvenssit, jotka eivät koodaa: intronit, jotka poistetaan vaihtoehtoisen silmukoinnin (alternative splicing) ja silmukoivan koneiston avulla;
3. sekvenssit, jotka koodaavat proteiinin aminohapposekvenssejä: eksoneiksi kutsutut osat;

Transkriptioyksikköön kuuluu usein myös 5' ja 3' UTR-alueet (koodaamattomat säikeet), jotka säätelevät translaation tehokkuutta ja mRNA:n vakauden.

Templaatti- ja koodaava säie

Kuten DNA:n replikaatiossa, transkriptiossa vain toinen kahdesta DNA-juosteesta palvelee mallina. Tätä säiettä kutsutaan templaattisäikeeksi, koska se tarjoaa mallin RNA-transkriptin nukleotidien järjestystä varten. Toista säiettä kutsutaan koodaavaksi säikeeksi; sen sekvenssi vastaa äskettäin syntyneen RNA-transkriptin sekvenssiä, paitsi että urasiili korvaa tymiinin RNA:ssa.

Transkription vaiheet

Perusvaiheet ovat iniciatio (aloitus), elongaatio (pidentyminen) ja terminatio (lopetus):

• Initiatio: RNA-polymeraasi ja tarvittavat tekijät sitoutuvat promoottoriin ja avaavat DNA-kaksoiskierteen. Eukaryooteilla transkriptiota säätelevät samanaikaisesti lukuisat transkriptiotekijät ja kromatiinin rakenne; bakteereilla sigma-tekijä ohjaa polymeraasia oikeaan paikkaan.
• Elongaatio: RNA-polymeraasi lukee templaattisäikeen 3'→5'-suunnassa ja rakentaa uutta RNA-juostetta 5'→3'-suuntaan lisäämällä nukleotideja terminaali 3'-hydroksyyliryhmään. Polymeraasin eteneminen kopioi DNA:n järjestyksen RNA:ksi.
• Terminatio: Kun polymeraasi kohtaa terminointisignaalin tai vastaavan rakenteen (eri mekanismit eukaryooteilla ja prokaryooteilla), transkriptio lopetetaan ja RNA irtoaa polymeraasista.

RNA-polymeraasi sitoutuu DNA:n mallijuosteessa olevan geenin (promoottorin) läheisyyteen ja aloittaa luennan templaattisäikeeltä; se etenee mallisuunnan mukaisesti lukien 3'→5' ja synteesaten RNA:ta 5'→3' -suuntaan.

Lisämuokkaukset ja laatuvalvonta eukaryooteilla

Eukaryooteilla transkriptioon liittyy useita jälkimuokkauksia ennen kuin mRNA on valmis siirtymään sytoplasmaan:

• 5' kapin (7-metyyliguaniinikaappaus) liittäminen, joka suojaa mRNA:ta hajotukselta ja auttaa translaation käynnistämisessä;
• eksonien liittäminen spliceosomin välityksellä (silmuointi), mikä mahdollistaa myös vaihtoehtoisen silmukoinnin ja erilaiset proteiini-isoformit;
• 3' polyadenylaatioketjun lisääminen (poly-A-häntä), joka vaikuttaa mRNA:n vakauteen ja kuljetukseen.

Monimuotoisuus ja säätely

Transkriptiota säädellään monitasoisesti: promoottoreihin, tehostajiin ja transkriptiotekijöihin liittyvät muutokset, kromatiinin rakenne (histonien modifikaatiot ja DNA-metylaatio) sekä ei-koodaavat RNA:t (kuten miRNA) vaikuttavat siihen, mitkä geenit luetaan milläkin hetkellä ja solutyypissä. Vaihtoehtoinen silmukointi lisää proteiinien monimuotoisuutta ilman, että DNA:n perusjärjestystä muutetaan.

Erot prokaryoottien ja eukaryoottien välillä

• Prokaryooteilla transkriptio ja translaatio voivat tapahtua samanaikaisesti solulimassa, ja niillä on yleensä yksi tyyppi RNA-polymeraasia, jota ohjaa sigma-tekijä.
• Eukaryooteilla transkriptio tapahtuu tumassa, transkriptiotuotteet käsitellään (kappaus, silmukointi, polyadenylaatio) ja useita erilaisia RNA-polymeraaseja (RNA-pol I, II ja III) on erikoistunut eri RNA-tyyppien synteesiin (esim. mRNA, rRNA, tRNA).

Merkitys ja sovellukset

Transkriptio on keskeinen askel geeni-ilmentymisessä ja siten solun toiminnan kannalta elintärkeä. Häiriöt transkription säätelyssä voivat johtaa sairauksiin, kuten syöpään tai geneettisiin häiriöihin. Transkriptiota hyödyntävät myös monet laboratoriomenetelmät ja sovellukset: esimerkiksi RT-PCR (käänteistranskriptio-polymeraasiketjureaktio) muuntaa RNA:n takaisin DNA:ksi analyysiä varten, ja transkription estäjiä käytetään tutkimuksessa ja lääketieteessä (esim. metyylitransferaasien tai RNA-polymeraasien estäjät). Lisäksi Nobel-palkinnot ja laajat rakenteelliset tutkimukset (kuten Roger D. Kornbergin työ) ovat selkeyttäneet transkription molekyylimekanismeja ja auttaneet ymmärtämään geenien säätelyä syvällisesti.

Roger D. Kornberg sai vuoden 2006 kemian Nobel-palkinnon "tutkimuksistaan eukaryoottisen transkription molekyyliperustasta".

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on transkriptio?

K: Mitä transkriptiossa syntyneestä yhteensopivasta RNA-juosteesta tulee?

K: Mitä pre-messenger-RNA:lle tapahtuu sen valmistumisen jälkeen?

K: Mitä mRNA tekee?

K: Mikä on transkription yksikkö?

K: Mistä DNA-juosteesta mRNA luetaan transkription aikana?

Kysymys: Kuka sai eukaryoottiseen transkriptioon liittyvän Nobelin kemian palkinnon vuonna 2006?

Hae kirjaimella