14. fejezet - Transzkripció (RNS szintézis)

Tartalom

14.1. A transzkripció és a replikáció hasonló vonásai
14.2. A prokarióta RNS-polimeráz, a prokarióta transzkripció iniciációs fázisa
14.3. A transzkripció elongációs fázisa
14.4. A transzkripció terminációs fázisa
14.5. A prokarióta és eukarióta transzkripció összevetése
14.5.1. Fő különbségek a prokarióta és az eukarióta mRNS keletkezésének szabályozásában
14.6. Az eukarióta RNS-polimeráz II működése
14.6.1. Az eukarióta RNS-polimeráz II és a preiniciációs komplex
14.7. Transzkripció gátlószerei
14.8. Az eukarióta gének mozaikos felépítése
14.9. Splicing mechanizmusok
14.9.1. Az I. és II. csoport, az önhasító intronok (self-splicing)
14.9.2. A III. csoport és a spliceoszómák
14.10. Az alternatív splicing
14.11. Az eukarióta mRNS 5’-végének processzálása
14.12. Az eukarióta mRNS 3’ végének processzálása
14.13. A riboszómális RNS-ek érése prokariótákban és eukariótákban
14.14. A tRNS-ek érése prokariótákban és eukariótákban

(szerző: Pál Gábor)

Francis Crick „centrális dogmájának” egyik folyamatát, a replikációt már tárgyaltuk. Ha az élőlényt egy roppant összetett óriás gyárnak tekintenénk, akkor a hasonlatban a DNS egy, a gyáron belül tárolt hatalmas könyvtár lehetne, amely tartalmazná a gyár létrehozásához és üzemeltetéséhez szükséges összes információt. Ezt a könyvtárat hozza újra meg újra létre a replikáció, amikor az új könyvtár körül egy-egy új gyárat kell létrehozni.

A gyár létrehozása és üzemeltetése során különböző eszközöket kell létrehozni, amihez tervrajzra van szükség. A könyvtárból azonban nem lehet az eredeti tervrajzot kivinni, nagy baj lenne, ha az megsérülne. Ugyanakkor megengedett az egyes részek kimásolása. Ebben a hasonlatban a transzkripcióról úgy gondolkodhatunk, mint egy olyan folyamatról, amelyben egy-egy ilyen eszköz tervrajzát másoljuk ki a könyvtárból. Ezek a tervrajz másolatok azután sok azonos eszköz létrejöttéhez felhasználhatók, mielőtt tönkremennének, vagy kidobásra kerülnének.

A hasonlatban a tervrajz másolat természetesen az mRNS. Más tervrajz másolatokról kiderül majd, hogy azok már maguk is eszközök (lásd transzfer RNS, riboszómális RNS stb.).

A replikáció folyamatának feltárása tisztázta az örökletes tulajdonságok megőrzésének és utódokba való továbbításának elvét, de nem mutatta meg, hogy ezek a tulajdonságok hogyan fejeződnek ki.

A DNS-ben tárolt információ kifejeződése, más néven a génexpresszió első lépéseként a DNS-ben dezoxiribonukleotidok sorrendjeként tárolt információ RNS molekulákba íródik át.

Ez a folyamat a transzkripció (átírás). A név találó, mert valóban egyfajta átírásról van szó, ahol egyik betűtípusról áttérünk egy másikra. Az így keletkező RNS átiratban az információ továbbra is nukleotid bázisok lineáris sorrendjeként van jelen, bár itt a cukor dezoxiribóz helyett ribóz, és az egyik bázis, a timin helyett itt uracil szerepel.

Mint látni fogjuk, az RNS-ben tárolt információ fehérjébe fordítása sokkal összetettebb folyamat, ami joggal érdemelte ki a transzláció (fordítás) elnevezést, hiszen ebben a négybetűs nukleinsav nyelvről áttérünk egy húszbetűs fehérjenyelvre (lásd 14.1. ábra).

A később tárgyalandó transzláció folyamatában számos RNS-féleség szerepel (mRNS, tRNS, rRNS). Ezek mind a transzkripció során keletkeznek a DNS-ben tárolt génjük alapján.

A transzkripció tehát nem csak az mRNS keletkezésének folyamatát jelenti, hanem az összes RNS-ét, a fent említetteken felül beleértve azokat az RNS molekulákat is, amik valamilyen – sokszor még nem kellően ismert – szabályozó szereppel bírnak.

A fehérjéket kódoló DNS szakaszok, vagyis a fehérjegének esetében vezettek be egy nevezéktant, amit sajnos nem konzekvensen használ az irodalom.

Az mRNS-ek DNS templát alapján szintetizálódnak. Ennek megfelelően egy-egy gén esetében mindig van egy templát szál. A templát szál komplementere lesz az mRNS (lásd 14.1. ábra). Ezáltal az mRNS és a templáttal szembeni komplementer DNS szál szekvenciája hasonló lesz. Emiatt a templáttal szembeni, azzal komplementer szálat szokták „értelmes” (sense) szálnak, míg a templát szálat „értelmetlen” (nonsense) szálnak nevezni.

Ezek a kifejezések adott esetben segíthetnek egyértelműen megnevezni, hogy egy gén esetén a DNS melyik száláról beszélünk. Csakhogy elterjedt egy másik elnevezéspár is, amely szerint az egyik szál a kódoló, a másik a nemkódoló szál. Nos, ez ügyben az irodalom már nem konzekvens, van aki a templát szálat nevezi kódolónak, hiszen az olvasódik le, más pedig az azzal komplementer szálat, mivel azon szerepel az „értelmes” szöveg.

Ebben a könyvben a kódoló-nemkódoló kifejezéspár használatától emiatt tartózkodunk.

14.1. ábra: A DNS-ben, RNS-ben és polipeptidláncban tárolt információ viszonya. A DNS baloldali lánca az „értelmes” szál, a jobb oldali a templát vagy „értelmetlen” szál. Az aminosav egységeket mRNS bázishármasok (kodonok) kódolják,

14.1. ábra: A DNS-ben, RNS-ben és polipeptidláncban tárolt információ viszonya. A DNS baloldali lánca az „értelmes” szál, a jobb oldali a templát vagy „értelmetlen” szál. Az aminosav egységeket mRNS bázishármasok (kodonok) kódolják,

Mivel a replikáció és a transzkripció egyaránt templát alapú nukleinsav szintézist jelent, ezért sok a hasonlóság a két folyamat között. Ugyanakkor a már említett eltérő funkciók miatt az eltérések is számosak. Vegyük sorra a hasonlóságokat és eltéréseket.

14.1. A transzkripció és a replikáció hasonló vonásai

Az első lényeges hasonlóság hogy mindkét folyamat DNS templát alapján zajlik. A másik jellegzetes hasonlóság, hogy a két folyamat alapvető kémiai mechanizmus is azonos, csak amíg a replikáció során a láncba beépülő monomerek dNTP típusú molekulákból származtak, a ribóz alapú RNS esetén a monomereket NTP vegyületek szolgáltatják. Ettől eltekintve a monomerek egyenkénti összekapcsolásának az elve is azonos: (NMP)n + NTP → (NMP)n+1 + PPi.

Az azonos sémából következően a folyamathoz szükséges energiát a transzkripció esetében is a „nagyenergiájú” (makroerg) nukleozid-trifoszfát szubsztrátok szolgáltatják (az egyikük az univerzális energiavaluta, az ATP) a beépülésük során bekövetkező átalakulásuk által.

A transzkripció esetében az RNS molekulák 5’→3’ irányban növekednek, vagyis a szintézis iránya is megegyező a két folyamatban. Végül, ahogy a replikáció, úgy a transzkripció is három elkülöníthető fázisban: iniciáció, elongáció, termináció megy végbe.

Vannak azonban fontos különbségek is a két folyamat között. Míg a DNS szintézishez az azt katalizáló enzimnek primerre volt szükség, úgy az RNS lánc szintézisét katalizáló RNS-polimerázok nem igényelnek primert, az új RNS láncot az első nukleotid egységtől kezdve maguk hozzák létre. Ezzel a ténnyel már a replikáció során is találkoztunk, hiszen láttuk, hogy a replikáció során a DNS-szintézishez szükséges primert DNS-függő RNS-polimerázok hozzák létre.

Egy másik fontos különbség, amit a hasonlatként említett könyvtár modellben már említettünk, hogy a transzkripció során a DNS-ben tárolt információnak általában csak egy része, például csak egy vagy néhány fehérjére vonatkozó információ másolódik ki egyszerre. Egy további különbség, hogy míg a replikáció során mind a két DNS szál egy időben templátként szolgál, addig egy-egy gén tekintetében az átíródó RNS számára mindig csak az egyik szál a templát.