14.5. A prokarióta és eukarióta transzkripció összevetése

A prokariótákban az éppen keletkező mRNS máris végleges formának számít, és azonnal részt is vesz a transzlációban (a transzkripció és a transzláció kapcsolt). Az eukarióták mRNS-e ezzel szemben egy elsődleges átirat, pre-RNS (hívják naszcens vagy heteronukleáris, hnRNS-nek is) formájában keletkezik a sejtmagban, és egy sor fontos átalakuláson, processzáláson megy keresztül, mielőtt érett mRNS-ként a sejtplazmába szállítódik (lásd később) (lásd 14.11. ábra).

14.11. ábra: A prokarióta és eukarióta transzkripció összehasonlítása

14.11. ábra: A prokarióta és eukarióta transzkripció összehasonlítása

Az eukariótákban legalább háromféle RNS-polimeráz működik (RNS-polimeráz I, II, III), külön a riboszómális rRNS, hírvivő mRNS és a szállító tRNS-ek számára. Ezek alaptulajdonságait a 14.2. táblázat foglalja össze.

14.2. táblázat: Eukarióta RNS-polimerázok

14.2. táblázat: Eukarióta RNS-polimerázok

Arra, hogy egynél többféle RNS-polimeráz működik az eukarióta sejtekben a gyilkos galóca méreganyaga, az α-amanitin vizsgálata kapcsán derült fény. Ez a méreg alacsony koncentrációban leállította az mRNS-ek és a kis magi RNS-ek szintézisét, miközben az összes többi RNS tovább keletkezett. Ez jelezte, hogy legalább kétféle RNS-polimeráz működik a sejtben. Magasabb koncentrációban alkalmazva az α-amanitint az előző RNS-eken felül a transzfer RNS-ek és az 5S riboszómális RNS keletkezése is leállt, míg a riboszómális RNS keletkezése folytatódott. Ez jelezte, hogy legalább három eltérő RNS-polimeráz van a sejtben. Az egyik nagy affinitással (alacsony disszociációs állandóval) köti az α-amanitint, a másik alacsony affinitással köti, a harmadik nem köti. Ez a kísérlet ragyogó példa arra, hogyan lehet egy komplex rendszerben működő alrendszerek létét szelektív gátlószerekkel feltárni. Hasonló elven ismerték fel egyes hormonok esetében, hogy többféle rokon receptoron keresztül hatnak.

A 14.2. táblázat alapján látható, a legtöbb eukarióta gént az RNS-polimeráz II enzim írja át. Mielőtt az RNS-polimeráz II működését részleteiben áttekintenénk, nagy általánosságban vizsgáljuk meg a prokarióta és az eukarióta mRNS-ek keletkezésének szabályozását, a kétféle szabályozás fő eltéréseit.

14.5.1. Fő különbségek a prokarióta és az eukarióta mRNS keletkezésének szabályozásában

A prokarióták egyetlen RNS-polimeráza a megfelelő σ-alegységgel ellátva tökéletesen aktív, képes a megfelelő promóterekhez kötődve elindítani, és elvégezni a transzkripció folyamatát.

Amint azt a Génexpresszió szabályozása fejezetben tárgyaljuk majd (lásd 18.2. fejezet), a prokarióták esetében emiatt a legtöbb szabályozott gén promóteréhez valamilyen specifikus represszor fehérje kötődik, megakadályozva a transzkripciót, azaz a gének kikapcsolt állapotban vannak.

A prokarióta mRNS-ek zömepolicisztronos, ami azt jelenti, hogy az mRNS egyszerre több fehérje információját kódolja. Ezek a fehérjék rendszerint ugyanabban a folyamatban vesznek részt, tehát funkcionális egységet alkotnak. A prokarióta transzkripció szabályozása során tehát egy-egy represszor több fehérje keletkezésének egyidejű szabályozását végzi (lásd a 18.2. fejezetben ismertetett operon-modellt).

Ahhoz, hogy a σ-alegységgel ellátott RNS-polimeráz átírja a fehérjék génjét, meg kell szüntetni a repressziós hatást. Mivel a prokarióta gének száma viszonylag alacsony, és mivel a prokarióta mRNS-ek zöme policisztronos, viszonylag kevés represszor fehérje elegendő ehhez a sémához.

Az eukarióták esetében éppen ellentétes a helyzet. Az eukarióta mRNS-ek monocisztronosak, tehát ahány fehérje termék van, annyi mRNS kell, hogy keletkezzen. Belátható, hogy egy ilyen rendszerben hatalmas számú represszor fehérjére lenne szükség. Ráadásul a többsejtű eukarióták működésének a szabályozása jóval összetettebb, 1-1 nem kellően represszált gén óriási problémákat okozhatna.

Ennek megfelelően az eukarióta transzkripció szabályozása alapvetően nem az „aktív enzim – sok represszor” sémán alapul. Az eukarióta RNS-polimeráz önmagában praktikusan inaktív (nem tud kötődni a promóterhez). A prokarióta σ-faktor helyett általános transzkripciós faktor (general transciption factor, GTF) fehérjék serege kell a preiniciációs komplex létrejöttéhez.

Ugyanakkor még ez a hatalmas, a riboszóma méretét is meghaladó komplex is csak nagyon ritkán képes önmagában elindítani a transzkripciót. Az alapszintű, „bazális” transzkripció szintje alacsony. A megfelelő szintű transzkripcióhoz a preiniciációs komplexet aktiválni kell. Az aktiválást fehérje-fehérje kölcsönhatásokon keresztül transzkripciós faktorok, aktivátorok végzik.

A transzkripciós aktivátorok elsősorban egy hatalmas fehérje komplexen, a Mediátoron keresztül kommunikálnak az RNS-polimeráz II enzimmel. Ez a Mediátor-komplex közvetlenül kötődik a preiniciációs komplexhez, és közvetíti az aktivátorok (és represszorok) hatását.

Az eddig feltárt működési mechanizmusok már képesek magyarázatot adni arra, hogyan lehetséges, hogy egy többsejtű szervezet különböző sejtjeiben szövetspecifikus, illetve fejlődési fázis specifikus módon eltérő gének transzkripciója valósul meg annak ellenére, hogy minden sejt (leszámítva az immunrendszer egyes speciális sejtjeit) tökéletesen azonos genommal rendelkezik.

Ugyanakkor a részletek tekintetében még ma is rengeteg a nyitott kérdés, az eukarióta transzkripció pontos mechanizmusának, és szabályozásának feltárása a mai napig intenzíven kutatott terület.