Information

2: DNA-Polymerase, RNA-Polymerase, Transkription - Biologie

2: DNA-Polymerase, RNA-Polymerase, Transkription - Biologie


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Vergleichen und kontrastieren Sie bakterielle DNA-Polymerasen und RNA-Polymerasen

Hinweis: ss=Einzelstrang ds=Doppelstrang P=Phosphat

Überblick:

DNA-Polymerasen synthetisieren komplementäre DNA unter Verwendung eines DNA-Templates/-Leitfadens

___________________DNA

Beispiel: ssDNA-Matrizenbasensequenz: A T A G G C

Komplementäre DNA-Sequenz T A T C C G DNA

synthetisiert durch DNA-Polymerase

RNA-Polymerasen synthetisieren komplementäre RNA-Sequenzen unter Verwendung von DNA als Vorlage/Leitfaden

___________________DNA

Beispiel: ssDNA-Matrizenbasensequenz: A T A G G C

Komplementäre RNA-Sequenz U A U C C G RNA

synthetisiert durch RNA-Polymerase

Die Synthese von DNA und RNA erfordert die Zufuhr von Energie, sowohl von ATP als auch von geladenen Vorläufern (siehe unten)

------------------------------------------------------------------------------------------------------------

DNA-Polymerase RNA-Polymerase

Schablone/Leitfaden ss DNA ssDNA

Komplementäre DNA synthetisieren komplementäre RNA

Geladene Vorstufen Desoxyadenosin tri-P= dATP Adenosin tri-P= ATP

Desoxythymidin tri-P=dTTP Uridin tri-P=UTP

Desoxycytodin tri-P= dCTP Cytodin tri-P=CTP

Desoxyguanosin tri-P=dGTP Guanosin tri-P=GTP

Grundierung erforderlich? ja Nein

Korrekturlesen/Lektorat? Ja Nein

-------------------------------------------------------------------------------------------------

*DNA-Polymerase-Korrekturlesen/Bearbeiten

Polymerasen haben eine „normale“ oder „intrinsische“ Fehlerrate von ca.

10 -4 – 10 -5 Nukleotide (das bedeutet, dass die Polymerasen alle 10.000 bis 100.000 Nukleotide das falsche Nukleotid einführen). DNA-Polymerasen haben die Fähigkeit, ihre Fehler „korrekturzulesen und zu bearbeiten“. Wenn sie das falsche Nukleotid einführen, können sie das falsche Nukleotid entfernen oder „ausschneiden“ und erneut versuchen, eine korrekte Übereinstimmung herzustellen. Dies reduziert die Fehlerrate von DNA-Polymerasen auf ca. 10-9 – 10 -10 (oder nur ein falsches Nukleotid alle 1.000.000.000 – 10.000.000.000 Nukleotide). RNA-Polymerase kann ihre Arbeit nicht Korrektur lesen oder bearbeiten, daher macht RNA-Polymerase viele Fehler (ein Grund, warum viele RNA-Viren, zum Beispiel HIV, so schnell mutieren…..mehr später)

Transkription Prokaryotischer wiederholter Abschnitt

Überprüfen Sie den Informationsfluss in der Zelle

DNA--------> RNA ---------> Protein

Reproduzieren Transkription Übersetzung

ICH. Genetischer Code: Eins-zu-eins-Beziehung zwischen spezifischem Codon (spezifische 3-Basen-Sequenz) und einer Aminosäure

II. Transkription: Verwendung von DNA als Matrize/Leitfaden zur Synthese komplementärer RNA. DNA-Info wird in RNA-Sequenz umgeschrieben.

A. Erster Schritt bei der Genexpression

B. Transkriptionsprodukte

1. Boten-RNA=mRNA: wird in eine spezifische Aminosäuresequenz eines Proteins übersetzt

2. Transfer-RNA=tRNA: eigentliches „Übersetzer“-Molekül, erkennt sowohl ein spezifisches Codon als auch eine spezifische Aminosäure

3. ribosomale RNA=rRNA: bildet zusammen mit ribosomalen Proteinen das Ribosom, die „Werkbank“, an der mRNA in eine bestimmte Aminosäuresequenz/Polypeptid/Protein übersetzt wird

III. Promotoren und RNA-Polymerasen

A. Veranstalter: spezifische DNA-Sequenzen, die die „Start“-Punkte für die Gentranskription signalisieren. Sigma-Faktor/Untereinheit der RNA-Polymerase bindet an Promotoren, um die Transkription zu initiieren

B. RNA-Polymerasen: Enzymkomplex, der DNA-Promotoren erkennt, an den Promotor bindet und komplementäre RNA-Kopie unter Verwendung von DNA als Matrize/Leitfaden synthetisiert

E coli RNA-Polymerase: 2 Untereinheiten, Sigma-Untereinheit und Kern

A. Sigma-Untereinheit/Faktor= „Gehirne“ der RNA-Polymerase. Reist entlang der DNA, bis sie einen Promotor erreicht, bindet den Promotor

B. Kernuntereinheit: bindet an Sigma, das am Promotor befestigt ist. „Arbeitspferd“ der RNA-Polymerase, führt die eigentliche RNA-Synthese durch. Erfordert aktivierte Vorläufer und Template-Strang, ERFORDERT KEINE PRIMER (vergleiche mit DNA-Polymerase). Synthetisiert RNA in 5’ -zu->3’ , ähnlich der DNA-Polymerase. Keine Fähigkeit zum Korrekturlesen macht daher mehr Fehler als DNA-Polymerase

C. sigma-Untereinheit wird abfallen, nachdem die ersten paar Ribonukleotide miteinander verbunden wurden, der Kern läuft allein weiter. Hinweis: Der Kern würde die Transkription der DNA zufällig ohne Richtung der Sigma-Untereinheit starten. Polycistronische mRNA (nur prok.)

NS. Abbruch der Transkription

Terminatoren: DNA-Sequenzen, die Transkriptionsstoppsignale signalisieren. RNA-Polymerase setzt DNA frei, wenn Transkriptionsterminatorsequenz angetroffen wird


Jede kernhaltige, diploide Zelle im Körper enthält die gleiche DNA oder das gleiche Genom, aber verschiedene Zellen scheinen unterschiedlichen spezialisierten Aufgaben verpflichtet zu sein – zum Beispiel nehmen Nierenzellen Natrium auf, während Pankreaszellen Insulin produzieren. Wie ist das möglich? Die Antwort liegt in der unterschiedlichen Nutzung des Genoms, mit anderen Worten, verschiedene Zellen im Körper exprimieren unterschiedliche Teile ihrer DNA. Dieser Prozess, der mit der Transkription von DNA in RNA beginnt, führt schließlich zu Veränderungen der Zellfunktion. Transkriptionsänderungen sind somit ein grundlegendes Mittel, um die Zellfunktion artenübergreifend zu regulieren. Tatsächlich regulieren sogar einzellige Organismen wie Bakterien die Gentranskription abhängig von Hinweisen in ihrer Umgebung. Daher ist das Verständnis, wie die Transkription reguliert wird, von grundlegender Bedeutung, um die Geheimnisse des Genoms zu entschlüsseln.

Von zentraler Bedeutung für den Transkriptionsprozess ist der Komplex von Proteinen, die als RNA-Polymerasen bekannt sind. RNA-Polymerasen wurden in allen Arten gefunden, aber die Anzahl und Zusammensetzung dieser Proteine ​​variiert je nach Taxa. Bakterien enthalten beispielsweise einen einzigen Typ von RNA-Polymerase, während Eukaryoten (mehrzellige Organismen und Hefen) drei verschiedene Typen enthalten. Trotz dieser Unterschiede gibt es auffallende Ähnlichkeiten zwischen den Transkriptionsmechanismen. Beispielsweise benötigen alle Arten einen Mechanismus, mit dem die Transkription reguliert werden kann, um räumliche und zeitliche Veränderungen der Genexpression zu erreichen. Um dies vollständig zu verstehen, ist es zunächst notwendig, die Mechanismen der RNA-Transkription genauer zu untersuchen.


1 Antwort 1

Wie ich in meinem Kommentar darauf hingewiesen habe, ist nicht klar, ob sich die genannten Quellen auf Eukaryoten oder Prokaryoten beziehen, sofern sie richtig sind. Ich bin eher ein Übersetzer als ein Transkriptionsmann und beantworte dies aus der Ausgabe von Berg . 2002 et al. „Biochemie“, da ich zufällig ein eigenes Exemplar habe (ein Freebie aus meiner Lehrzeit) und diese Ausgabe kostenlos online verfügbar ist. Listenmitglieder mit mehr Erfahrung in diesem Bereich werden ermutigt, Kommentare zu posten, um Fehler in meiner Antwort zu korrigieren oder Aktualisierungen bereitzustellen.

in weder Prokaryoten noch Eukaryoten ist die DNA-Helikase, die während der DNA-Replikation an der Transkription beteiligt ist, obwohl andere für die Transkription erforderliche Proteine ​​DNA-Helikase-Aktivität aufweisen.

In Prokaryoten es scheint, dass das RNA-Polymerase-Holoenzym (das aus nur vier Untereinheiten besteht) für die Entwindung von etwa 17 Basenpaaren der Matrizen-DNA verantwortlich ist. Zitat aus Abschnitt 28.1.3:

Jedes gebundene Polymerasemolekül entwickelt ein 17-bp-DNA-Segment, das 1,6 Windungen der B-DNA-Helix entspricht

Es kann einige Unklarheiten geben, die durch die Beschreibung verursacht werden, wie dieser Wert experimentell bestimmt wurde, da er die Zugabe von Topoisomerase II beinhaltete. Aus der Diskussion an anderer Stelle geht jedoch klar hervor, dass dies ein Enzym der DNA-Replikation ist und nicht an der Transkription beteiligt ist.

In Eukaryoten Die Transkription ist viel komplexer und umfasst separate Polymerasen für verschiedene Klassen von RNA-Produkten und eine Vielzahl von zusätzlichen Transkriptionsfaktoren im Fall der RNA-Polymerase II, die mRNA transkribiert. Gemäß Abschnitt 28.2.4:

Die TATA-Box der DNA bindet an die konkave Oberfläche von TBP [das TATA-Box-bindende Protein]. Diese Bindung induziert große Konformationsänderungen in der gebundenen DNA. Die Doppelhelix wird im Wesentlichen abgewickelt, um ihre kleine Furche zu verbreitern, wodurch sie einen ausgedehnten Kontakt mit den antiparallelen β-Strängen auf der konkaven Seite von TBP herstellen kann.

So sorgt das erstmalige Erkennen der TATA-Box für einiges Abwickeln. Der Hauptakteur scheint jedoch der Transkriptionsfaktor TFIIF zu sein:

eine ATP-abhängige Helikase, die zunächst den DNA-Duplex für die Polymerase trennt


Transkriptionsprozess

Die Transkription beginnt mit der Bindung des RNAP-Enzyms an einen bestimmten Teil der DNA, auch als Promotorregion bekannt. Diese Bindung erfordert die Anwesenheit einiger anderer Proteine ​​– des Sigma-Faktors in Prokaryoten und verschiedener Transkriptionsfaktoren in Eukaryoten. Ein Satz von Proteinen, die als allgemeine Transkriptionsfaktoren bezeichnet werden, sind für alle eukaryotischen Transkriptionsaktivitäten erforderlich und umfassen die Transkriptionsinitiationsfaktoren II A, II B, II D, II E, II F und II H. Diese werden durch spezifische Signalmoleküle ergänzt, die die Genexpression durch modulieren Abschnitte von nicht-kodierender DNA, die sich stromaufwärts befinden. Oft wird die Initiation mehrmals abgebrochen, bevor ein Abschnitt von zehn Nukleotiden polymerisiert wird. Danach bewegt sich die Polymerase über den Promotor hinaus und verliert die meisten Initiationsfaktoren.

Darauf folgt das Abwickeln doppelsträngiger DNA, auch bekannt als ‘melting’, um eine Art Blase zu bilden, in der eine aktive Transkription stattfindet. Diese ‘Blase’ scheint sich entlang des DNA-Strangs zu bewegen, wenn sich das RNA-Polymer verlängert. Sobald die Transkription abgeschlossen ist, wird der Prozess beendet und der RNA-Strang wird prozessiert. Prokaryontische RNAP und eukaryontische RNA-Polymerasen I und II erfordern zusätzliche Transkriptionsterminationsproteine. RNAP III beendet die Transkription, wenn es einen Abschnitt von Thyminbasen auf dem Nicht-Matrizenstrang der DNA gibt.


Allgemeine Transkriptionsfaktoren und Initiation der Transkription durch RNA-Polymerase II

Da die RNA-Polymerase II für die Synthese von mRNA aus proteinkodierenden Genen verantwortlich ist, stand sie im Fokus der meisten Studien zur Transkription in Eukaryoten. Frühe Versuche, dieses Enzym zu untersuchen, zeigten, dass sich seine Aktivität von der prokaryontischen RNA-Polymerase unterscheidet. Die genaue Transkription von bakteriellen Genen, die erreicht werden kann in vitro die einfache Zugabe von gereinigter RNA-Polymerase zu DNA, die einen Promotor enthält, ist in eukaryontischen Systemen nicht möglich. Die Grundlage für diesen Unterschied wurde 1979 aufgeklärt, als Robert Roeder und seine Kollegen entdeckten, dass die RNA-Polymerase II nur dann die Transkription initiieren kann, wenn der Reaktion zusätzliche Proteine ​​zugesetzt werden. Somit schien die Transkription im eukaryontischen System verschiedene Initiationsfaktoren zu erfordern, die (im Gegensatz zu bakteriellen σ-Faktoren) nicht mit der Polymerase assoziiert waren.

Die biochemische Fraktionierung von Kernextrakten hat nun zur Identifizierung spezifischer Proteine ​​(sogenannte Transkriptionsfaktoren) geführt, die für die RNA-Polymerase II erforderlich sind, um die Transkription zu initiieren. Tatsächlich stellt die Identifizierung und Charakterisierung dieser Faktoren einen wesentlichen Teil der laufenden Bemühungen dar, die Transkription in eukaryontischen Zellen zu verstehen. Es wurden zwei allgemeine Typen von Transkriptionsfaktoren definiert. Allgemeine Transkriptionsfaktoren sind an der Transkription von allen Polymerase-II-Promotoren beteiligt und bilden daher einen Teil der grundlegenden Transkriptionsmaschinerie. Zusätzliche Transkriptionsfaktoren (wird später in diesem Kapitel diskutiert) binden an DNA-Sequenzen, die die Expression einzelner Gene kontrollieren und somit für die Regulierung der Genexpression verantwortlich sind.

Für die Initiation der Transkription durch die RNA-Polymerase II in rekonstituierten . sind fünf allgemeine Transkriptionsfaktoren erforderlich in vitro Systeme (Abbildung 6.12). Die Promotoren vieler Gene, die von Polymerase II transkribiert wurden, enthalten eine Sequenz ähnlich der von TATAA 25 bis 30 Nukleotide stromaufwärts der Transkriptionsstartstelle. Diese Sequenz (als TATA-Box bezeichnet) ähnelt dem -10-Sequenzelement von bakteriellen Promotoren, und die Ergebnisse der Einführung von Mutationen in TATAA-Sequenzen haben ihre Rolle bei der Initiation der Transkription gezeigt. Der erste Schritt bei der Bildung eines Transkriptionskomplexes ist die Bindung eines allgemeinen Transkriptionsfaktors namens TFIID an die TATA-Box (TF zeigt an TErnennung FSchauspieler II zeigt Polymerase an II). TFIID selbst besteht aus mehreren Untereinheiten, einschließlich des TATA-bindenden Proteins (TBP), das spezifisch an die TATAA-Konsensussequenz bindet, und 10-12 andere Polypeptide, genannt TBP-assoziierte Faktoren (TAFs). TBP bindet dann einen zweiten allgemeinen Transkriptionsfaktor (TFIIB) und bildet einen TBP-TFIIB-Komplex am Promotor (Abbildung 6.13). TFIIB wiederum dient als Brücke zur RNA-Polymerase, die in Verbindung mit einem dritten Faktor, TFIIF, an den TBP-TFIIB-Komplex bindet.

Abbildung 6.12

Bildung eines Polymerase-II-Transkriptionskomplexes. Viele Polymerase II-Promotoren haben eine TATA-Box (Konsensussequenz TATAA) 25 bis 30 Nukleotide stromaufwärts der Transkriptionsstartstelle. Diese Sequenz wird vom Transkriptionsfaktor TFIID erkannt, der (mehr.)

Abbildung 6.13

Modell des an DNA gebundenen TBP-TFIIB-Komplexes. Die DNA wird als Strichmännchen dargestellt, das aus gelben und grünen Strängen besteht, wobei die Stelle der Transkriptionsinitiation mit +1 bezeichnet ist. TBP besteht aus zwei Wiederholungen, hellblau und dunkelblau gefärbt. TFIIB wiederholt (mehr.)

Nach der Rekrutierung der RNA-Polymerase II an den Promotor ist die Bindung von zwei zusätzlichen Faktoren (TFIIE und TFIIH) zur Initiation der Transkription erforderlich. TFIIH ist ein Faktor mit mehreren Untereinheiten, der mindestens zwei wichtige Rollen zu spielen scheint. Erstens sind zwei Untereinheiten von TFIIH Helikasen, die DNA um die Initiationsstelle herum abwickeln können. (Diese Untereinheiten von TFIIH werden auch für die Nukleotidexzisionsreparatur benötigt, wie in Kapitel 5 diskutiert.) Eine weitere Untereinheit von TFIIH ist eine Proteinkinase, die wiederholte Sequenzen phosphoryliert, die in der C-terminalen Domäne der größten Untereinheit der RNA-Polymerase II vorhanden sind. Es wird angenommen, dass die Phosphorylierung dieser Sequenzen die Polymerase aus ihrer Assoziation mit dem Initiationskomplex freisetzt, wodurch sie entlang der Matrize fortschreiten kann, während sie die wachsende RNA-Kette verlängert.

Zusätzlich zu einer TATA-Box enthalten die Promotoren vieler Gene, die von der RNA-Polymerase II transkribiert wurden, ein zweites wichtiges Sequenzelement (eine Initiator- oder Inr-Sequenz), das die Transkriptionsstartstelle überspannt. Darüber hinaus enthalten einige RNA-Polymerase-II-Promotoren nur ein Inr-Element ohne TATA-Box. Die Initiation an diesen Promotoren erfordert immer noch TFIID (und TBP), obwohl TBP diese Promotoren offensichtlich nicht erkennt, indem es direkt an die TATA-Sequenz bindet. Stattdessen scheinen andere Untereinheiten von TFIID (TAFs) an die Inr-Sequenzen zu binden. Diese Bindung rekrutiert TBP an den Promotor und TFIIB, Polymerase II und zusätzliche Transkriptionsfaktoren bauen sich dann wie bereits beschrieben zusammen. TBP spielt somit eine zentrale Rolle bei der Initiierung der Transkription der Polymerase II, selbst bei Promotoren, denen eine TATA-Box fehlt.

Trotz der Entwicklung von in vitro Systeme und die Charakterisierung mehrerer allgemeiner Transkriptionsfaktoren bleibt noch viel über den Mechanismus der Polymerase-II-Transkription in eukaryontischen Zellen zu lernen. Die hier beschriebene sequentielle Rekrutierung von Transkriptionsfaktoren stellt das minimale System dar, das für die Transkription erforderlich ist in vitro innerhalb der Zelle können zusätzliche Faktoren erforderlich sein. Darüber hinaus scheint die RNA-Polymerase II in der Lage zu sein, mit einigen Transkriptionsfaktoren zu assoziieren in vivo vor dem Zusammenbau eines Transkriptionskomplexes auf der DNA. Insbesondere wurden vorgeformte Komplexe der RNA-Polymerase II mit TFIIB, TFIIE, TFIIF, TFIIH und anderen transkriptionalen Regulationsproteinen sowohl in Hefe- als auch in Säugerzellen nachgewiesen. Diese großen Komplexe (so genannte Polymerase-II-Holoenzyme) können durch direkte Wechselwirkung mit TFIID zu einem Promotor rekrutiert werden (Abbildung 6.14). Die relativen Beiträge des schrittweisen Zusammenbaus einzelner Faktoren gegenüber der Rekrutierung des RNA-Polymerase-II-Holoenzyms an Promotoren innerhalb der Zelle müssen somit noch bestimmt werden.

Abbildung 6.14

Holoenzym der RNA-Polymerase II. Das Holoenzym besteht aus einem vorgeformten Komplex der RNA-Polymerase II, den allgemeinen Transkriptionsfaktoren TFIIB, TFIIE, TFIIF und TFIIH und mehreren anderen Proteinen, die die Transkription aktivieren. Dieser Komplex kann rekrutiert werden (mehr. )


Abschluss:

1956 wurde die erste DNA-Polymerase von Arther Kornberg entdeckt. Beide Polymerasen sind für eine Zelle wichtig.

Ein Fehler in der Funktion der Polymerase (entweder DNA-Polymerase oder RNA-Polymerase) führt zu einigen Anomalien. Diese Anomalien können einige schwerwiegende genetische Probleme verursachen.

Eine falsche Nukleotidaddition während der Transkriptionsreplikation führt zu einer abnormalen Polypeptidkette und führt zu einem abnormalen oder nicht funktionierenden Protein.


Unterschied zwischen DNA-POLYMERASE und RNA-POLYMERASE

Die Hauptfunktion einer Polymerase, die ein Enzym ist, ähnelt in gewisser Weise Nukleinsäurepolymeren wie der von DNA und RNA. Polymer ist eine Verbindung mit sich wiederholenden kleinen Molekülen, wobei es sich um eine natürliche oder synthetische Verbindung handelt, die aus großen Molekülen besteht, die aus vielen chemisch gebundenen kleineren identischen Molekülen wie Stärke und Nylon bestehen. In diesem Abschnitt werden wir die Unterschiede zwischen DNA-Polymerase und RNA-Polymerase offenbaren.

DNA-Stränge werden gut gebildet, wenn die Desoxyribonukleotide mit Hilfe von DNA-Polymerasen polymerisiert werden, von denen man annimmt, dass sie Enzyme sind, die den Polymerisationsprozess beschleunigen. Es ist klar, dass DNA-Polymerase eine entscheidende Rolle bei der Replikation von DNA spielt, wobei sie als Mittel dienen, die unbeschädigte DNA-Stränge als Prototypen erkennen, die sie später verwenden können, um neue Stränge zu erzeugen. Danach wird durch diesen Prozess ein neues DNA-Fragment kopiert. Dieses kürzlich polymerisierte Molekül ist das eigentliche Gegenstück des Strangs des Templats, das genau die gleiche Identität wie der Partnerstrang des ursprünglichen Templats besitzt. Andererseits ist die RNA-Polymerase als komplexes Enzym bekannt, das an der Produktion von RNA aus DNA über den Transkriptionsprozess beteiligt ist. RNA-Polymerasen sind auch dafür verantwortlich, den wachsenden RNA-Transkripten im Endabschnitt Ribonukleotide zuzuführen. Dies geschieht, indem die Entwicklung dieser Phosphodiesterbindungen katalysiert wird, die als Verbinder der Ribonukleotide wirken, um sie zusammenzuhalten. Im Gegensatz zur DNA-Polymerase benötigen RNA-Polymerasen nicht unbedingt den sogenannten Primer, um den Prozess zu starten, und sie haben tatsächlich keine Korrekturlesesysteme. Zwischen diesen beiden Enzymtypen besteht jedoch ein großer Unterschied: DNA-Polymerasen sind nicht in der Lage, einen neuen Strang zu initiieren, während RNA-Polymerasen die Kapazität haben. Es ist keine DNA-Polymerase bekannt, die eine neue Kette initiieren kann. Folglich gibt es bei der DNA-Replikation Oligonukleotide (sogenannte Primer), die zuerst von einem anderen Enzym synthetisiert werden müssen.

Darüber hinaus sind DNA-Polymerasen in der Lage, freie Nukleotide nur an den Endabschnitt des neu gebildeten Strangs anzulagern. Dies kann den Strang tatsächlich in einer Weise verlängern, die 5′-3′ folgt. Ein Nukleotid kann der DNA-Polymerase nur an eine bereits vorhandene 3'-OH-Gruppe hinzugefügt werden, die einen Primer erfordert, damit es an das Nukleotid addieren kann. Die sogenannten Primer enthalten DNA- und RNA-Basen. DNA hat die Base Thymin, während RNA Uracil als Base hat. DNA ist doppelsträngig, während RNA einzelsträngig ist. DNA enthält den Pentosezucker Desoxyribose, während RNA den Pentosezucker Ribose enthält. Die DNA-Polymerase wird kontinuierlich sein, bis die Arbeit endgültig abgeschlossen ist, wobei die RNA-Polymerasen fortgesetzt werden, aber schließlich brechen können, falls sie einen “stop”-Zyklus erreichen. In RNA-Polymerasen enthaltene Untereinheiten müssen die Matrizen der DNA abwickeln und die DNA-Polymerasen halten sich tatsächlich an die Helikase, dass die Doppelhelix direkt davor offen sein kann. Schließlich wird gesagt, dass die RNA-Polymerase im Vergleich zur DNA-Polymerase viel langsamer ist. 50 Nukleotide in einer Sekunde für RNA-Polymerase, während 800 Nukleotide für DNA-Polymerase in einer Sekunde.

1.DNA-Polymerase synthetisiert DNA, während RNA-Polymerase RNA synthetisiert.

2. Im Gegensatz zur DNA-Polymerase benötigen RNA-Polymerasen nicht unbedingt den sogenannten Primer, um den Prozess zu starten, und sie haben tatsächlich keine Korrekturlesesysteme.

2.RNA-Polymerasen sind in der Lage, einen neuen Strang zu initiieren, DNA-Polymerasen jedoch nicht.

3.DNA hat die Base Thymin, während RNA Uracil als Base hat.

4.DNA ist doppelsträngig, während RNA einzelsträngig ist.

5.DNA enthält den Pentosezucker Desoxyribose, während RNA den Pentosezucker Ribose enthält.

6.DNA-Polymerase wird kontinuierlich sein, bis die Arbeit endgültig abgeschlossen ist, wobei die RNA-Polymerasen fortgesetzt werden, aber möglicherweise brechen, falls sie einen “stop”-Zyklus erreichen.

7.Untereinheiten, die in RNA-Polymerasen enthalten sind, müssen die Matrizen der DNA abwickeln und die DNA-Polymerasen halten sich tatsächlich an die Helikase, sodass die Doppelhelix direkt davor offen sein kann.


Im Gegensatz zur prokaryontischen Polymerase, die selbst an eine DNA-Matrize binden kann, benötigen Eukaryonten mehrere andere Proteine, sogenannte Transkriptionsfaktoren, um zuerst an die Promotorregion zu binden und dann bei der Rekrutierung der geeigneten Polymerase zu helfen.

Die drei eukaryotischen RNA-Polymerasen

Die Merkmale der eukaryotischen mRNA-Synthese sind deutlich komplexer als die von Prokaryonten. Statt einer einzigen Polymerase mit fünf Untereinheiten besitzen die Eukaryoten drei Polymerasen, die jeweils aus 10 Untereinheiten oder mehr bestehen. Jede eukaryotische Polymerase benötigt auch einen bestimmten Satz von Transkriptionsfaktoren, um sie zur DNA-Matrize zu bringen.

Die RNA-Polymerase I befindet sich im Nukleolus, einer spezialisierten nukleären Unterstruktur, in der ribosomale RNA (rRNA) transkribiert, prozessiert und zu Ribosomen zusammengesetzt wird (Tabelle 1). Die rRNA-Moleküle werden als strukturelle RNAs betrachtet, da sie eine zelluläre Rolle spielen, aber nicht in Proteine ​​übersetzt werden. Die rRNAs sind Bestandteile des Ribosoms und für den Translationsprozess essentiell. RNA-Polymerase I synthetisiert alle rRNAs außer dem 5S-rRNA-Molekül. Die Bezeichnung “S” gilt für “Svedberg”-Einheiten, ein nicht-additiver Wert, der die Geschwindigkeit charakterisiert, mit der ein Partikel während der Zentrifugation sedimentiert.

Tabelle 1. Standorte, Produkte und Empfindlichkeiten der drei eukaryotischen RNA-Polymerasen
RNA-Polymerase Zelluläres Fach Transkriptionsprodukt α-Amanitin-Empfindlichkeit
ich Nukleolus Alle rRNAs außer 5S rRNA Unempfindlich
II Kern Alle proteinkodierenden nukleären Prä-mRNAs Extrem empfindlich
III Kern 5S-rRNA, tRNAs und kleine nukleäre RNAs Mäßig empfindlich

Die RNA-Polymerase II befindet sich im Kern und synthetisiert alle Protein-kodierenden nukleären Prä-mRNAs. Eukaryontische prä-mRNAs durchlaufen nach der Transkription, aber vor der Translation (Abbildung 1) eine umfangreiche Prozessierung. Der Klarheit halber wird in der Diskussion über Transkription und Translation in Eukaryoten in diesem Modul der Begriff “mRNAs” verwendet, um nur die reifen, prozessierten Moleküle zu beschreiben, die zur Translation bereit sind. Die RNA-Polymerase II ist für die Transkription der überwiegenden Mehrheit der eukaryontischen Gene verantwortlich.

Abbildung 1. Eukaryotische mRNA enthält Introns, die ausgespleißt werden müssen. Ein 5′ Cap und ein 3′ Poly-A Tail werden ebenfalls hinzugefügt.

Die RNA-Polymerase III befindet sich ebenfalls im Zellkern. Diese Polymerase transkribiert eine Vielzahl von strukturellen RNAs, darunter die 5S-Prä-rRNA, Transfer-Prä-RNAs (Prä-tRNAs) und kleine nukleare Vor-RNAs. Die tRNAs spielen eine entscheidende Rolle bei der Translation, sie dienen als Adaptermoleküle zwischen der mRNA-Matrize und der wachsenden Polypeptidkette. Kleine nukleäre RNAs haben eine Vielzahl von Funktionen, darunter das “splicing” von prä-mRNAs und die Regulierung von Transkriptionsfaktoren.

Ein Wissenschaftler, der ein neues Gen charakterisiert, kann bestimmen, welche Polymerase es transkribiert, indem er testet, ob das Gen in Gegenwart eines bestimmten Pilzgifts, α-Amanitin, exprimiert wird (Tabelle 1). Interessanterweise wird α-Amanitin von Wulstling phalloides, der Death Cap-Pilz, beeinflusst die drei Polymerasen sehr unterschiedlich. Die RNA-Polymerase I ist gegenüber α-Amanitin völlig unempfindlich, was bedeutet, dass die Polymerase in Gegenwart dieses Giftes DNA in vitro transkribieren kann. Im Gegensatz dazu ist RNA-Polymerase II extrem empfindlich gegenüber α-Amanitin und RNA-Polymerase III ist mäßig empfindlich. Die Kenntnis der transkribierenden Polymerase kann einem Forscher Aufschluss über die allgemeine Funktion des untersuchten Gens geben. Da die RNA-Polymerase II die überwiegende Mehrheit der Gene transkribiert, werden wir uns in unseren nachfolgenden Diskussionen über eukaryotische Transkriptionsfaktoren und Promotoren auf diese Polymerase konzentrieren.

RNA-Polymerase-II-Promotoren und Transkriptionsfaktoren

Eukaryontische Promotoren sind viel größer und komplizierter als prokaryontische Promotoren. Beide haben jedoch eine Sequenz ähnlich der -10-Sequenz von Prokaryoten. Bei Eukaryoten wird diese Sequenz als TATA-Box bezeichnet und weist die Konsensussequenz TATAAA auf dem kodierenden Strang auf. Es befindet sich bei -25 bis -35 Basen relativ zur Initiationsstelle (+1) (Fig. 2). Diese Sequenz ist nicht identisch mit der E coli -10-Box, aber es bewahrt das A–T-reiche Element. Die Thermostabilität von A-T-Bindungen ist gering und dies hilft dem DNA-Templat, sich lokal zur Vorbereitung der Transkription aufzulösen.

Anstelle des einfachen σ-Faktors, der dabei hilft, die prokaryontische RNA-Polymerase an ihren Promotor zu binden, bauen Eukaryonten einen Komplex von Transkriptionsfaktoren zusammen, die erforderlich sind, um die RNA-Polymerase II an ein proteinkodierendes Gen zu rekrutieren. Transkriptionsfaktoren, die an den Promotor binden, heißen basale Transkriptionsfaktoren. Diese Basalfaktoren werden alle als TFII (für Transcription Factor/Polymerase II) plus einem zusätzlichen Buchstaben (A-J) bezeichnet. Der Kernkomplex ist TFIID, das ein TATA-bindendes Protein (TBP) enthält. Die anderen Transkriptionsfaktoren werden systematisch auf der DNA-Matrize platziert, wobei jeder den Präinitiationskomplex weiter stabilisiert und zur Rekrutierung der RNA-Polymerase II beiträgt.

Abbildung 2. Ein generalisierter Promotor eines Gens, das von RNA-Polymerase II transkribiert wurde, ist gezeigt. Transkriptionsfaktoren erkennen den Promotor. RNA-Polymerase II bindet dann und bildet den Transkriptionsinitiationskomplex.

Übungsfrage

Ein Wissenschaftler spleißt einen eukaryontischen Promotor vor ein bakterielles Gen und fügt das Gen in ein bakterielles Chromosom ein. Würden Sie erwarten, dass die Bakterien das Gen transkribieren?

Einige eukaryotische Promotoren haben auch eine konservierte CAAT-Box (GGCCAATCT) bei ungefähr -80. Weiter stromaufwärts der TATA-Box können eukaryotische Promotoren auch einen oder mehrere enthalten GC-reiche Boxen (GGCG) oder Oktamerboxen (ATTTGCAT). Diese Elemente binden zelluläre Faktoren, die die Effizienz der Transkriptionsinitiation erhöhen und werden oft in „aktiveren“ Genen identifiziert, die ständig von der Zelle exprimiert werden.

Basale Transkriptionsfaktoren sind entscheidend für die Bildung eines Präinitiationskomplexes auf der DNA-Matrize, der anschließend die RNA-Polymerase II für die Transkriptionsinitiation rekrutiert. Die Komplexität der eukaryontischen Transkription endet nicht bei den Polymerasen und Promotoren. Eine Armee anderer Transkriptionsfaktoren, die an vorgeschaltete Enhancer und Silencer binden, hilft auch dabei, die Häufigkeit zu regulieren, mit der Prä-mRNA aus einem Gen synthetisiert wird. Enhancer und Silencer beeinflussen die Effizienz der Transkription, sind aber für das Fortschreiten der Transkription nicht notwendig.

Die Entwicklung der Promoter

Die Evolution von Genen mag ein bekanntes Konzept sein. Während der DNA-Replikation können in Genen Mutationen auftreten, und das Ergebnis kann für die Zelle von Vorteil sein oder auch nicht. Durch die Veränderung eines Enzyms, Strukturproteins oder eines anderen Faktors kann der Mutationsprozess Funktionen oder physikalische Eigenschaften verändern. Es können sich jedoch auch eukaryontische Promotoren und andere Genregulationssequenzen entwickeln. Betrachten Sie zum Beispiel ein Gen, das über viele Generationen hinweg für die Zelle wertvoller wird. Vielleicht kodiert das Gen ein Strukturprotein, das die Zelle für eine bestimmte Funktion in Hülle und Fülle synthetisieren muss. Wenn dies der Fall ist, wäre es für die Zelle von Vorteil, wenn der Promotor dieses Gens Transkriptionsfaktoren effizienter rekrutiert und die Genexpression erhöht.

Wissenschaftler, die die Evolution von Promotorsequenzen untersuchen, haben unterschiedliche Ergebnisse berichtet. Dies liegt zum Teil daran, dass es schwierig ist, genau abzuleiten, wo ein eukaryontischer Promotor beginnt und endet. Einige Promotoren kommen innerhalb von Genen vor, andere befinden sich sehr weit stromaufwärts oder sogar stromabwärts der Gene, die sie regulieren. Als die Forscher ihre Untersuchung jedoch auf menschliche Kernpromotorsequenzen beschränkten, die experimentell als Sequenzen definiert wurden, die den Präinitiationskomplex binden, stellten sie fest, dass sich Promotoren noch schneller entwickeln als proteinkodierende Gene.

Es ist noch unklar, wie die Evolution des Promotors der Evolution des Menschen oder anderer höherer Organismen entsprechen könnte. Die Evolution eines Promotors, um effektiv mehr oder weniger aus einem bestimmten Genprodukt zu machen, ist jedoch eine faszinierende Alternative zur Evolution der Gene selbst. [1]

Promotorstrukturen für RNA-Polymerasen I und III

Die Prozesse, die RNA-Polymerasen I und III zur DNA-Matrize zu bringen, beinhalten etwas weniger komplexe Sammlungen von Transkriptionsfaktoren, aber das allgemeine Thema ist das gleiche.

Die konservierten Promotorelemente für Gene, die von den Polymerasen I und III transkribiert werden, unterscheiden sich von denen, die von der RNA-Polymerase II transkribiert werden. RNA-Polymerase I transkribiert Gene, die zwei GC-reiche Promotorsequenzen im Bereich von –45 bis +20 aufweisen. Diese Sequenzen allein reichen aus, damit die Transkriptionsinitiation stattfindet, aber Promotoren mit zusätzlichen Sequenzen im Bereich von –180 bis –105 stromaufwärts der Initiationsstelle werden die Initiation weiter verstärken. Gene, die von RNA-Polymerase III transkribiert werden, haben stromaufwärts gelegene Promotoren oder Promotoren, die innerhalb der Gene selbst vorkommen.

Die eukaryotische Transkription ist ein streng regulierter Prozess, bei dem eine Vielzahl von Proteinen miteinander und mit dem DNA-Strang interagieren müssen. Obwohl der Transkriptionsprozess bei Eukaryoten einen höheren metabolischen Aufwand erfordert als bei Prokaryoten, stellt er sicher, dass die Zelle genau die prä-mRNAs transkribiert, die sie für die Proteinsynthese benötigt.

Verlängerung und Beendigung

Nach der Bildung des Präinitiationskomplexes wird die Polymerase von den anderen Transkriptionsfaktoren freigesetzt und die Elongation wird wie bei Prokaryonten mit der Polymerase, die prä-mRNA in der Richtung 5′-3′ synthetisiert, fortschreiten gelassen. Wie bereits erwähnt, transkribiert die RNA-Polymerase II den Großteil der eukaryontischen Gene, daher wird sich dieser Abschnitt darauf konzentrieren, wie diese Polymerase Elongation und Termination bewerkstelligt.

Obwohl der enzymatische Prozess der Elongation bei Eukaryoten und Prokaryoten im Wesentlichen gleich ist, ist die DNA-Matrize komplexer. Wenn sich eukaryotische Zellen nicht teilen, existieren ihre Gene als eine diffuse Masse von DNA und Proteinen, die Chromatin genannt werden. Die DNA wird in wiederholten Intervallen eng um geladene Histonproteine ​​gepackt. Diese DNA-Histon-Komplexe, zusammenfassend Nukleosomen genannt, sind regelmäßig beabstandet und umfassen 146 Nukleotide DNA, die wie ein Faden um eine Spule um acht Histone gewickelt sind.

Damit die Polynukleotidsynthese stattfinden kann, muss die Transkriptionsmaschinerie jedes Mal, wenn sie auf ein Nukleosom trifft, Histone aus dem Weg räumen. Dies wird durch einen speziellen Proteinkomplex namens . erreicht TATSACHE, was für “erleichtert die Chromatin-Transkription steht.” Dieser Komplex zieht Histone von der DNA-Matrize weg, während sich die Polymerase daran entlang bewegt. Sobald die Prä-mRNA synthetisiert ist, ersetzt der FACT-Komplex die Histone, um die Nukleosomen neu zu bilden.

Die Termination der Transkription ist für die verschiedenen Polymerasen unterschiedlich. Anders als bei Prokaryoten erfolgt die Elongation durch die RNA-Polymerase II bei Eukaryoten 1.000–2.000 Nukleotide über das Ende des zu transkribierenden Gens hinaus. Dieser Prä-mRNA-Schwanz wird anschließend während der mRNA-Prozessierung durch Spaltung entfernt. Andererseits benötigen die RNA-Polymerasen I und III Terminationssignale. Von RNA-Polymerase I transkribierte Gene enthalten eine spezifische 18-Nukleotid-Sequenz, die von einem Terminationsprotein erkannt wird. Der Terminationsprozess in der RNA-Polymerase III beinhaltet eine mRNA-Haarnadel ähnlich der rho-unabhängigen Termination der Transkription in Prokaryonten.


Verweise

Tan L, Wiesler S, Trzaska D, Carney HC, Weinzierl ROJ: Brückenhelix und Triggerschleifen-Störungen erzeugen superaktive RNA-Polymerasen. J Biol. 2008, 7: 40-10.1186/jbiol98.

Vassylyev DG, Vassylyeva MN, Zhang J, Palangat M, Artsimovitch I, Landick R: Strukturelle Grundlagen für die Substratbeladung in bakterieller RNA-Polymerase. Natur. 2007, 448: 163-168. 10.1038/natur05931.

Wang D, Bushnell D, Westover K, Kaplan C, Kornberg R: Structural basis of transcription: role of the trigger loop in substrate specificity and catalysis. Zelle. 2006, 127: 941-954. 10.1016/j.cell.2006.11.023.

Svetlov V, Nudler E: Jamming the ratchet of transcription. Nat Struct Mol Biol. 2008, 15: 777-779. 10.1038/nsmb0808-777.

Westover KD, Bushnell DA, Kornberg RD: Structural basis of transcription: nucleotide selection by rotation in the RNA polymerase II active center. Zelle. 2004, 119: 481-489. 10.1016/j.cell.2004.10.016.

Kettenberger H, Armache KJ, Cramer P: Complete RNA polymerase II elongation complex structure and its interactions with NTP and TFIIS. Mol Zelle. 2004, 16: 955-965. 10.1016/j.molcel.2004.11.040.

Nottebaum S, Tan L, Trzaska D, Carney HC, Weinzierl RO: The RNA polymerase factory: a robotic in vitro assembly platform for high-throughput production of recombinant protein complexes. Nukleinsäuren Res. 2008, 36: 245-252. 10.1093/nar/gkm1044.

Vassylyev DG, Sekine S, Laptenko O, Lee J, Vassylyeva MN, Borukhov S, Yokoyama S: Crystal structure of a bacterial RNA polymerase holoenzyme at 2.6 Å resolution. Natur. 2002, 417: 712-719. 10.1038/nature752.

Tuske S, Sarafianos SG, Wang X, Hudson B, Sineva E, Mukhopadhyay J, Birktoft JJ, Leroy O, Ismail S, Clark AD, Dharia C, Napoli A, Laptenko O, Lee J, Borukhov S, Ebright RH, Arnold E: Inhibition of bacterial RNA polymerase by streptolydigin: stabilization of a straight-bridge-helix active-center conformation. Zelle. 2005, 122: 541-552. 10.1016/j.cell.2005.07.017.

Vassylyev DG, Vassylyeva MN, Perederina A, Tahirov TH, Artsimovitch I: Structural basis for transcription elongation by bacterial RNA polymerase. Natur. 2007, 448: 157-162. 10.1038/nature05932.

Gnatt AL, Cramer P, Fu J, Bushnell DA, Kornberg RD: Structural basis of transcription: an RNA polymerase II elongation complex at 3.3 Å resolution. Wissenschaft. 2001, 292: 1876-1882. 10.1126/science.1059495.


Schau das Video: Transcription DNA to mRNA (Kann 2022).