Μεταγραφή DNA: Πώς λειτουργεί;

Ανεξάρτητα από το αν είστε νεοεισερχόμενος στη βιολογία ή μακροχρόνια λάτρης, οι πιθανότητες είναι εξαιρετικές Από προεπιλογή, θεωρείτε το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) ως ίσως την πιο απαραίτητη ιδέα σε όλη τη ζωή επιστήμη. Τουλάχιστον, γνωρίζετε πιθανώς ότι το DNA είναι αυτό που σας κάνει μοναδικούς μεταξύ των δισεκατομμυρίων ανθρώπων στο πλανήτη, δίνοντάς του ρόλο στον κόσμο της ποινικής δικαιοσύνης καθώς και στο επίκεντρο της μοριακής βιολογίας διαλέξεις. Έχετε σχεδόν σίγουρα μάθει ότι το DNA είναι υπεύθυνο για να σας προσδώσει ό, τι γνωρίσματα κληρονομήσατε από τους γονείς σας, και ότι το δικό σας DNA είναι η άμεση κληρονομιά σας για τις μελλοντικές γενιές που θα πρέπει να έχετε παιδιά.

Αυτό που ίσως δεν γνωρίζετε πολλά είναι η διαδρομή που συνδέει το DNA στα κελιά σας με τα φυσικά χαρακτηριστικά που εκδηλώνετε, τόσο εμφανή όσο και κρυμμένα, και τη σειρά βημάτων κατά μήκος αυτής της διαδρομής. Οι μοριακοί βιολόγοι έχουν δημιουργήσει την έννοια του «κεντρικού δόγματος» στον τομέα τους, η οποία μπορεί να συνοψιστεί απλά ως "DNA έως RNA σε πρωτεΐνη." Το πρώτο μέρος αυτής της διαδικασίας - η παραγωγή RNA, ή ριβονουκλεϊκού οξέος, από το DNA - είναι γνωστό ως

Το DNA και το RNA είναι νουκλεϊκά οξέα. Και οι δύο είναι θεμελιώδεις για όλη τη ζωή. Αυτά τα μακρομόρια είναι πολύ στενά συνδεδεμένα, αλλά οι λειτουργίες τους, ενώ είναι εξαιρετικά αλληλένδετες, είναι πολύ αποκλίνουσες και εξειδικευμένες.

Το DNA είναι ένα πολυμερές, που σημαίνει ότι αποτελείται από μεγάλο αριθμό επαναλαμβανόμενων υπομονάδων. Αυτές οι υπομονάδες δεν είναι ακριβώς ίδιες, αλλά είναι πανομοιότυπες σε μορφή. Σκεφτείτε μια μεγάλη σειρά από χάντρες που αποτελούνται από κύβους που διατίθενται σε τέσσερα χρώματα και ποικίλλουν τόσο ελαφρώς σε μέγεθος, και αποκτάτε μια βασική αίσθηση του πώς τακτοποιούνται το DNA και το RNA.

Τα μονομερή (υπομονάδες) νουκλεϊκών οξέων είναι γνωστά ως νουκλεοτίδια. Τα ίδια τα νουκλεοτίδια αποτελούνται από τριάδες τριών διακριτών μορίων: μια φωσφορική ομάδα (ή ομάδες), α ζάχαρη πέντε-άνθρακα και μια βάση πλούσια σε άζωτο («βάση» όχι με την έννοια «θεμέλιο», αλλά σημαίνει «ιόν υδρογόνου») αποδέκτης "). Τα νουκλεοτίδια που αποτελούν νουκλεϊκά οξέα έχουν μία φωσφορική ομάδα, αλλά μερικά έχουν δύο ή και τρία φωσφορικά συνδεδεμένα στη σειρά. Τα μόρια διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) και τριφωσφορική αδενοσίνη (ΑΤΡ) είναι νουκλεοτίδια εξαιρετικής σημασίας στον μεταβολισμό της κυτταρικής ενέργειας.

Το DNA και το RNA διαφέρουν με διάφορους σημαντικούς τρόπους. Ένα, ενώ κάθε ένα από αυτά τα μόρια περιλαμβάνει τέσσερις διαφορετικές αζωτούχες βάσεις, το DNA περιλαμβάνει αδενίνη (Α), κυτοσίνη (C), γουανίνη (G) και θυμίνη (T), ενώ το RNA περιλαμβάνει τα πρώτα τρία από αυτά, αλλά αντικαθιστά την ουρακίλη (U) Τ. Δεύτερον, το σάκχαρο στο DNA είναι δεοξυριβόζη, ενώ αυτό στο RNA είναι ριβόζη. Και τρία, το DNA είναι διπλόκλωνο στην πιο ενεργητικά σταθερή του μορφή, ενώ το RNA είναι μονόκλωνο. Αυτές οι διαφορές έχουν μεγάλη σημασία τόσο στη μεταγραφή συγκεκριμένα όσο και στη λειτουργία αυτών των αντίστοιχων νουκλεϊκών οξέων γενικά.

Οι βάσεις A και G ονομάζονται πουρίνες, ενώ οι C, T και U ταξινομούνται ως πυριμιδίνες. Κρίσιμα, το Α συνδέεται χημικά με, και μόνο με το T (εάν DNA) ή το U (εάν RNA). Το C δεσμεύεται και μόνο στο G. Οι δύο κλώνοι ενός μορίου DNA είναι συμπληρωματικοί, που σημαίνει ότι οι βάσεις σε κάθε κλώνο ταιριάζουν σε κάθε σημείο με τη μοναδική βάση «συνεργάτη» στον αντίθετο κλώνο. Έτσι, το AACTGCGTATG είναι συμπληρωματικό του TTGACGCATAC (ή UUGACGCAUAC).

Πριν εξερευνήσετε τους μηχανισμούς της μεταγραφής DNA, αξίζει να αφιερώσετε λίγο χρόνο για να αναθεωρήσετε την ορολογία που σχετίζεται με το DNA και το RNA, επειδή με τόσες πολλές παρόμοιες λέξεις στο μείγμα, μπορεί να είναι εύκολο να συγχέεται τους.

Αναπαραγωγή είναι η πράξη δημιουργίας πανομοιότυπου αντιγράφου κάτι. Όταν δημιουργείτε μια φωτοτυπία ενός γραπτού εγγράφου (παλιό σχολείο) ή χρησιμοποιείτε τη λειτουργία αντιγραφής και επικόλλησης σε έναν υπολογιστή (νέο σχολείο), αντιγράφετε το περιεχόμενο και στις δύο περιπτώσεις.

Το DNA υφίσταται αναπαραγωγή, αλλά το RNA, στο βαθμό που η σύγχρονη επιστήμη μπορεί να διαπιστώσει, δεν το κάνει. προκύπτει μόνο από τη μεταγραφή _._ Από μια λατινική ρίζα που σημαίνει "μια γραφή απέναντι", η μεταγραφή είναι η κωδικοποίηση ενός συγκεκριμένου μηνύματος σε ένα αντίγραφο μιας αρχικής πηγής. Μπορεί να έχετε ακούσει για ιατρικούς μεταγραφείς, των οποίων η δουλειά είναι να πληκτρολογήσετε σε γραπτή μορφή τις ιατρικές σημειώσεις που έγιναν ως ηχογράφηση. Στην ιδανική περίπτωση, οι λέξεις, και έτσι το μήνυμα, θα είναι ακριβώς οι ίδιες παρά την αλλαγή στο μέσο. Στα κύτταρα, η μεταγραφή περιλαμβάνει την αντιγραφή ενός γενετικού μηνύματος DNA, γραμμένο στη γλώσσα αζωτούχων βασικών αλληλουχιών, σε μορφή RNA - ειδικά, messenger RNA (mRNA). Αυτή η σύνθεση RNA εμφανίζεται στον πυρήνα των ευκαρυωτικών κυττάρων, μετά την οποία το mRNA αφήνει τον πυρήνα και τις κεφαλές για μια δομή που ονομάζεται ριβόσωμα για να υποβληθεί μετάφραση.

Ενώ η μεταγραφή είναι η απλή φυσική κωδικοποίηση ενός μηνύματος σε διαφορετικό μέσο, ​​η μετάφραση, σε βιολογικούς όρους, είναι η μετατροπή αυτού του μηνύματος σε σκόπιμη δράση. Μήκος DNA ή μεμονωμένου μηνύματος DNA, που ονομάζεται a γονίδιο, τελικά οδηγεί σε κύτταρα που κατασκευάζουν ένα μοναδικό πρωτεϊνικό προϊόν. Το DNA αποστέλλει αυτό το μήνυμα μαζί με τη μορφή mRNA, το οποίο στη συνέχεια μεταφέρει το μήνυμα σε ένα ριβόσωμα για να μεταφραστεί σε παραγωγή πρωτεΐνης. Σε αυτήν την άποψη, το mRNA είναι σαν ένα σχεδιάγραμμα ή ένα σύνολο οδηγιών για τη συναρμολόγηση ενός επίπλου.

Αυτό ελπίζει να ξεκαθαρίσει τα μυστήρια που έχετε σχετικά με το τι κάνουν τα νουκλεϊκά οξέα. Τι γίνεται όμως με τη μεταγραφή;

Το DNA, μάλλον διάσημα, είναι υφασμένο σε δίκλωνο έλικα. Αλλά με αυτήν τη μορφή, θα ήταν φυσικά δύσκολο να φτιάξουμε οτιδήποτε από αυτό. Επομένως, στο την έναρξη φάση (ή βήμα) της μεταγραφής, το μόριο DNA ξετυλίγεται από ένζυμα που ονομάζονται ελικάσες. Μόνο ένας από τους δύο προκύπτοντες κλώνους DNA χρησιμοποιείται για σύνθεση RNA κάθε φορά. Αυτό το σκέλος αναφέρεται ως το χωρίς κωδικοποίηση κλώνος, επειδή, χάρη στους κανόνες του ζευγαρώματος βάσης DNA και RNA, ο άλλος κλώνος DNA έχει την ίδια ακολουθία αζωτούχων βάσεων με το mRNA που πρόκειται να συντεθεί, καθιστώντας έτσι αυτόν τον κλώνο το κωδικοποίηση νήμα. Με βάση τα σημεία που αναφέρθηκαν προηγουμένως, μπορείτε να συμπεράνετε ότι ένα σκέλος του DNA και το mRNA που είναι υπεύθυνο για την κατασκευή είναι συμπληρωματικά.

Με το νήμα τώρα έτοιμο για δράση, ένα τμήμα του DNA που ονομάζεται αλληλουχία προαγωγού υποδεικνύει πού θα ξεκινήσει η μεταγραφή κατά μήκος του κλώνου. Το ένζυμο RNA πολυμεράση φτάνει σε αυτή τη θέση και γίνεται μέρος ενός συμπλόκου προαγωγού. Όλα αυτά είναι για να διασφαλιστεί ότι η σύνθεση mRNA ξεκινά ακριβώς εκεί που υποτίθεται στο μόριο DNA, και αυτό δημιουργεί ένα κλώνο RNA που κρατά το επιθυμητό κωδικοποιημένο μήνυμα.

Στη συνέχεια, στο επιμήκυνση φάση, η πολυμεράση RNA "διαβάζει" τον κλώνο DNA, ξεκινώντας από την αλληλουχία προαγωγέα και κινείται κατά μήκος του κλώνου DNA, όπως δάσκαλος περπατώντας μια σειρά μαθητών και διανέμοντας δοκιμές, προσθέτοντας νουκλεοτίδια στο αναπτυσσόμενο τέλος του πρόσφατα σχηματιζόμενου RNA μόριο.

Οι δεσμοί που δημιουργούνται μεταξύ των φωσφορικών ομάδων ενός νουκλεοτιδίου και της ριβόζης ή της ομάδας δεοξυριβόζης στο επόμενο νουκλεοτίδιο ονομάζονται φωσφοδιεστερικοί δεσμοί. Σημειώστε ότι ένα μόριο DNA έχει αυτό που ονομάζεται 3 '("three-prime") άκρο στο ένα άκρο και 5' ("πέντε-prime") στο άλλο, με αυτούς τους αριθμούς να προέρχονται από το τερματικές θέσεις ατόμων άνθρακα στους αντίστοιχους δακτυλίους ριβόζης. Καθώς το ίδιο το μόριο RNA αναπτύσσεται στην κατεύθυνση 3 ', κινείται κατά μήκος του κλώνου DNA στο 5' κατεύθυνση. Θα πρέπει να εξετάσετε ένα διάγραμμα για να βεβαιωθείτε ότι κατανοείτε πλήρως τους μηχανισμούς της σύνθεσης mRNA.

Η προσθήκη νουκλεοτιδίων - συγκεκριμένα, τριφωσφορικών νουκλεοσιδίων (ATP, CTP, GTP και UTP. Το ATP είναι τριφωσφορική αδενοσίνη, το CTP είναι τριφωσφορική κυτιδίνη και ούτω καθεξής) - στον επιμήκη κλώνο mRNA απαιτείται ενέργεια. Αυτό, όπως και πολλές βιολογικές διεργασίες, παρέχεται από τους δεσμούς φωσφορικών στα ίδια τα τριφωσφορικά νουκλεοσίδια. Όταν ο δεσμός φωσφορικού-φωσφορικού υψηλής ενέργειας σπάσει, το προκύπτον νουκλεοτίδιο (AMP, CMP, GMP και UMP. Σε αυτά τα νουκλεοτίδια, το "MP" σημαίνει "μονοφωσφορικό") προστίθεται στο mRNA και ένα ζεύγος ανόργανων φωσφορικών μορίων, συνήθως γραμμένο PP_Εγώ, πέσε.

Καθώς γίνεται μεταγραφή, το κάνει, όπως δηλώνεται, κατά μήκος ενός κλώνου DNA. Να γνωρίζετε, ωστόσο, ότι ολόκληρο το μόριο DNA δεν ξετυλίγεται και διαχωρίζεται σε συμπληρωματικούς κλώνους. Αυτό συμβαίνει μόνο σε άμεση γειτνίαση με τη μεταγραφή. Ως αποτέλεσμα, μπορείτε να απεικονίσετε μια "φούσκα μεταγραφής" που κινείται κατά μήκος του μορίου DNA. Αυτό είναι σαν ένα αντικείμενο που κινείται κατά μήκος ενός φερμουάρ που αποσυμπιέζεται ακριβώς μπροστά από το αντικείμενο με έναν μηχανισμό, ενώ ένας διαφορετικός μηχανισμός ξανα-φερμουάρ το φερμουάρ στο ξύπνημα του αντικειμένου.

Τέλος, όταν το mRNA έχει φτάσει στο απαιτούμενο μήκος και μορφή, το λήξη η φάση ξεκινά. Όπως η έναρξη, αυτή η φάση ενεργοποιείται από συγκεκριμένες αλληλουχίες DNA που λειτουργούν ως σημεία διακοπής για πολυμεράση RNA.

Στα βακτήρια, αυτό μπορεί να συμβεί με δύο γενικούς τρόπους. Σε ένα από αυτά, η αλληλουχία τερματισμού μεταγράφεται, δημιουργώντας ένα μήκος mRNA που διπλώνει ξανά στον εαυτό του και συνεπώς «συσσωρεύεται» καθώς η πολυμεράση RNA συνεχίζει να κάνει τη δουλειά της. Αυτά τα διπλωμένα τμήματα του mRNA αναφέρονται συχνά ως κλώνοι φουρκέτας και περιλαμβάνουν συμπληρωματική σύζευξη βάσεων εντός του μορίου μονόκλωνου αλλά παραμορφωμένου mRNA. Κατάντη από αυτό το τμήμα φουρκέτας είναι μια παρατεταμένη έκταση βάσεων U ή υπολειμμάτων. Αυτά τα γεγονότα αναγκάζουν την πολυμεράση RNA να σταματήσει την προσθήκη νουκλεοτιδίων και να αποκολληθεί από το DNA, τερματίζοντας τη μεταγραφή. Αυτό αναφέρεται ως τερματισμός ανεξάρτητου rho επειδή δεν βασίζεται σε πρωτεΐνη γνωστή ως παράγοντας rho.

Σε τερματισμό που εξαρτάται από rho, η κατάσταση είναι απλούστερη και δεν χρειάζονται τμήματα mRNA φουρκέτας ή υπολείμματα U. Αντ 'αυτού, ο παράγοντας rho συνδέεται στο απαιτούμενο σημείο στο mRNA και τραβά φυσικά το mRNA μακριά από την πολυμεράση RNA. Το αν συμβαίνει ο ανεξάρτητος από το rho ή ο τερματισμός που εξαρτάται από το rho εξαρτάται από την ακριβή έκδοση της πολυμεράσης RNA που δρα στο DNA και το mRNA (υπάρχει μια ποικιλία υποτύπων) καθώς και οι πρωτεΐνες και άλλοι παράγοντες στην άμεση κυτταρική περιβάλλον.

Και οι δύο καταρράκτες γεγονότων οδηγούν τελικά στο mRNA να απελευθερωθεί από το DNA στη φούσκα μεταγραφής.

Υπάρχουν πολλές διαφορές μεταξύ της μεταγραφής στα προκαρυωτικά (σχεδόν όλα είναι βακτήρια) και των ευκαρυωτικών (πολυκυτταρικοί οργανισμοί όπως ζώα, φυτά και μύκητες). Για παράδειγμα, η έναρξη σε προκαρυωτικά συνήθως περιλαμβάνει μια διάταξη βάσης DNA γνωστή ως το κουτί Pribnow, με η βασική ακολουθία TATAAT βρίσκεται περίπου 10 ζεύγη βάσεων μακριά από το σημείο όπου πραγματοποιείται η έναρξη της μεταγραφής. Ωστόσο, οι ευκαρυώτες έχουν αλληλουχίες ενισχυτή τοποθετημένες σε σημαντική απόσταση από την τοποθεσία έναρξης, όπως καθώς και ενεργοποιητικές πρωτεΐνες που βοηθούν στην παραμόρφωση του μορίου DNA με τρόπο που το καθιστά πιο προσιτό στο RNA πολυμεράση.

Επιπλέον, η επιμήκυνση συμβαίνει περίπου δύο φορές πιο γρήγορα στα βακτήρια (περίπου 42 έως 54 ζεύγη βάσης ανά λεπτό, που συνορεύουν με το ένα ανά δευτερόλεπτο) όπως στα ευκαρυωτικά (περίπου 22 έως 25 ζεύγη βάσης ανά λεπτό). Τέλος, ενώ οι βακτηριακοί μηχανισμοί τερματισμού περιγράφονται παραπάνω, σε ευκαρυωτικά, αυτή η φάση περιλαμβάνει συγκεκριμένους παράγοντες τερματισμού, καθώς και ένα σκέλος του RNA που ονομάζεται poly-A (όπως σε, πολλοί βάσεις αδενίνης στη σειρά) "ουρά." Δεν είναι ακόμη σαφές εάν η διακοπή της επιμήκυνσης προκαλεί τη διάσπαση του mRNA από τη φυσαλίδα ή εάν η ίδια η διάσπαση τερματίζει απότομα την επιμήκυνση επεξεργάζομαι, διαδικασία.