DNA-transcriptie: hoe werkt het?

Ongeacht of je een nieuwkomer bent in de biologie of een oude liefhebber, de kans is groot dat door standaard zie je deoxyribonucleïnezuur (DNA) als misschien wel het meest onmisbare concept in het hele leven wetenschap. U bent zich er in ieder geval van bewust dat DNA u uniek maakt onder de miljarden mensen op de... planeet, waardoor het een rol krijgt in de wereld van het strafrecht en centraal staat in de moleculaire biologie lezingen. Je hebt bijna zeker geleerd dat DNA verantwoordelijk is voor het schenken van alle eigenschappen die je hebt geërfd van je ouders, en dat je eigen DNA je directe erfenis is aan toekomstige generaties, mocht je dat hebben kinderen.

Waar je misschien niet veel van weet, is het pad dat het DNA in je cellen verbindt met de fysieke eigenschappen die je manifesteert, zowel openlijk als verborgen, en de reeks stappen langs dat pad. Moleculaire biologen hebben het concept van een 'centraal dogma' in hun vakgebied ontwikkeld, dat eenvoudig kan worden samengevat als "DNA naar RNA naar eiwit." Het eerste deel van dit proces - het genereren van RNA of ribonucleïnezuur uit DNA - staat bekend als:

DNA en RNA zijn nucleïnezuren. Beide zijn fundamenteel voor het hele leven; deze macromoleculen zijn zeer nauw verwant, maar hun functies, hoewel voortreffelijk met elkaar verweven, zijn zeer uiteenlopend en gespecialiseerd.

DNA is een polymeer, wat betekent dat het bestaat uit een groot aantal zich herhalende subeenheden. Deze subeenheden zijn niet precies identiek, maar ze zijn identiek van vorm. Overweeg een lange reeks kralen bestaande uit kubussen die in vier kleuren verkrijgbaar zijn en die enigszins in grootte variëren, en je krijgt een basisgevoel van hoe DNA en RNA zijn gerangschikt.

De monomeren (subeenheden) van nucleïnezuren staan ​​bekend als: nucleotiden. Nucleotiden zelf bestaan ​​uit triaden van drie verschillende moleculen: een fosfaatgroep (of groepen), a suiker met vijf koolstofatomen en een stikstofrijke base ("base" niet in de zin van "fundering", maar betekent "waterstof-ion acceptant"). De nucleotiden waaruit nucleïnezuren bestaan, hebben één fosfaatgroep, maar sommige hebben twee of zelfs drie fosfaten op een rij. De moleculen adenosinedifosfaat (ADP) en adenosinetrifosfaat (ATP) zijn nucleotiden die van buitengewoon belang zijn in het cellulaire energiemetabolisme.

DNA en RNA verschillen op verschillende belangrijke manieren. Eén, terwijl elk van deze moleculen vier verschillende stikstofbasen bevat, omvat DNA adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T), terwijl RNA de eerste drie hiervan omvat, maar uracil (U) vervangt door T. Ten tweede is de suiker in DNA deoxyribose, terwijl die in RNA ribose is. En ten derde is DNA dubbelstrengs in zijn meest energetisch stabiele vorm, terwijl RNA enkelstrengs is. Deze verschillen zijn van groot belang bij zowel de transcriptie specifiek als de functie van deze respectievelijke nucleïnezuren in het algemeen.

De basen A en G worden purines genoemd, terwijl C, T en U worden geclassificeerd als pyrimidinen. Kritisch, A bindt chemisch aan, en alleen aan, T (indien DNA) of U (indien RNA); C bindt aan en alleen aan G. De twee strengen van een DNA-molecuul zijn complementair, wat betekent dat de basen in elke streng op elk punt overeenkomen met de unieke "partner"-base in de tegenovergestelde streng. AACTGCGTATG is dus complementair aan TTGACGCATAC (of UUGACGCAUAC).

Voordat we ingaan op de mechanica van DNA-transcriptie, is het de moeite waard om even de terminologie door te nemen geassocieerd met DNA en RNA, want met zoveel gelijk klinkende woorden in de mix, kan het gemakkelijk zijn om te verwarren hen.

Replicatie is de handeling van het maken van een identieke kopie van iets. Wanneer u een fotokopie maakt van een geschreven document (old school) of de kopieer-en-plak-functie op een computer gebruikt (new school), kopieert u in beide gevallen de inhoud.

DNA ondergaat replicatie, maar RNA, voor zover de moderne wetenschap kan nagaan, niet; het komt alleen voort uit transcriptie_._ Van een Latijnse stam die 'overschrijven' betekent, is transcriptie de codering van een bepaald bericht in een kopie van een originele bron. U hebt misschien gehoord van medische transcriptionisten, wiens taak het is om de medische aantekeningen die als geluidsopname zijn gemaakt, in geschreven vorm in te typen. Idealiter zullen de woorden, en dus de boodschap, precies hetzelfde zijn, ondanks de verandering van medium. In cellen omvat transcriptie het kopiëren van een genetisch DNA-bericht, geschreven in de taal van stikstofbasensequenties, in RNA-vorm - speciaal, boodschapper-RNA (mRNA). Deze RNA-synthese vindt plaats in de kern van eukaryote cellen, waarna het mRNA de kern verlaat en op weg gaat naar een structuur die een ribosoom wordt genoemd. vertaling.

Terwijl transcriptie de eenvoudige fysieke codering van een bericht in een ander medium is, is vertaling, in biologische termen, de omzetting van dat bericht in doelgerichte actie. Een lengte van DNA of een enkel DNA-bericht, genaamd a gen, resulteert uiteindelijk in cellen die een uniek eiwitproduct produceren. Het DNA verzendt dit bericht in de vorm van mRNA, dat het bericht vervolgens naar een ribosoom brengt om het te vertalen in het maken van een eiwit. In deze visie is mRNA als een blauwdruk of een set instructies voor het monteren van een meubelstuk.

Dat lost hopelijk alle mysteries op die je hebt over wat nucleïnezuren doen. Maar hoe zit het in het bijzonder met transcriptie?

DNA, vrij beroemd, is geweven in een dubbelstrengs helix. Maar in deze vorm zou het fysiek moeilijk zijn om er iets van te bouwen. Daarom is in de initiatie fase (of stap) van transcriptie, wordt het DNA-molecuul afgewikkeld door enzymen die helicasen worden genoemd. Slechts één van de twee resulterende DNA-strengen wordt tegelijk gebruikt voor RNA-synthese. Deze streng wordt de niet-coderen omdat, dankzij de regels van DNA- en RNA-basenparing, de andere DNA-streng dezelfde sequentie van stikstofbasen heeft als het te synthetiseren mRNA, waardoor deze streng de codering strand. Op basis van eerder gemaakte punten kun je concluderen dat een DNA-streng en het mRNA dat het maakt, complementair zijn.

Nu de streng klaar is voor actie, geeft een stukje DNA, de promotorsequentie genaamd, aan waar de transcriptie langs de streng moet beginnen. Het enzym RNA-polymerase arriveert op deze locatie en wordt onderdeel van een promotorcomplex. Dit alles is om ervoor te zorgen dat de mRNA-synthese precies begint waar het hoort op het DNA-molecuul, en dit genereert een RNA-streng die de gewenste gecodeerde boodschap bevat.

Vervolgens, in de verlenging fase, "leest" RNA-polymerase de DNA-streng, beginnend bij de promotorsequentie en bewegend langs de DNA-streng, zoals een leraar die een rij studenten oploopt en tests uitdeelt, nucleotiden toevoegt aan het groeiende uiteinde van het nieuw gevormde RNA molecuul.

De bindingen die ontstaan ​​tussen de fosfaatgroepen van het ene nucleotide en de ribose- of deoxyribosegroep op het volgende nucleotide heten fosfodiesterverbindingen. Merk op dat een DNA-molecuul een zogenaamd 3' ("drie-priemgetal") uiteinde aan het ene uiteinde heeft en een 5' ("vijf-priemgetjes") uiteinde aan het andere uiteinde, waarbij deze getallen afkomstig zijn van de terminale koolstofatoomposities in de respectieve terminale ribose-"ringen". Terwijl het RNA-molecuul zelf in de 3'-richting groeit, beweegt het langs de DNA-streng in de 5'-richting. richting. Je zou een diagram moeten onderzoeken om jezelf ervan te verzekeren dat je de mechanica van mRNA-synthese volledig begrijpt.

De toevoeging van nucleotiden – in het bijzonder nucleosidetrifosfaten (ATP, CTP, GTP en UTP; ATP is adenosinetrifosfaat, CTP is cytidinetrifosfaat enzovoort) - voor de langwerpige mRNA-streng is energie nodig. Dit wordt, zoals zoveel biologische processen, geleverd door de fosfaatbindingen in de nucleosidetrifosfaten zelf. Wanneer de hoogenergetische fosfaat-fosfaatbinding wordt verbroken, wordt de resulterende nucleotide (AMP, CMP, GMP en UMP; in deze nucleotiden, de "MP" staat voor "monofosfaat") wordt toegevoegd aan mRNA, en een paar anorganische fosfaatmoleculen, meestal geschreven PP_ik, wegvallen.

Als transcriptie plaatsvindt, gebeurt dat, zoals gezegd, langs een enkele DNA-streng. Houd er echter rekening mee dat het hele DNA-molecuul zich niet ontrolt en scheidt in complementaire strengen; dit gebeurt alleen in de directe omgeving van transcriptie. Als resultaat kun je een "transcriptiebel" visualiseren die langs het DNA-molecuul beweegt. Dit is als een object dat langs een rits beweegt die door het ene mechanisme vlak voor het object wordt opengeritst, terwijl een ander mechanisme de rits opnieuw dichtritst in het kielzog van het object.

Ten slotte, wanneer het mRNA de vereiste lengte en vorm heeft bereikt, beëindiging fase komt op gang. Net als initiatie wordt deze fase mogelijk gemaakt door specifieke DNA-sequenties die fungeren als stoptekens voor RNA-polymerase.

Bij bacteriën kan dit op twee algemene manieren gebeuren. In een van deze wordt de terminatiesequentie getranscribeerd, waardoor een stuk mRNA wordt gegenereerd dat zich terugvouwt en daardoor "opeenhoopt" terwijl het RNA-polymerase zijn werk blijft doen. Deze gevouwen secties van mRNA worden vaak haarspeldstrengen genoemd en ze omvatten complementaire basenparen binnen het enkelstrengs maar verwrongen mRNA-molecuul. Stroomafwaarts van dit haarspeldgedeelte is een langdurig stuk U-bases of resten. Deze gebeurtenissen dwingen de RNA-polymerase om te stoppen met het toevoegen van nucleotiden en los te maken van het DNA, waardoor de transcriptie stopt. Dit wordt rho-onafhankelijke terminatie genoemd omdat het niet afhankelijk is van een eiwit dat bekend staat als een rho-factor.

Bij rho-afhankelijke terminatie is de situatie eenvoudiger en zijn er geen haarspeld-mRNA-segmenten of U-residuen nodig. In plaats daarvan bindt de rho-factor aan de vereiste plek op mRNA en trekt het mRNA fysiek weg van RNA-polymerase. Of rho-onafhankelijke of rho-afhankelijke terminatie optreedt, hangt af van de exacte versie van RNA-polymerase die werkt op DNA en mRNA (er bestaat een verscheidenheid aan subtypes), evenals de eiwitten en andere factoren in de directe cellulaire milieu.

Beide cascades van gebeurtenissen leiden er uiteindelijk toe dat het mRNA zich bij de transcriptiebel losmaakt van het DNA.

Er bestaan ​​talrijke verschillen tussen transcriptie in prokaryoten (die bijna allemaal bacteriën zijn) en eukaryoten (meercellige organismen zoals dieren, planten en schimmels). Initiatie bij prokaryoten omvat bijvoorbeeld meestal een DNA-base-rangschikking die bekend staat als de Pribnow-box, met de basensequentie TATAAT ligt ongeveer 10 basenparen verwijderd van waar transcriptie-initiatie zelf plaatsvindt. Eukaryoten hebben echter enhancer-sequenties die op een aanzienlijke afstand van de initiatieplaats zijn gepositioneerd, zoals evenals activator-eiwitten die het DNA-molecuul helpen vervormen op een manier die het toegankelijker maakt voor RNA polymerase.

Bovendien treedt de elongatie bij bacteriën ongeveer twee keer zo snel op (ongeveer 42 tot 54 basenparen per minuut, grenzend aan één per seconde) als bij eukaryoten (ongeveer 22 tot 25 basenparen per minuut). Ten slotte, terwijl bacteriële terminatiemechanismen hierboven zijn beschreven, omvat deze fase bij eukaryoten specifieke terminatiefactoren, evenals een streng RNA die een poly-A wordt genoemd (zoals in veel adenine basen op een rij) "staart." Het is nog niet duidelijk of het stoppen van de verlenging de splitsing van het mRNA uit de bel veroorzaakt of dat de splitsing zelf de verlenging abrupt beëindigt werkwijze.