Transkriptsioon (geneetika)

Initsiatsioon

Bakterites algab transkriptsioon RNA polümeraasi seondumisega DNA promootorile. RNA polümeraas on tuumikensüüm (tuumikensüüm koosneb ensüümi allüksustest, mida on vaja katalüütiliseks aktiivsuseks), mis koosneb viiest alaühikust: 2 α alaühikut, 1 β alaühik, 1 β' alaühik ja 1 ω alaühik. Initsiatsiooni alguses on tuumikensüüm ühendatud sigma faktoriga, mis aitab leida õiged −35 ja −10 aluspaarid allpool (downstream) promootorjärjestust.
Eukarüootides on transkriptsiooni initsiatsioon keerulisem. Eukarüootne RNA polümeraas ei tunne otseselt tuumikpromootorjärjestust ära. Selle asemel vahendavad transkriptsioonifaktorid RNA polümeraasi seondumist ja transkriptsiooni initsiatsiooni. Alles pärast kindla transkriptsioonifaktori ühendumist promootorjärjestusele seondub RNA polümeraas sellele. Täielik kogum, mis seondub promootorile, moodustades transkriptsiooni initsiatsiooni kompleksi, koosneb transkriptsioonifaktoritest ja RNA polümeraasist. Arhede transkriptsiooni domeen on sarnane eukarüootide omaga.

Promootori vabastamine

Pärast esimese sideme sünteesimist peab RNA polümeraas promootori vabastama. Selle aja jooksul moodustatakse lühikesi, 2–8-ribonukleotiidilisi ahelaid, mis vabanevad. Antud protsessi nimetatakse abortiivseks initsiatsiooniks ja on tavaline nii eukarüootides kui ka prokarüootides. Nurjunud initsiatsioon ilmneb senikaua, kuni σ-faktor paigutub ümber, mille tulemuseks on transkriptsiooni elongatsiooni kompleks (see annab 35 aluspaari suuruse liikuva jälje). σ-faktor vabastatakse enne, kui mRNA-st on 80 nukleotiidi sünteesitud. Kui transkriptist on sünteesitud umbes 23 nukleotiidi, ei libise see enam ja elongatsioon võib alata. See, nagu ka paljud teised transkriptsiooni osad, on energiat tarbiv protsess, kasutades energiaks adenosiintrifosfaadi (ATP) hüdrolüüsil vabanevat energiat.
Promootori vabastamine prokarüootides langeb kokku eukarüootide RNA polümeraasi karboksüülterminaalse (C-terminaalse) otsa 5. seriini fosforüülimisega, mida viib läbi TFIIH.

Elongatsioon

Ühte DNA ahelat, matriitsahelat, kasutatakse RNA sünteesi "šablooniks". Samal ajal kui transkriptsioon jätkub, kasutab RNA polümeraas aluspaaride komplementaarsust DNA matriitsahelaga, et luua RNA koopia. RNA polümeraas sünteesib uut RNA ahelat 5'→3' suunas, mille tulemusel tekib täpne koopia kodeeritud ahelast. Ainuke vahe seisneb selles, et tümiinid on asendunud uratsiilidega ja nukleotiidid koosnevad riboosidest (5-süsinikku), samal ajal kui DNA nukleotiididel on desoksüriboosid (võrreldes riboosiga puudub 2' hüdroksüülrühm).
Erinevalt DNA replikatsioonist, võib mRNA transkriptsioonil osaleda mitu RNA polümeraasi ühel DNA ahelal ja toimuda võib mitu transkriptsiooni korraga, seega on võimalik ühelt geenikoopialt toota kiiresti mitu mRNA molekuli.
Elongatsioon sisaldab ka proofreading-mehhanismi, mis vahetab välja valesti paardunud nukleotiidid. Eukarüootides võib see tähendada pause transkriptsiooni ajal, mis lubavad kohastel RNA-d redigeerivatel faktoritel seonduda. Need pausid võivad olla ka RNA polümeraasi kromatiini struktuurist tulenevate erinevuste pärast loomulikud.

Terminatsioon

Elongatsiooni lõppemiseks on vajalik terminatsiooni signaal, mille tulemusel transkriptsiooni kompleks dissotseerub. Prokarüoodid kasutavad transkriptsiooni terminatsioonil kahte erinevat strateegiat: Rho-sõltuv või Rho-sõltumatu terminatsioon.
Rho-sõltumatu terminatsiooni puhul lõpeb RNA transkriptsioon siis, kui värskelt sünteesitud RNA molekul moodustab G-C-rikka juuksenõelstruktuuri, millele järgneb uratsiili jääkide rida. Kui juuksenõelstruktuur moodustub, lõhutakse mehaanilise surve tõttu nõrgad U-A sidemed, mis moodustuvad DNA-RNA hübriidi vahel. See aga tõmbab polü-U transkripti RNA polümeraasi aktiivsaidist välja, põhjustades transkriptsiooni termineerimise. 
Rho-sõltuvatute terminatsiooni tüübil destabiliseerivad Rho-valgud matriits-DNA ja mRNA-vahelist vastastikust mõju, mis vabastab värskelt sünteesitud mRNA elongatsiooni kompleksilt.
Eukarüootides on transkriptsiooni terminatsioonist vähem teada, aga see sisaldab uuele transkriptile polü A-de lisamist RNA uude 3' otsa ja cap struktuuri lisamist 5' otsa. Kui transkriptsi esineb introneid, siis lõigatakse need pre-mRNA-st välja.

Ajalugu

Hüpoteesi molekulist, mis lubab geneetilist materjali vaadelda valguna, püstitasid esimesena Francois Jacob ja Jacques Monod. RNA polümeraasi poolt läbiviidav RNA süntees tuvastas in vitro mitu laborit 1965. aastaks; kuigi nende ensüümide sünteesitud RNA-l olid omadused, mis vihjasid lisafaktorile, mida oleks transkriptsiooni terminatsiooni õigeks lõpetamiseks vaja.
1972. aastal tõestas Walter Fiers esimest korda terminaalse ensüümi olemasolu.
Roger D. Kornberg sai oma "molekulaarsel tasandil eukarüootse transkriptsiooni uuringute" eest 2006. aastal Nobeli auhinna keemias.

Pöördtranskriptsioon

Mõnedel viirustel (nt HIV, mis põhjustab AIDS-i) on võime transkribeerida RNA DNA-ks. HIV-l on genoomiks üheahelaline RNA, mis duplitseeritakse DNA-ks. Protsessi viib läbi RNA-sõltuv DNA polümeraas e. Revertaas. Selle tulemusel võib DNA ühineda peremeesraku DNA genoomiga. Peamist ensüümi, mis vastutab DNA sünteesi eest, nimetatakse pöördtranskriptaasiks. HIV puhul vastutab pöördtranskriptaas viiruse RNA genoomilt komplementaarse DNA ahela (cDNA) sünteesi eest. Abiensüüm ribonukleaas H loeb RNA ahelat ja pöördtranskriptaas sünteesib komplementaarse DNA ahela, mis võtab topeltheeliksi struktuuri. Antud cDNA integreerub peremeesraku genoomi integraasi abiga. Integreerumise tagajärjel hakkab peremeesrakk tootma viiruse valke, mis on vajalikud uute viiruspartiklite moodustamiseks.
Mõned eukarüootsed rakud sisaldavad ensüüme, millel on pöördtranskriptaasne aktiivsus. Nendeks ensüümideks on telomeraasid, mis pikendavad lineaarseid kromosoome. DNA pikenenud otsad on olulised, sest iga kord, kui kromosoomi kahekordistatakse, lüheneb kromosoomi pikkus paari nukleotiidi võrra. Lühenemine toimub kromosoomi otstes, kus on telomeraasi sünteesitud DNA järjestus. Sellelt järjestuselt ei kodeerita ühtegi geeni ja seda on vaja ainult ülejäänud kromosoomi kaitsmiseks. Telomeraas on tihti aktiveeritud vähirakkudes, et need rakud saaksid oma genoome lõputult duplitseerida, ilma et kaotaksid vajalikke valke kodeerivaid DNA järjestusi. Telomeraasi aktiveerimine võib muuta vähirakud surematuteks. Sellegipoolest pole telomeraasi tõeline olulisus in vivo veel empiiriliselt tõestatud.