Transkriptsioon (geneetika)

Transkriptsioon on matriitssüntees, mille käigus sünteesitakse DNA molekuli ühe ahela nukleotiidse järjestusega komplementaarne RNA molekul.

Protsess toimub rakutuumas interfaasi ajal. Seda viib läbi ensüüm RNA-polümeraas, mis peab transkriptsiooni alustamiseks seostuma vastava geeni algusosaga. DNA nukleotiidset järjestust, millega ensüüm peab sünteesi alustamiseks ühinema, nimetatakse promootoriks. Transkriptsiooni käigus keeratakse DNA biheeliks järk-järgult lahti ning sünteesitakse ühe ahela teatava lõiguga komplementaarne RNA molekul. RNA süntees lõpeb, kui polümeraas jõuab DNA piirkonnani, mida nimetatakse terminaatoriks (geeni lõpp). Seal eraldub ensüüm DNA molekulist, mille järgselt taastub DNA endine kaksikspiraalne kuju ning sünteesitud RNA liigub läbi tuumamembraani pooride tsütoplasmasse. Transkriptsiooni produktiks on RNA ahel, milles tümiini (T) nukleotiidid on asendatud uratsiiliga (U). Kuna RNA koostises on lämmastikalus tümiin asendunud uratsiiliga, rakendub transkriptsioonil alljärgnev komplementaarsus.

Transkriptsiooni võib käsitleda 4 või 5 etapina.

  Helikaasse aktiivsusega piirkonda sisaldav RNA polümeraas harutab lahti DNA, lõhkudes komplementaarsete nukleotiidide vahel olevad vesiniksidemed;
  RNA nukleotiidid paarduvad komplementaarsete DNA aluspaaridega;
  RNA polümeraasi abiga tekib RNA suhkur-fosfaatkarkass;
  Lahtiharutatud RNA+DNA heeliksite vahel olevad vesiniksidemed katkevad, vabastades uue sünteesitud RNA ahela;
 Kui rakul on tuum, töödeldakse RNA-d veel edasi (3' otsa lisatakse polü-A saba ja 5' otsa lisatakse cap-struktuur), misjärel väljub RNA läbi tuumapooride kompleksi tsütoplasmasse.

Transkriptsioon on esimene etapp, mis on geenide avaldumise peamiseks regulatsiooni tasemeks. DNA osa, mida transkribeeritakse RNA molekuliks, nimetatakse transkriptsiooni ühikuks ja see kodeerib vähemalt ühte geeni. Kui geen, mida transkribeeritakse, kodeerib valku, on transkriptsiooni tulemuseks informatsiooni-RNA (inglise k messenger RNA) ehk mRNA, mida kasutatakse seejärel valgu sünteesiks, tuntud ka translatsiooni nime all. Alternatiivselt võib transkribeeritud geen kodeerida ribosomaalset RNA-d (rRNA) või transpordi RNA-d (tRNA), mis on mõlemad vastavalt valgu kokkupanekuprotsessi või teiste ribosoomide osadeks.

DNA transkriptsiooni ühik, mis kodeerib valku, sisaldab peale otse valku transleeritava järjestuse (kodeeriva järjestuse) ka regulatoorseid järjestusi, mis juhivad ja reguleerivad seda valgusünteesi. Transkripti 5'-poolsed järjestused on ülesvoolu (ingl. k upstream) ja 3'-poolsed järjestused allavoolu (ingl. k downstream) RNA järjestused. Enne kodeerivat järjestust (upstream) asuvat regulatoorset järjestust nimetatakse viis prim mittetransleeritavaks regiooniks (5'UTR) ja järjestust, mis järgneb kodeerivale osale (downstream), nimetatakse kolm prim mittetransleeritavaks regiooniks (3'UTR) (inglise k untranslated region).

Transkriptsioonil on ka mõned korrektuuri (inglise keeles proofreading) mehhanismid, aga neid on vähem ja need on väiksema efektiivsusega kui DNA replikatsiooni proofreading-mehhanismid; seega on transkriptsioon ebatäpsem kui DNA replikatsioon.

Nagu DNA replikatsioonil, loetakse ka transkriptsioonil DNA-d 3'→5' suunas. Samaaegselt luuakse komplementaarset RNA-d 5'→3' suunas. See tähendab, et 5' ots sünteesitakse esimesena. Olgugi et DNA on topeltheeliks, milles on kaks antiparalleelset ahelat, kasutatakse transkriptsiooniks ainult ühte kahest ahelast. Kasutatavat ahelat nimetatakse ka matriitsahelaks. Ainult ühe ahela kasutamine on põhjustatud sellest, et RNA on vastupidi DNA-le enamikus organismides üheahelaline. DNA ahelat, mida transkriptsioonil ei kasutata, nimetatakse kodeerivaks ahelaks, sest selle järjestus on identne äsja sünteesitud RNA transkriptiga (välja arvatud uratsiili ja tümiini asendus). Kasutades ainult 3'→5' ahelat, eemaldatakse vajadus Okazaki fragmentide järele, mis tekivad DNA replikatsioonil.

Transkriptsioon on jagatud viieks etapiks: eelinitsiatsioon (pre-initsiatsioon), initsiatsioon, promootori vabastamine, elongatsioon ja terminatsioon.

Põhilised etapid

Pre-initsiatsioon

Eukarüootides vajab RNA polümeraas ja tänu sellele ka transkriptsiooni initsiatsioon DNA promootori järjestuse olemasolu. Promootorid on DNA regioonid, alguskohad, tänu millele algab transkriptsioon ja mis asuvad eukarüootides 30, 75 ja 90 aluspaari enne transkriptsiooni alguskohta. Promootoris olevad järjestused on transkriptsiooni initsiatsiooni jaoks hädavajalikud. Enne kui süntees algab, peab RNA polümeraas seonduma DNA kindla piirkonnaga, mida kutsutakse geeni promootoriks. Seondumine toimub kindlate transkriptsioonifaktorite juuresolekul. Lisafaktorid, mis aitavad RNA polümeraasil seonduda, ei osale hilisemal ahela pikendamisel (elongatsioonil).

Kõige rohkem iseloomustatud promootori tüüp on eukarüootides lühike DNA järjestus, mida nimetatakse TATA järjestuseks, mis asub 25–30 aluspaari enne transkriptsiooni alguskohta (upstream). TATA järjestus on TATA-seonduvale valgule (inglise k TATA-binding protein (TBP)) seondumiskohaks. TBP on ise alaühikuks teisele transkriptsioonifaktorile, Transkriptsioonifaktor II D'le (TFIID). Pärast TFIID seondumist TATA järjestusele, läbi TBP, ühinevad TATA järjestuse ümber veel viis transkriptsioonifaktorit ja RNA polümeraas. Tekkivat kompleksi nimetatakse preinitsiatsiooni kompleksiks. Ühel transkriptsiooni faktoril, DNA helikaasil, on helikaasne aktiivsus ning on seetõttu seotud kaheahelalise DNA ahelate eraldamisega, tagamaks ligipääsu üheahelalisele matriits DNA-le. Teised valgud, aktivaatorid ja repressorid vastutavad koos erinevate seotud koaktivaatorite või korepressoritega transkriptsiooni moduleerimise taseme eest.

Seega sisaldab preinitsiatsiooni kompleks
 peamist promootori järjestust,
 transkriptsiooni faktoreid,
 DNA helikaasi,
 RNA polümeraasi,
 aktivaatoreid ja repressoreid.

Arhede transkriptsiooni preinitsiatsiooni põhiolemus sarnaneb eukarüootide omaga, ent pole nii keeruline. Arhede preinitsiatsiooni kompleks seostub TATA järjestuse seondumissaidiga; ometi koosneb arhede kompleks ainult RNA polümeraasist II, TBPst ja TFB (homoloog eukarüootide transkriptsioonifaktor II B'le(TFIIB)).

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 sarnaneb eukarüootide omaga.

Promootori vabastamine

Pärast esimese sideme sünteesimist peab RNA polümeraas promootori vabastama. Selle aja jooksul moodustatakse lühikesi, 2–8-ribonukleotiidilisi ahelaid, mis vabanevad. Seda 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 dissotsieerub. Prokarüoodid kasutavad transkriptsiooni terminatsioonil kahte 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 ehk 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. See 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.

Vaata ka 
Translatsioon

Viited

Biokeemia
Geneetika