Bakteriell transkription
| Del av en serie om |
| genetik |
|---|
 |
.jpg){kind=spacer}
Bakteriell transkription är den process där ett segment av bakteriellt DNA kopieras till en nysyntetiserad sträng av budbärar-RNA (mRNA) med användning av enzymet RNA-polymeras .
Processen sker i tre huvudsteg: initiering, förlängning och avslutning; och slutresultatet är en sträng av mRNA som är komplementär till en enkel DNA-sträng. I allmänhet står den transkriberade regionen för mer än en gen. Faktum är att många prokaryota gener förekommer i operoner , som är en serie gener som arbetar tillsammans för att koda för samma protein eller genprodukt och som kontrolleras av en enda promotor . Bakteriellt RNA-polymeras består av fyra subenheter och när en femte subenhet fäster, kallad σ-faktorn, kan polymeraset känna igen specifika bindningssekvenser i DNA:t, så kallade promotorer . Bindningen av σ-faktorn till promotorn är det första steget i initieringen. När väl σ-faktorn frigörs från polymeraset fortsätter förlängningen. Polymeraset fortsätter ner i det dubbelsträngade DNA:t, lindar upp det och syntetiserar den nya mRNA-strängen tills den når ett termineringsställe. Det finns två uppsägningsmekanismer som diskuteras mer i detalj nedan. Avslutning krävs vid specifika ställen för att korrekt genuttryck ska ske. Genuttryck avgör hur mycket genprodukt, såsom protein, som görs av genen. Transkription utförs av RNA-polymeras men dess specificitet kontrolleras av sekvensspecifika DNA-bindande proteiner som kallas transkriptionsfaktorer . Transkriptionsfaktorer arbetar för att känna igen specifika DNA-sekvenser och, baserat på cellernas behov, främja eller hämma ytterligare transkription. I likhet med andra taxa upplever bakterier transkriptionsskurar . Jones-teamets arbete i Jones et al 2014 förklarar några av de bakomliggande orsakerna till utbrott och annan variation, inklusive stabiliteten hos det resulterande mRNA:t, styrkan av främjande som kodas i den relevanta promotorn och transkriptionens varaktighet på grund av styrkan hos TF bindningsställe. De fann också att bakteriella TF: er dröjer för kort för att TF: s bindningsegenskaper ska kunna förklara den ihållande transkriptionen av skurar.
Bakterietranskription skiljer sig från eukaryot transkription på flera sätt. Hos bakterier kan transkription och translation ske samtidigt i cellens cytoplasma , medan i eukaryoter sker transkription i kärnan och translation sker i cytoplasman. Det finns bara en typ av bakteriellt RNA-polymeras medan eukaryoter har 3 typer. Bakterier har en σ-faktor som detekterar och binder till promotorställen men eukaryoter behöver ingen σ-faktor. Istället har eukaryoter transkriptionsfaktorer som tillåter igenkänning och bindning av promotorställen.
Sammantaget är transkription inom bakterier en mycket reglerad process som styrs av integrationen av många signaler vid en given tidpunkt. Bakterier är starkt beroende av transkription och translation för att generera proteiner som hjälper dem att reagera specifikt på sin miljö.
RNA-polymeras
RNA-polymeras består av en kärna och en holoenzymstruktur. Kärnenzymerna innehåller de katalytiska egenskaperna hos RNA-polymeras och består av ββ′α2ω-subenheter. Denna sekvens är bevarad över alla bakteriearter. Holoenzymet består av en specifik komponent som kallas sigmafaktorn. Sigma-faktorn fungerar för att hjälpa till med promotorigenkänning, korrekt placering av RNA-polymeras och att börja avvecklas vid startplatsen. Efter att sigmafaktorn utfört sin erforderliga funktion dissocierar den, medan den katalytiska delen stannar kvar på DNA:t och fortsätter transkriptionen. Dessutom innehåller RNA-polymeras en kärn-Mg+-jon som hjälper enzymet med dess katalytiska egenskaper. RNA-polymeras fungerar genom att katalysera den nukleofila attacken av 3' OH av RNA till alfafosfatet i en komplementär NTP-molekyl för att skapa en växande RNA-sträng från DNA-mallsträngen. Dessutom uppvisar RNA-polymeras också exonukleasaktiviteter, vilket innebär att om felaktig basparning upptäcks kan det skära ut de felaktiga baserna och ersätta dem med den korrekta, korrekta.
Initiering
Initiering av transkription kräver promotorregioner, som är specifika nukleotidkonsensussekvenser som talar om för σ-faktorn på RNA-polymeras var den ska binda till DNA:t. Promotorerna är vanligtvis belägna 15 till 19 baser från varandra och är vanligast förekommande uppströms om de gener som de kontrollerar. RNA-polymeras är uppbyggt av 4 subenheter, som inkluderar två alfas, en beta och en beta prime (α, α, β och β'). En femte subenhet, sigma (kallad σ-faktor), är endast närvarande under initiering och lossnar före förlängning. Varje subenhet spelar en roll i initieringen av transkription, och σ-faktorn måste vara närvarande för att initiering ska ske. När all σ-faktor är närvarande är RNA-polymeras i sin aktiva form och kallas holoenzymet. När σ-faktorn lossnar är den i kärnpolymerasform. σ-faktorn känner igen promotorsekvenser vid -35 och -10 regioner och transkription börjar vid startstället (+1). Sekvensen för -10-regionen är TATAAT och sekvensen för -35-regionen är TTGACA.
- σ-faktorn binder till -35-promotorregionen. Vid denna tidpunkt kallas holoenzymet det slutna komplexet eftersom DNA:t fortfarande är dubbelsträngat (anslutet med vätebindningar).
- När väl σ-faktorn binder, fäster de återstående subenheterna av polymeraset till stället. Den höga koncentrationen av adenin-tyminbindningar vid -10-regionen underlättar avvecklingen av DNA:t. Vid denna tidpunkt kallas holoenzymet det öppna komplexet . Detta öppna komplex kallas också för transkriptionsbubblan . Endast en DNA-sträng, som kallas mallsträngen (även kallad den icke-kodande strängen eller nonsens-/antisenssträngen), transkriberas.
- Transkription börjar och korta " abortiva " nukleotidsekvenser som är ungefär 10 baspar långa produceras. Dessa korta sekvenser är icke-funktionella bitar av RNA som produceras och sedan frigörs. I allmänhet består denna nukleotidsekvens av cirka tolv baspar och hjälper till att bidra till stabiliteten hos RNA-polymeras så att den kan fortsätta längs DNA-strängen.
- σ-faktorn behövs för att initiera transkription men behövs inte för att fortsätta transkribera DNA:t. σ-faktorn dissocierar från kärnenzymet och förlängningen fortsätter. Detta signalerar slutet av initieringsfasen och holoenzymet är nu i kärnpolymerasform.
Promotorregionen är en primär regulator av transkription. Promotorregioner reglerar transkription av alla gener i bakterier. Som ett resultat av deras involvering är sekvensen av baspar inom promotorregionen signifikant; ju mer lik promotorregionen är konsensussekvensen, desto tätare kommer RNA-polymeras att kunna binda. Denna bindning bidrar till stabiliteten i transkriptionsstadiet för förlängning och resulterar totalt sett i mer effektiv funktion. Dessutom finns RNA-polymeras och σ-faktorer i begränsad tillgång inom en given bakteriecell. Följaktligen påverkas σ-faktorbindning till promotorn av dessa begränsningar. Alla promotorregioner innehåller sekvenser som anses vara icke-konsensus och detta hjälper till att fördela σ-faktorer över hela genomet.
Förlängning
Under förlängning glider RNA-polymeras ner i det dubbelsträngade DNA:t, lindar upp det och transkriberar (kopierar) dess nukleotidsekvens till nysyntetiserat RNA. Rörelsen av RNA-DNA-komplexet är väsentlig för den katalytiska mekanismen för RNA-polymeras. Dessutom ökar RNA-polymeras den övergripande stabiliteten för denna process genom att fungera som en länk mellan RNA- och DNA-strängarna. Nya nukleotider som är komplementära till DNA-mallsträngen läggs till 3'-änden av RNA-strängen. Den nybildade RNA-strängen är praktiskt taget identisk med den DNA-kodande strängen (senssträng eller icke-mallsträng), förutom att den har uracil som ersätter tymin och en ribossockerryggrad istället för en deoxiribossockerryggrad. Eftersom nukleosidtrifosfater (NTP) behöver fästa till OH-molekylen på 3'-änden av RNA:t, sker transkription alltid i 5'- till 3'-riktningen . De fyra NTP:erna är adenosin-5'-trifosfat ( ATP ), guanosid-5'-trifosfat ( GTP ), uridin-5'-trifosfat ( UTP ) och cytidin-5'-trifosfat ( CTP ). Fästningen av NTP på 3'-änden av RNA-transkriptet ger den energi som krävs för denna syntes. NTP är också energiproducerande molekyler som tillhandahåller bränslet som driver kemiska reaktioner i cellen.
Flera RNA-polymeraser kan vara aktiva på en gång, vilket innebär att många strängar av mRNA kan produceras mycket snabbt. RNA-polymeras flyttar ner DNA snabbt med cirka 40 baser per sekund. På grund av den snabba karaktären av denna process, lindas DNA kontinuerligt före RNA-polymeras och lindas sedan tillbaka när RNA-polymeras går vidare. Polymeraset har en korrekturläsningsmekanism som begränsar misstag till cirka 1 av 10 000 transkriberade nukleotider. RNA-polymeras har lägre tillförlitlighet (noggrannhet) och hastighet än DNA-polymeras . DNA-polymeras har en mycket annorlunda korrekturläsningsmekanism som inkluderar exonukleasaktivitet , vilket bidrar till den högre troheten. Konsekvensen av ett fel under RNA-syntes är vanligtvis ofarligt, medan ett fel i DNA-syntes kan vara skadligt.
Promotorsekvensen bestämmer transkriptionsfrekvensen av dess motsvarande gen.
Uppsägning
För att korrekt genuttryck ska ske måste transkriptionen stoppas vid specifika platser. Två avslutningsmekanismer är välkända:
- Inneboende terminering (även kallad Rho-oberoende terminering ): Specifika DNA-nukleotidsekvenser signalerar att RNA-polymeraset slutar. Sekvensen är vanligen en palindromisk sekvens som får strängen att slingra sig vilket stoppar RNA-polymeraset. I allmänhet följer denna typ av uppsägning samma standardprocedur. En paus kommer att inträffa på grund av en polyuridinsekvens som tillåter bildandet av en hårnålsögla . Denna hårnålsögla kommer att hjälpa till att bilda ett fångat komplex, vilket i slutändan kommer att orsaka dissociering av RNA-polymeras från mall-DNA-strängen och stoppa transkription.
- Rho-beroende terminering: ρ-faktor (rho-faktor) är ett terminatorprotein som fäster på RNA-strängen och följer efter polymeraset under förlängning. När polymeraset närmar sig slutet av genen det transkriberar möter det en serie G-nukleotider som får den att stanna. Denna avstängning gör att rho-faktorn kan komma ikapp RNA-polymeraset. Rho-proteinet drar sedan RNA-transkriptet från DNA-mallen och det nysyntetiserade mRNA:t frigörs, vilket avslutar transkriptionen. Rho-faktor är ett proteinkomplex som också uppvisar helikasaktiviteter (kan varva ner nukleinsyrasträngarna). Det kommer att binda till DNA i cytosinrika regioner och när RNA-polymeras stöter på det bildas ett fångat komplex som orsakar dissociation av alla involverade molekyler och avslutar transkription.
Avslutningen av DNA-transkription i bakterier kan stoppas av vissa mekanismer där RNA-polymeraset kommer att ignorera terminatorsekvensen tills nästa nås. Detta fenomen är känt som antiterminering och används av vissa bakteriofager .