Ablauf der Transkription

Überblick über die Genexpression

Definition

Zentrales Dogma der Biologie: Die Genexpression erfolgt von der DNA zum Protein. Zunächst wird DNA in RNA transkribiert, die dann in ein Protein oder ein Proteinfragment (Polypeptid) übersetzt wird.

Die Transkription ist ein Teilprozess der Proteinbiosynthese, bei dem die DNA als Matrize verwendet wird, um eine mRNA herzustellen.

DNA

Die DNA ist ein Doppelhelix-Molekül, das aus zwei antiparallel angeordneten Einzelsträngen besteht. Dadurch erhält die DNA das Aussehen einer verdrehten Leiter.

• Die „Seiten“ der Leiter:
  • Abfolge aus Desoxyribosen (Zuckermolekül mit fünf Kohlenstoffatomen) und Phosphatmolekülen
  • Die Desoxyribose ist am 3′-Kohlenstoffatom über eine Phosphodiesterbindung mit dem 5′-Kohlenstoffatom der nächsten Desoxyribose kovalent verbunden.
• Die „Sprossen“ der Leiter bestehen aus komplementären stickstoffhaltigen Molekülen, die als Nukleobasen bezeichnet werden und gemeinsam mit den Zucker- und Phosphatresten sogenannte Nukleotide bilden.
• DNA-Basenpaare:
  • Guanin (G), Cytosin (C), Adenin (A) und Thymin (T)
  • G und C sind über drei Wasserstoffbrücken miteinander verbunden.
  • A und T sind über zwei Wasserstoffbrücken miteinander verbunden.
  • Diese Basenpaare können als Buchstabenfolge „gelesen“ werden (z. B. GTATCGA).
  • Die Abfolge der Basen verschlüsselt den genetischen Code, mithilfe dessen die DNA-Sequenz im Rahmen der Proteinbiosynthese in ein Protein übersetzt werden kann.
• DNA-Stränge:
  • Aufgrund der Ausrichtung der Zuckermoleküle verläuft ein Strang in 5′ → 3′ Richtung, während der andere antiparallel in 3′ → 5′ Richtung angeordnet ist.
  • Codierender Strang (Nichtmatrizenstrang):
    • Strang, der den genetischen Code enthält und in seiner Basenabfolge der mRNA entspricht
  • Codogener Strang (Matrizenstrang):
    • Strang, dessen Basenabfolge in „entgegengesetzter“ Richtung zu der des kodierenden Strangs verläuft
    • Wird während der Transkription abgelesen
• Furchen:
  • Die DNA-Helix ist bei ihrer Rotation asymmetrisch.
  • Dadurch entstehen eine große und eine kleine Furche.
  • Die große Furche ermöglicht vielen regulatorischen Proteine die direkte Bindung an die DNA.
• Die DNA ist wegen der zahlreichen Phosphatmoleküle negativ geladen.

RNA

Allgemeine Struktur:

• Einzelsträngiges Molekül aus Ribosen (Zuckermolekül mit fünf Kohlenstoffatomen) und Phosphatmolekülen
• An jede Ribose ist eine Nukleobase gebunden:
  • Guanin (G), Cytosin (C), Adenin (A) und Uracil (U)
  • Thymin (T) ist durch Uracil (U) ersetzt.
  • A und T sind über zwei Wasserstoffbrücken miteinander verbunden.

Arten von RNA:

• mRNA (messenger RNA):
  • Übersetzung des Matrizenstrangs der DNA in eine mRNA während der Transkription
  • Freisetzung in das Zytosol für die Translation in ein Polypeptid an den Ribosomen
• rRNA (ribosomale RNA):
  • Bestandteil der Ribosomen, die für die Proteinbiosynthese verantwortlich sind
• tRNA (transfer RNA):
  • Transport von Aminosäuren zum Ribosom, wo das Anticodon der tRNA an die mRNA bindet und Aminosäuren in der richtigen Sequenz zu einem Polypeptid zusammengefügt werden

Initiation der Transkription

Die Transkription beginnt in einer Region der DNA, die als Promotorregion bezeichnet wird. Die RNA-Polymerase liest den DNA-Matrizenstrang ab und synthetisiert die mRNA. Um die Bindung der RNA-Polymerase an die Promotorsequenz in Eukaryoten zu ermöglichen, werden zusätzliche Proteine, sogenannte Transkriptionsfaktoren, benötigt.

Promotorsequenzen

Promotersequenzen sind AT-reiche Regionen der DNA, an denen die Transkription beginnt:

• In der Regel direkt vor dem Zielgen lokalisiert
• Bindungsstelle für die RNA-Polymerase (Schlüsselenzym der Transkription)
  • Für die Bindung an die DNA sind in Eukaryoten verschiedene Transkriptionsfaktoren erforderlich.
  • Prokaryoten benötigen nur den Sigma-Faktor.
• Anhand der Orientierung der Promotorsequenz kann die RNA-Polymerase den codierenden Strang und den Matrizenstrang identifizieren.
• TATA-Box: klassische Promotorsequenz im Anfangsbereich eines Gens
  • AT-Bindungen sind schwächer als G–C-Bindungen.
  • AT-reiche Regionen trennen sich leichter und ermöglichen den Zugang zum Matrizenstrang.
• Mutationen in den Promotorsequenzen führen zu einer verminderten Transkriptionsrate.

RNA-Polymerasen

RNA-Polymerasen sind Schlüsselenzyme der Transkription, die den Matrizenstrang der DNA ablesen und den neuen RNA-Strang synthetisieren. Sie bestehen aus mehreren Untereinheiten.

Prokaryotische Zellen:

• Verfügen über nur eine RNA-Polymerase
• Benötigen nur ein einziges Protein, den sogenannten Sigma-Faktor, um an die Promotorsequenz zu binden

Eukaryotische Zellen:

• Drei verschiedene RNA-Polymerasen:
  • RNA-Polymerase I (Pol I) synthetisiert rRNA.
  • RNA-Polymerase II (Pol II) synthetisiert mRNA.
  • RNA-Polymerase III (Pol III) synthetisiert tRNA.
• Für die Bindung an die DNA sind verschiedene Transkriptionsfaktoren erforderlich, da die RNA-Polymerase II alleine nicht an die DNA binden kann.

Transkriptionsfaktoren

Transkriptionsfaktoren (TFs) sind Proteine, die an die Promotorregion binden und die Bindung der RNA-Polymerase II an die DNA ermöglichen.

• Regulation der Genexpression
• Transkriptionsfaktor TFIID:
  • Enthält das TATA-Bindeprotein (TBP)
  • Wichtigster TF des Initiationskomplexes
• Initiationskomplex: Komplex aus Transkriptionsfaktoren und der RNA-Polymerase II, die an der Promotorsequenz binden
• Sobald sich der gesamte Initiationskomplex an die Promotorsequenz angelagert hat, kann die Transkription beginnen.

Elongation der Transkription

Nachdem sich der Initiationskomplex an die Promotorsequenz angelagert hat, beginnt die Elongation der Transkription. In dieser Phase wird die mRNA synthetisiert.

• Ausbildung einer Transkriptionsblase
• Anlagerung zusätzlicher Elongationsfaktoren:
  • Zusätzliche Proteine, die die RNA-Polymerase II am DNA-Strang in Leserichtung weiterschieben
  • Zusätzliche Möglichkeiten der Transkriptionsregulation
• Nukleosidtriphosphate gelangen zur RNA-Polymerase II:
  • ATP, UTP, GTP, CTP
  • Diese Nukleosidtriphosphate enthalten die für die Synthese notwendige Energie in Form eines Säureanhydrids.
• Die Nukleotide des neuen RNA-Strangs werden über Phosphodiesterbindungen miteinander verknüpft.
• RNA-Polymerase II liest den Matrizenstrang von 3′ nach 5′ → Synthese der mRNA von 5′ nach 3′
• Die RNA-Synthese erfolgt nach den Regeln der komplementären Basenpaarung (Purine paaren sich mit Pyrimidinen):
  • Adenin (Purin) ↔ Uracil (Pyrimidin)
  • Guanin (Purin) ↔ Cytosin (Pyrimidin)
• Bildung einer temporären DNA-RNA-Hybridhelix
• Die RNA-Polymerase II verlängert die Nukleotidkette bis die Transkriptionsmaschinerie auf eine Terminatorsequenz stößt.

Termination der Transkription

Rho-unabhängige Termination

Die Rho-unabhängige Termination tritt auf, wenn die Transkriptionsmaschinerie eine Terminatorsequenz erreicht.

• Zuerst kommt ein GC-reiches Palindrom:
  • Bildung einer Haarnadelstruktur, indem die neu synthetisierte RNA mit sich selbst ein Basenpaar ausbildet
  • Destabilisation des DNA-RNA-Komplexes
• Es folgen vier oder mehr Uracile:
  • UA-Bindungen sind schwächer als GC-Bindungen.
  • Zu schwache Bindungen, um die RNA an der DNA halten zu können → mRNA fällt ab

Rho-abhängige Termination

• Bindung des Rho-Proteins (Terminationsfaktor) an das Ende der neu synthetisierten RNA
• Energiefreisetzung durch ATP-Hydrolyse → Wanderung entlang des RNA-Stranges in Richtung RNA-Polymerase
• Dissoziation von RNA und RNA-Polymerase vom DNA-Strang durch Spaltung der Wasserstoffbrückenbindungen
• Die Rho-abhängige Termination kann zusätzlich zur Terminatorsequenz-vermittelten Termination auftreten.

Posttranskriptionelle Modifikation

Die während der Transkription synthetisierte RNA ist eine unreife prä-mRNA. Diese wird posttranskriptionell modifiziert, um einen sofortigen Abbau zu verhindern. Zu den Mechanismen der RNA-Prozessierung gehören Spleißen, Capping und Polyadenylierung.

Spleißen

• Entfernung nichtkodierender Introns durch Spleißosome (enzymatische Ribonukleoproteinkomplexe)
• Alternatives Spleißen:
  • Aus einem Gen können verschiedene Proteine hergestellt werden.

Capping

Beim Capping wird ein methyliertes Guanosin (m7G) an das 5′-Ende der mRNA angefügt:

• Verhinderung der Bindung an andere RNA-Moleküle
• Schutz vor Abbau
• Translokation der mRNA vom Zellkern in das Zytoplasma (erforderlich für weitere Schritte der Proteinbiosynthese)
• Bindung der mRNA an das Ribosom zur Einleitung der Translation

Polyadenylierung

Während der Polyadenylierung werden bis zu 200 Adeninmolekülen am 3′-Ende der mRNA angefügt:

• Poly-A-Schwanz
• Stabilisierung der mRNA

Klinische Relevanz

• Amatoxin-Syndrom: Pilzvergiftung durch den Grünen Knollenblätterpilz. Das im Pilz enthaltene Toxin α-Amantin hemmt die RNA-Polymerase II. Eine Vergiftung mit α-Amantin ist tödlich.
• Nukleosidanaloga: Substanzen, die strukturell Nukleosiden ähneln und beim Einbau durch die Polymerase zum Kettenabbruch führen. Nukleosidanaloga werden in der HIV-Behandlung (z. B. Azidothymidin) und der Chemotherapie verwendet.
• Transkriptionsregulation: An der Transkriptionsregulation sind Tausende von Transkriptionsfaktoren beteiligt. Viele Erkrankungen sind mit einer abnormalen Regulation der Transkription verbunden. Dazu gehören beispielsweise Krebserkrankungen, Autoimmunkrankheiten, neurologischen Störungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Fettleibigkeit.