Ablauf der Transkription

Die Transkription ist der erste Schritt der Genexpression, der Übersetzung von der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA zum Protein. Zunächst wird bei der Transkription die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA als Matrize verwendet, um eine mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA herzustellen. Dieser Prozess findet im Zellkern statt und ist in drei Phasen unterteilt: Initiation, Elongation und Termination. Die Transkription beginnt in einer Region der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA, die als Promotor bezeichnet wird. Die RNA-Polymerase „liest“ den DNA-Strang ab und synthetisiert die mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA. Damit die RNA-Polymerase an die Promotorsequenz in Eukaryoten binden kann, werden zusätzliche Proteine Proteine Proteine und Peptide, sogenannte Transkriptionsfaktoren, benötigt. Nach der Initiation der Transkription verlängert die RNA-Polymerase den neu gebildeten RNA-Strang bis sie eine Terminationssequenz erreicht.

Aktualisiert: 05.07.2023

Redaktionelle Verantwortung: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

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Überblick über die Genexpression

Definition

Zentrales Dogma der Biologie: Die Genexpression erfolgt von der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA zum Protein. Zunächst wird DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA in RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA transkribiert, die dann in ein Protein oder ein Proteinfragment (Polypeptid) übersetzt wird.

Die Transkription ist ein Teilprozess der Proteinbiosynthese, bei dem die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA als Matrize verwendet wird, um eine mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA herzustellen.

DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA

Die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA ist ein Doppelhelix-Molekül, das aus zwei antiparallel angeordneten Einzelsträngen besteht. Dadurch erhält die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der 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 Guanin Nukleinsäuren (G), Cytosin Cytosin Nukleinsäuren (C), Adenin Adenin Nukleinsäuren (A) und Thymin Thymin Nukleinsäuren (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):
    • Codogener Strang (Matrizenstrang):
      • Strang, dessen Basenabfolge in „entgegengesetzter“ Richtung zu der des kodierenden Strangs verläuft
      • Wird während der Transkription abgelesen
  • Furchen:
  • Die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA ist wegen der zahlreichen Phosphatmoleküle negativ geladen.

RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA

Allgemeine Struktur:

Arten von RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA:

Translation und die Rolle von tRNA

Interaktion von mRNA, tRNA und Aminosäuren während der Synthese eines Polypeptids (Translation)

Bild von Lecturio.

Initiation der Transkription

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

Hinweis: Diese Animation hat keinen Ton.

Promotorsequenzen

Promotersequenzen sind AT-reiche Regionen der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA, an denen die Transkription beginnt:

  • In der Regel direkt vor dem Zielgen lokalisiert
  • Bindungsstelle für die RNA-Polymerase (Schlüsselenzym der Transkription)
  • 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.
Diagramm einer Promotorsequenz

Darstellung einer Promotorsequenz:
Die –35 und –10 zeigt die Entfernung zum Anfang des Zielgens in Nukleobasen an.

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RNA-Polymerasen

RNA-Polymerasen sind Schlüsselenzyme der Transkription, die den Matrizenstrang der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA ablesen und den neuen RNA-Strang synthetisieren. Sie bestehen aus mehreren Untereinheiten.

Prokaryotische Zellen prokaryotische Zellen Eukaryotische versus 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 eukaryotische Zellen Eukaryotische versus prokaryotische Zellen:

Transkriptionsfaktoren

Transkriptionsfaktoren (TFs) sind Proteine Proteine Proteine und Peptide, die an die Promotorregion binden und die Bindung der RNA-Polymerase II an die DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der 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.
Aufbau der Initiationskomplex-RNA

Zusammenlagerung des Initiationskomplexes:
Anlagerung von Transkriptionsfaktoren und der RNA-Polymerase II an die Promotorsequenz. Weitere Transkriptionsfaktoren binden zur Bildung des Initiationskomplexes. Die RNA-Polymerase II kann mit der Transkription beginnen.

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Elongation der Transkription

Nachdem sich der Initiationskomplex an die Promotorsequenz angelagert hat, beginnt die Elongation der Transkription. In dieser Phase wird die mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA synthetisiert.

  • Ausbildung einer Transkriptionsblase
  • Anlagerung zusätzlicher Elongationsfaktoren:
    • Zusätzliche Proteine Proteine Proteine und Peptide, 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 mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA von 5′ nach 3′
  • Die RNA-Synthese erfolgt nach den Regeln der komplementären Basenpaarung (Purine paaren sich mit Pyrimidinen):
  • Bildung einer temporären DNA-RNA-Hybridhelix
  • Die RNA-Polymerase II verlängert die Nukleotidkette bis die Transkriptionsmaschinerie auf eine Terminatorsequenz stößt.
Transkriptionsprozess und Synthese von mRNA

RNA-Polymerase II liest den Matrizenstrang der DNA (hellblau)

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Termination der Transkription

Rho-unabhängige Termination

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

Bildung einer Haarnadelstruktur am Ende der Transkription

Bildung einer Haarnadelstruktur am Ende der Transkription:
Die RNA-Polymerase II setzt die DNA frei, sobald sie die Terminatorsequenz erreicht. Die Haarnadelstruktur wird durch eine Reihe von GC-Basenpaaren gefolgt von AT-Basenpaaren gebildet.

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Rho-abhängige Termination

Posttranskriptionelle Modifikation

Die während der Transkription synthetisierte RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA ist eine unreife prä-mRNA. Diese wird posttranskriptionell modifiziert, um einen sofortigen Abbau zu verhindern. Zu den Mechanismen der RNA-Prozessierung RNA-Prozessierung Post-transkriptionale Modifikationen (RNA-Prozessierung) gehören Spleißen, Capping und Polyadenylierung.

Spleißen

Capping

Beim Capping wird ein methyliertes Guanosin (m7G) an das 5′-Ende der mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA angefügt:

Polyadenylierung

Während der Polyadenylierung werden bis zu 200 Adeninmolekülen am 3′-Ende der mRNA mRNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA angefügt:

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 Regulation der Transkription Regulation der Transkription verbunden. Dazu gehören beispielsweise Krebserkrankungen, Autoimmunkrankheiten, neurologischen Störungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Fettleibigkeit.

Quellen

  1. Buncek, Martin. (2002). Griffiths, A.J.F., Miller, J.H., Suzuki, D.T., Lewontin, R., Gelbart, W.M.: An Introduction to Genetic Analysis. Biologia Plantarum – BIOL PLANT. 45. 50-50. 10.1023/A:1015187026471.
  2. Lee TI, Junge RA. (2013). Transcriptional regulation and its misregulation in disease. Cell 152:1237–1251. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.02.014
  3. Christensen K, Hulick PJ. (2020). Basic genetics concepts: DNA regulation and gene expression. UpToDate. Abgerufen am 15. April 2021 von https://www.uptodate.com/contents/basic-genetics-concepts-dna-regulation-and-gene-expression
  4. Püschel G, Kühn H, Kietzmann T, Höhne W, Christ B, Doenecke D, Koolman J. Taschenlehrbuch Biochemie. 9. Auflage. Stuttgart: Thieme. 2011.

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Simon Veiser

Simon Veiser beschäftigt sich seit 2010 nicht nur theoretisch mit IT Service Management und ITIL, sondern auch als leidenschaftlicher Berater und Trainer. In unterschiedlichsten Projekten definierte, implementierte und optimierte er erfolgreiche IT Service Management Systeme. Dabei unterstützte er das organisatorische Change Management als zentralen Erfolgsfaktor in IT-Projekten. Simon Veiser ist ausgebildeter Trainer (CompTIA CTT+) und absolvierte die Zertifizierungen zum ITIL v3 Expert und ITIL 4 Managing Professional.

Dr. Frank Stummer

Dr. Frank Stummer ist Gründer und CEO der Digital Forensics GmbH und seit vielen Jahren insbesondere im Bereich der forensischen Netzwerkverkehrsanalyse tätig. Er ist Mitgründer mehrerer Unternehmen im Hochtechnologiebereich, u.a. der ipoque GmbH und der Adyton Systems AG, die beide von einem Konzern akquiriert wurden, sowie der Rhebo GmbH, einem Unternehmen für IT-Sicherheit und Netzwerküberwachung im Bereich Industrie 4.0 und IoT. Zuvor arbeitete er als Unternehmensberater für internationale Großkonzerne. Frank Stummer studierte Betriebswirtschaft an der TU Bergakademie Freiberg und promovierte am Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung in Karlsruhe.

Sobair Barak

Sobair Barak hat einen Masterabschluss in Wirtschaftsingenieurwesen absolviert und hat sich anschließend an der Harvard Business School weitergebildet. Heute ist er in einer Management-Position tätig und hat bereits diverse berufliche Auszeichnungen erhalten. Es ist seine persönliche Mission, in seinen Kursen besonders praxisrelevantes Wissen zu vermitteln, welches im täglichen Arbeits- und Geschäftsalltag von Nutzen ist.

Wolfgang A. Erharter

Wolfgang A. Erharter ist Managementtrainer, Organisationsberater, Musiker und Buchautor. Er begleitet seit über 15 Jahren Unternehmen, Führungskräfte und Start-ups. Daneben hält er Vorträge auf Kongressen und Vorlesungen in MBA-Programmen. 2012 ist sein Buch „Kreativität gibt es nicht“ erschienen, in dem er mit gängigen Mythen aufräumt und seine „Logik des Schaffens“ darlegt. Seine Vorträge gestaltet er musikalisch mit seiner Geige.

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Holger Wöltje ist Diplom-Ingenieur (BA) für Informationstechnik und mehrfacher Bestseller-Autor. Seit 1996 hat er über 15.800 Anwendern in Seminaren und Work-shops geholfen, die moderne Technik produktiver einzusetzen. Seit 2001 ist Holger Wöltje selbstständiger Berater und Vortragsredner. Er unterstützt die Mitarbeiter von mittelständischen Firmen und Fortune-Global-500- sowie DAX-30-Unternehmen dabei, ihren Arbeitsstil zu optimieren und zeigt Outlook-, OneNote- und SharePoint-Nutzern, wie sie ihre Termine, Aufgaben und E-Mails in den Griff bekommen, alle wichtigen Infos immer elektronisch parat haben, im Team effektiv zusammenarbeiten, mit moderner Technik produktiver arbeiten und mehr Zeit für das Wesentliche gewinnen.

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Frank Eilers ist Keynote Speaker zu den Zukunftsthemen Digitale Transformation, Künstliche Intelligenz und die Zukunft der Arbeit. Er betreibt seit mehreren Jahren den Podcast „Arbeitsphilosophen“ und übersetzt komplexe Zukunftsthemen für ein breites Publikum. Als ehemaliger Stand-up Comedian bringt Eilers eine ordentliche Portion Humor und Lockerheit mit. 2017 wurde er für seine Arbeit mit dem Coaching Award ausgezeichnet.

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Als akkreditierter Trainer für PRINCE2® und weitere international anerkannte Methoden im Projekt- und Portfoliomanagement gibt Andreas Ellenberger seit Jahren sein Methodenwissen mit viel Bezug zur praktischen Umsetzung weiter. In seinen Präsenztrainings geht er konkret auf die Situation der Teilnehmer ein und erarbeitet gemeinsam Lösungsansätze für die eigene Praxis auf Basis der Theorie, um Nachhaltigkeit zu erreichen. Da ihm dies am Herzen liegt, steht er für Telefoncoachings und Prüfungen einzelner Unterlagen bzgl. der Anwendung gern zur Verfügung.

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Alexander Plath ist seit über 30 Jahren im Verkauf und Vertrieb aktiv und hat in dieser Zeit alle Stationen vom Verkäufer bis zum Direktor Vertrieb Ausland und Mediensprecher eines multinationalen Unternehmens durchlaufen. Seit mehr als 20 Jahren coacht er Führungskräfte und Verkäufer*innen und ist ein gefragter Trainer und Referent im In- und Ausland, der vor allem mit hoher Praxisnähe, Humor und Begeisterung überzeugt.

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