Transkription (Biologie)

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Als Transkription (v. lat. trans = jenseits, hinüber + scribere = schreiben) wird die Synthese von RNA aus DNA bezeichnet. Die dabei entstehende RNA lässt sich grob in drei Gruppen einteilen: mRNA (zur Proteinbiosynthese) sowie tRNA und rRNA. Die Transkription ist, wie auch die Translation, ein wesentlicher Teilprozess der Genexpression.

Bei der Transkription wird ein Gen abgelesen und als mRNA-Molekül vervielfältigt, d. h. ein spezifischer DNA-Abschnitt dient als Vorlage zur Synthese eines neuen RNA-Strangs. Bei diesem Vorgang werden die Nukleinbasen der DNA (A,T,G,C) in die Nukleinbasen der RNA (A,U,G,C) umgeschrieben. Anstelle des Thymins kommt aber Uracil und anstelle der Desoxyribose kommt Ribose in der RNA vor. Der Vorgang der Transkription verläuft bei Eukaryoten und Prokaryoten grundsätzlich gleich. Unterschiede gibt es bei der Steuerung und bei der anschließenden Modifikation. Bei Prokaryoten erfolgt die Steuerung über einen Operator, während bei den Eukaryoten die Regulation über einen Enhancer oder Supressor geregelt wird, der jeweils dem Promoter vorgeschaltet ist. Weiterhin erfolgt bei Prokaryoten die Transkription im Cytoplasma der Zelle, bei Eukaryoten im Zellkern. Bei Eukaryoten wird außerdem die prä-mRNA nach ihrer Synthese noch modifiziert (siehe: Splicing), bevor sie aus dem Zellkern in das Cytoplasma transportiert wird. Nach der Transkription erfolgt im Cytoplasma am Ribosom die Translation der mRNA in ein Protein.

[Bearbeiten] Schritte der Transkription

Synthese der mRNA:
Das Enzym RNA-Polymerase setzt sich an eine Promotor genannte DNA-Sequenz (hier genaue Schritte der Initiation). Dann trennt sie die DNA-Doppelhelix durch Lösen der Wasserstoffbrücken in einem kurzen Bereich (bei E .coli immer etwa 17 Basenpaare gleichzeitig) in zwei DNA-Einzelstränge auf. Am codogenen Strang der DNA lagern sich durch Basenpaarung komplementäre Ribonukleotide an. Sie werden unter Eliminierung von Pyrophosphat aus Nukleosidtriphosphaten durch eine Ester-Bindung zwischen Phosphat und Ribose miteinander verknüpft. Die Ableserichtung der DNA verläuft vom 3'-Ende zum 5'-Ende, die Synthese der komplementären RNA dem entsprechend von 5' nach 3'. Die Öffnung der DNA-Doppelhelix erfolgt nur in einem kurzen Bereich (Transkriptionsblase), so dass der bereits synthetisierte Teil der mRNA aus dieser Öffnung heraushängt und zwar mit dem 5'-Ende der mRNA voran. Die RNA-Polymerase benötigt keinen Primer, am Terminator wird die Transkription beendet. Danach wird das mRNA-Transkript entlassen und die Polymerase löst sich von der DNA.
Weitere Verarbeitung der mRNA:
1. Bei Prokaryoten gelangt die mRNA nach dem Kopiervorgang direkt zu den Ribosomen, häufig lagern sich auch bereits Ribosomen an die noch entstehende Kette an und beginnen die Translation, bevor die Transkription beendet ist.
2. Bei Eukaryoten verlässt die Erbinformation selbst noch nicht den Zellkern. Die im ersten Teil der Transkription entstandene RNA wird als unreife RNA hn-RNA (heterogene nucleäre RNA) oder prä-mRNA bezeichnet. Sie wird durch Splicing, Capping und Anlagerung eines Poly-A-Schwanzes noch nachträglich modifiziert. Durch alternatives Splicing können aus demselben DNA-Abschnitt unterschiedliche mRNA-Moleküle entstehen. Die so genannte reife mRNA verlässt durch eine Kernpore den Zellkern und gelangt so ins Cytoplasma, wo sie mit den Ribosomen in Wechselwirkung treten kann.

[Bearbeiten] Synthese der tRNA und der rRNA

Die Transfer-RNA (tRNA) und die ribosomale RNA (rRNA) werden nach dem gleichen Prinzip wie die mRNA an der DNA synthetisiert. Bei Prokaryoten ist dieselbe RNA-Polymerase als Katalysator tätig. Bei Eukaryoten erfolgt die Synthese der tRNA, der 5S rRNA und der 7SL-RNA durch die RNA-Polymerase III, die Synthese der rRNA und teilweise auch der sn-RNA (small-nuclear RNA) durch die RNA-Polymerase I, die Synthese der m-RNA durch die RNA-Polymerase II.

[Bearbeiten] Beendigung der Transkription

In eukaryotischen Zellen kann die RNA-Polymerase das Ende eines Gens nicht von alleine erkennen, sie braucht dazu Hilfsfaktoren, die mit der Polymerase in Wechselwirkung treten. Diese Proteinkomplexe erkennen die Polyadenylierungsstelle (Pol II-Gene) (AAUAAA, siehe auch Poly-A-Schwanz), schneiden die RNA und leiten die Polyadenylierung ein, während die RNA-Polymerase gleichzeitig weiterarbeitet. Ein Modell für die Termination der Transkription ist, dass das noch immer weiter wachsende, nutzlose RNA-Ende von einer Exonuclease (Rat1) abgebaut wird, und zwar schneller, als es von der Polymerase verlängert wird. Erreicht die Exonuklease die Transkriptionsstelle, löst sich die Polymerase von der DNA, die Transkription ist endgültig beendet (Torpedo model of transcriptional termination). Darüber hinaus scheinen weitere Proteinkomplexe (z. B. TREX) für eine Termination wichtig zu sein.

[Bearbeiten] Reverse Transkription

Sogenannte RNA-Viren haben ein Genom welches vollständig aus RNA besteht; bei RNA-Viren mit (+)ssRNA oder doppelsträngiger RNA, dient die virale RNA meist direkt als mRNA. Bei einigen RNA-Viren wird zur Replikation eine DNA-Zwischenstufe verwendet, von der wie bei zellulärer DNA die mRNA transkribiert wird; zur Synthese von viraler DNA aus RNA besitzen diese sogenannten Retroviren das Enzym Reverse Transkriptase. Mittels einer Integrase (viral oder zellulär) kann die virale DNA in das zelluläre Genom eingebaut werden und liegt dann als Provirus vor.

[Bearbeiten] Archaeelle Transkription

Die Gene der Archaea besitzen eine TATA-Box genannte Consensus-Sequenz, eine Folge ähnlicher Basen (TATAAAA). Sie bildet den Promotor des Nicht-Matrizenstranges, woran ein Transkriptionsfaktor (TFs) bindet, ein regulatorisches Protein. An diesem TFs bindet eine Polymerase, die homolog zu dem Holo-Enzym der bakteriellen Transkription ist und aus 12 Untereinheiten besteht. Sie löst dort die Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren auf, was die wichtigste Funktion dieser Polymerase ist. Weiterer Verlauf: Siehe oben, Schritte der Transkription.

[Bearbeiten] Bakterielle Transkription

Im Gegensatz zu den Eukaryonten besitzen Bakterien nur eine RNA-Polymerase. Das Core- bzw. Minimal- Enzym besteht aus vier Untereinheiten (2× α, β, β' ), das die Transkription katalysiert, aber nicht zu initiieren vermag. Der Core des Enzyms wechselwirkt mit der losen Sigma-Untereinheit und es bildet sich das Holo-Enzym (2× α, β, β', σ (Sigma)), das die Initiation durchführen kann (Sigma ermöglicht entlanggleiten an der DNA und auffinden der TATA-Box des Promotors). Sie bindet am Promotor das Nicht-Matrizenstranges und löst dort die Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren auf, sie besitzt eine Helicasefunktion, was die wichtigste Funktion dieser Polymerase ist.

Funktion der α-Untereinheit ist zum einen durch die aminoterminale Domäne bedingt der Erhalt und die Stabilität der Struktur, zum anderen durch die carboxyterminale Domäne eine Bildung an den Promotor und die Wechselwirkung mit Transkriptions-regulatorischen Elementen.

Die β- und β'-Untereinheiten wirken zusammen und sorgen für die Bindung an die DNA-Matrize und für eine wachsende DNA-Kette.

Die σ-(Sigma)-Untereinheit erkennt Transkriptionsstartpunkte. Es gibt mehrere Sigma-Untereinheiten, die verschiedene Gengruppen erkennen. Am weitesten verbreitet ist die sigma-70 Untereinheit.

Die ω-(Omega)-Untereinheit dient der Stabilisierung und der Strukturaufrechterhaltung und ist nicht zwingend notwendig.