Transcriere (biologie)
În biologia moleculară , transcripția este procesul prin care informațiile conținute în ADN sunt transcrise enzimatic într-o moleculă complementară de ARN . [1] Conceptual, implică transferul de informații genetice de la ADN la ARN. În cazul în care ADN-ul codifică una sau mai multe proteine , transcripția este începutul procesului care conduce, prin producția intermediară a unui ARNm , la sinteza peptidelor sau proteinelor funcționale.
Transcrierea are un mecanism de control al fidelității (sau corectură ), dar este mult mai puțin eficientă decât cele legate de replicarea ADN ; același mecanism de sinteză ARN, în care enzima ARN polimerază joacă un rol central, implică un număr mult mai mare de erori.
Ca și în cazul replicării ADN-ului, transcripția se desfășoară în direcția 5 '→ 3'. Mai precis, catena de-a lungul căreia se scanează ADN-ul, numită catena șablon , este traversată de enzimă în direcția 3 '→ 5'. Noua catenă de ARN, identică (cu excepția diferenței evidente de pirimidină , uracil, complementară timinei) cu catenă de sens , este sintetizată începând de la 5 '.
Note generale
Transcrierea are loc prin anumite enzime numite generic ARN polimerază . Astfel de proteine sunt adesea denumite ARN polimeraze dependente de ADN , deoarece produc o moleculă de ARN dintr-o moleculă de ADN. Aceste enzime utilizează ribonucleotide trifosfat (adică nucleotide cu trei grupări fosfat ) pentru a forma ARN. În timpul procesului, două grupări fosfat sunt îndepărtate din nucleozidele trifosfat pentru a forma o legătură covalentă între o nucleotidă și următoarea.
ARN polimeraza se leagă de ADN numai la anumite secvențe, numite promotori , care nu sunt transcrise. Nucleotidele trifosfat încep să se insereze din promotor pentru a forma o secvență de nucleotide care va fi complementară cu catena ADN care este transcrisă. După ce promotorul este găsit, ARN polimeraza face ADN-ul potrivit pentru transcriere. Catenul ARN începe apoi să se întindă, prin adăugarea unei nucleotide la un moment dat. Primul nucleotid al neofilamentului ARN reține cele trei grupări fosfat, în timp ce următoarele sunt private de două grupări fosfat printr-o reacție exergonică .
Când anumite secvențe de bază (de obicei plasate la capătul fiecărei gene ) sunt întâlnite în timpul transcrierii în ADN, transcripția se termină.
Transcrierea în procariote
La procariote , mașina transcripțională este constituită din enzima multimerică ARN polimerază, de σ indispensabilă pentru recunoașterea promotorului și de orice alți factori de transcripție. Ansamblul întregului complex de transcripție bazală urmează faze foarte specifice: totul începe de la subunitatea α (alfa) care va contacta subunitatea α2 (alfa2); acest dimer (sau mai corect heterodimer ) are deja capacitatea de a lega ADN-ul chiar dacă într-un mod nespecific; împreună promovează asamblarea complexului. În acest moment, subunitățile catalitice β și β 'sunt legate; subunitatea β 'participă la legarea nespecifică a polimerazei cu ADN, în timp ce subunitatea β este responsabilă pentru sinteza efectivă a moleculei de ARN, care va fi formată în conformitate cu schema de împerechere citozină - guanină (CG) și invers , timină -adenină (TA) și adenină - uracil (AU); firul ARN încorporează de fapt uracil în loc de timină .
Asamblarea holoenzimei
Odată formată, ARN polimeraza nu este în măsură să recunoască direct promotorul; pentru aceasta este necesară subunitatea σ (sigma), care participă la cele mai importante procese de reglare a transcripției în procariote. Un alt factor fundamental pentru asamblare este o proteină numită Catabolite Activating Protein (prescurtată ca CAP sau CRP), care prin legarea în secvența consens a 35 nucleotide în amonte de situsul de inițiere (numită „secvența -35”, formată din secvența TTGACA), face să asume topologia corectă la promotor, astfel încât ARN polimeraza să poată crea o legătură stabilă cu ADN-ul. De fapt, CAP interacționează cu holoenzima atât la nivelul σ, cât și la nivelul domeniului carboxi terminal al lui ὰ.
De la complexul închis la complexul deschis
CAP este legat de secvența consens bogată în AT și distorsionează ADN-ul. De asemenea, datorită acestei distorsiuni, δ contactează o regiune largă a promotorului în așa fel încât să recruteze ARN polimeraza, care în acest moment începe să facă conexiunile necesare pentru citirea catenei de sens (5 '-> 3') și, prin urmare, să sintetizeze hibridul ADN-ARN hibrid 9-10 perechi de baze lungi. Dar evenimentul care declanșează reacția trebuie să fie denaturarea locală a ADN-ului pentru a forma așa-numita bulă de transcripție. În trecut, se credea că acest lucru a fost indus de distorsiunea specială generată de toți factorii cu care ADN interacționează, în primul rând CAP. În realitate, deschiderea ADN-ului nu are loc la -35, așa cum ne-am aștepta, având în vedere stabilitatea locală mai mică a ADN-ului (bogat în acel punct AT), ci mai departe în aval la aproximativ -10 (secvența TATAAT numită „cutia Pribnow” sau „Cutie TATA”). Semnalul de deschidere (topirea promotorului) este indus de un activator extern capabil să fosforileze subunitatea ὰ2 din domeniul carboxiterminal (ὰ- CTD ). Acest domeniu acționează ca un fel de panou de control pentru întreaga transcriere: starea sa mai mult sau mai puțin fosforilată reglementează de fapt nu numai faza inițială, ci și cea de alungire și terminare.
De asemenea, numit complex binar, binar deoarece este alcătuit din ADN și ARN polimerază
Poate fi închis sau deschis
Închis: proces reversibil, ARN polimeraza se poate desprinde de promotor, dar în cazurile în care acest lucru nu se întâmplă, suferă o schimbare conformațională sau o izomerizare. Legătura H existentă între A și T (adenin-timină) se rupe. secvența -10 la +4.
Deschis: pentru formarea bulei de transcripție. În acest moment, polimeraza ARN prezintă în situsul activ prima nucleotidă care trebuie transcrisă și, prin urmare, începutul transcripției.
Începutul transcrierii
În acest moment, polimeraza poate începe să citească ADN-ul și să împerecheze bazele azotate corecte pentru a sintetiza transcriptul primar (ARN neprelucrat încă). Această fază a „înregistrării” este cea mai critică până la punctul în care inițierea sintezei urmează mai multor începuturi abortive în care ARN polimeraza nu este capabilă să sintetizeze o catena de ARN suficient de lungă pentru a schimba conformația întregului proces. De fapt, este esențial să aibă loc o schimbare conformațională a întregului complex, factorul σ care a servit la recunoașterea promotorului trebuie să se detașeze, legăturile pe care ARN polimeraza realizate cu ADN-ul trebuie să devină nespecifice, la fel cum CAP nu este mai mult timp necesar. Probabil că totul este indus de alungirea hibridului ARN-ADN care, atunci când depășește acele 9-10 perechi de baze, creează o piedică sterică, astfel încât să inducă eliberarea tuturor celorlalți factori.
Elongaţie
Pentru ca alungirea să se producă, factorul σ trebuie să părăsească ARN polimeraza, deoarece creșterea afinității sale pentru promotor îl împiedică să se îndepărteze de acesta și să-și continue drumul de-a lungul ADN-ului care trebuie transcris. Acesta este un moment delicat pe tot parcursul procesului și nu sunt neobișnuite începuturile avortate care se referă la abandonarea lanțului de către enzimă prin adăugarea primelor nouă nucleotide la acidul naștent. După evenimentele avortante, enzima își pierde contactul de la -55 la -35, astfel încât enzima acoperă doar 50 de baze. Când lanțul atinge 15-20 nucleotide, enzima face o altă tranziție și formează complexul de alungire care acoperă 30-40 de baze. Pe măsură ce enzima continuă în transcriere, ADN-ul trebuie să se desfășoare în aval și trebuie să deruleze în amonte de locul transcripției, formând astfel o întindere de aproximativ 12 baze ADN-ARN hibrid. Alungirea este în direcția 5 '→ 3' datorită atacului nucleofil al capătului 3 '-OH al lanțului nou format către precursorul trifosfat ribonucleotid de adăugat și mai precis pe P în α eliberând pirofosfat.
Rezilierea
Semnalele de terminare se află în secvența ADN, dar își îndeplinesc funcția numai atunci când sunt transcrise în ARNm. Aceștia pot induce ARN-ul recent sintetizat să-și asume o structură secundară (în general ace de terminare), astfel încât să destabilizeze și să detașeze polimeraza, în cazul terminatorilor intragenici. Structura acului de păr se formează datorită prezenței ridicate a guaninelor și citozinelor care stabilesc trei legături de hidrogen între ele. Această secvență este, de asemenea, stabilizată de legături de hidrogen datorită împerecherilor neconvenționale. În aval de zona acului de păr care s-a format există o secvență de poliU: aceasta înseamnă că pe ADN există o secvență de poliA și, din moment ce împerecherea dintre A și U este cea mai slabă care poate fi, detașarea ARNm-ului a ADN-ului, iar încetarea consecventă a transcrierii este favorizată. Dacă terminatorul nu este suficient de puternic pentru a promova terminarea pe cont propriu și acest lucru se poate întâmpla atunci când zona polyU nu este prezentă, este necesară o secvență care are o afinitate ridicată pentru proteina RHO, un factor de terminare intergenic care se oprește literalmente din. complexul de transcriere transcrierea primară. RHO se atașează la ARNm în anumite puncte care se numesc RUT, RHO UTilization. Acesta ajunge la polimerază și promovează detașarea ADN-ului atunci când polimeraza locuiește pe un terminator sau când ribozomii se detașează datorită prezenței unui codon de terminare și lasă spațiul necesar pentru ca RHO să se lege de ARNm.
Regulamentul în procariote
Niveluri și mecanisme de reglementare
Există patru niveluri de reglare în procariote:
- Alegerea promotorilor de către subunitatea sigma a holoenzimei
- Reglarea transcripțională de primul nivel (prezența sau absența impedimentelor în amonte de promotor = represori, reglare negativă)
- Reglarea transcripțională de nivelul doi (prezența sau absența activatorilor, reglarea pozitivă)
- Reglare co-transcripțională (atenuare)
Alegerea promotorilor de către subunitatea sigma a ARN-polimerazei
Subunitatea sigma are sarcina de a recunoaște secvențe de nucleotide numite „consens” într-o regiune a ADN între –70 și +30 în ceea ce privește începutul efectiv al transcrierii. Această regiune se numește Promotor. Alternativele σ sunt sintetizate din când în când de la zero sau activate prin schimbări conformaționale cauzate de condiții fizice particulare, cum ar fi stresul metabolic sau termic. Primul exemplu de gene activate cu acest mecanism sunt cele care codifică proteinele de șoc termic, în acest caz se activează σ54 care permite ARN polimerazei să recunoască promotorul genelor care codifică proteinele Hsp. În plus față de subunitatea sigma, care recunoaște două secvențe de consens specifice la aproximativ –10 (TATAAT, caseta TATA) și –35 (TTGACA); pentru unele gene, de asemenea, subunitățile alfa pot interacționa cu o regiune promotoră numită elementul UP (Upstream Promoter) bogat în AT prezent între –60 și –40. Viteza și procesivitatea cu care ARN polimeraza va transcrie gena care urmează promotorului depinde de coincidența mai mică sau mai mare a secvențelor reale cu cele „optime” descrise mai sus.
Reglementarea transcripțională de primul nivel
După sau în vecinătatea promotorului pot exista site-uri la care se leagă represorii proteici, prin urmare, chiar dacă promotorul permite atacul ARN-polimerazei, acesta nu va putea acționa până când represorul nu este îndepărtat din dubla helix după legându-se cu molecule specifice. Acest mecanism se numește reglare negativă.
Reglementarea transcripțională de nivelul doi
Adesea, recunoașterea simplă a secvențelor consens nu este suficientă pentru ca ARN polimeraza să transcrie eficient și rapid gena. În acest sens, intervin și alte proteine care, interacționând cu situsurile ADN, cresc afinitatea regiunii pentru ARN-polimeraza. Toate acestea duc la o reglementare pozitivă a transcripției.
Reglementarea co-transcripțională
În timp ce transcrierea este deja în desfășurare, poate fi creat sau nu un complex de terminare care să detașeze precoce ARN-polimeraza, producând ARN nefuncțional. Acest mecanism „atenuează” eficacitatea transcrierii.
Transcrierea în eucariote
Având în vedere numărul mare de gene prezente într-un organism eucariot, transcrierea este un mecanism mult mai complex, deoarece necesită un sistem de reglementare care acționează pe mai multe niveluri. O primă diferență notabilă constă tocmai în polimerazele ARN, de fapt ele sunt împărțite în trei categorii în funcție de mediul genetic în care lucrează. ARN polimeraza I prezentă în nucleol este capabilă să transcrie genele pentru trei dintre cele patru ARNr, și anume 5.8S, 18S și 28S. ARN Polimeraza II găsită în nucleoplasmă (o parte a nucleului care nu conține nucleolul) transcrie ARNm , miARN , siARN , unii snoARN și snARN . SnARN-urile includ U1, U2, U4, U5 și U6 care fac parte din ribozime implicate în asamblarea spliceozomului pentru maturarea transcrierilor primare. În cele din urmă, ARN-polimeraza III găsită în nucleoplasmă transcrie ARN-ul 5S, toate genele ARNt și unele snARN-uri. Toate acestea ne oferă indicații semnificative ale complexității genomului eucariot, astfel încât să justifice prezența a trei ARN polimeraze și, în consecință, modul în care aceste trei clase au sisteme de reglare foarte eterogene.
Prima fază: legătură cu TBP
La eucariote, spre deosebire de procariote, ADN-ul este puternic pliat în cromatină care la rândul său este structurat într-un mod complex și ar face dificilă orice intervenție asupra ADN-ului fără un mecanism specific de derulare. Complexul format din aproximativ o sută de subunități proteice responsabile de transcripția eucariotă include niște complecși de remodelare a cromatinei și diverse enzime care modifică histonele acționând asupra epigenomului. Complexele de remodelare a cromatinei funcționează prin derularea fibrei de cromatină de 30 nm constând dintr-un solenoid nucleozomic și acționând apoi asupra nucleozomului însuși cu ajutorul histonei chaperonine, îndepărtând temporar cei doi dimeri histonici H2A-H2B din octamer și făcându-i astfel să rămână doar H3 -Tetramer H4. Alte complexe de remodelare a cromatinei desfac temporar ADN-ul din nucleozomul corespunzător, făcându-l disponibil pentru transcriere. Operațiile efectuate de diferiții complecși de remodelare a cromatinei consumă ATP. Orice modificare a histonelor (în special a cozilor lor) poate fi făcută de enzime modificatoare de histone (HAT, HDAC, DNMT și altele).
Este dificil să se stabilească modul în care apar evenimentele care duc la transcrierea unei gene, deoarece variațiile timpilor de asamblare a diferiților factori proteici sunt posibile pe baza secvențelor de ADN care trebuie transcrise, a secvențelor consens și a altor factori. În mod convențional, transcrierea genei începe atunci când o clasă de proteine cunoscuți ca factori de transcripție generală a Polimerazei II (TFII) sunt asamblate la nivel de promotor. Sarcina acestor proteine este de a semnaliza localizarea promotorului pe o anumită genă și a secvențelor sale consensuale la ARN polimeraza II, stabilizați-o in situ, deschideți dubla helix ADN, activați ARN polimeraza II și îndeplini toate funcțiile care garantează o corecție corectă. începutul procesului de transcriere. Există cinci factori esențiali de transcriere generală: TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF și TFIIH. TFIID este descris ca primul care intră în joc, este un complex proteic mare format din 12 subunități, dintre care subunitatea TBP ( proteina de legare TATA ) este deosebit de importantă. TBP se leagă la nivelul cutiei TATA, o secvență consensuală prezentă în amonte de multe gene, în general, la o distanță de 25-30 nucleotide de la punctul de pornire al transcrierii. Funcția sa este de a produce două pliuri puternice în ADN (sau îndoire) a care induc un unghi de aproximativ 80 ° în acest moment. Acest unghi puternic nu va fi cauza deschiderii (sau topirii) promotorului, dar are funcția de lărgire a sulcilor majori pentru a favoriza o interacțiune mai bună a celorlalte proteine ale complexului de activare bazală. Toate acestea sunt valabile numai în cazul genelor cu elementul TATA și numai dacă nu există mecanisme de activare în amonte de toate acestea. Restul subunităților TFIID TAF recunosc alte secvențe consens minore la punctul de pornire al transcrierii și reglează legarea TBP la caseta TATA.
A doua fază: asamblarea complexului DAB
De fapt, TBP interceptează secvența TATA adesea legată de alți factori numiți TAF și, în această formă, se numește TFIID („TBP + TAF” = TFIID) pentru a forma complexul inițial preliminar. În acest moment, topologia ADN-ului este de așa natură încât poate recruta alți factori de transcripție, și anume TFIIA și TFIIB. Acest complex trimeric TBP TFIIA TFIIB se mai numește și DAB. Complexul DAB astfel asamblat este capabil să lege un al patrulea factor de transcripție care aduce cu sine ARN polimeraza II care este TFIIF, acesta este format din 3 proteine numite RAP 30, RAP 74 și RAP 38 (care este de fapt parte, de asemenea, din TFIIS). dintre aceștia au omologii puternice cu factorul procariot s și acest lucru ne face să înțelegem cum funcția TFIIF este de a permite recunoașterea promotorului ARN Polimerază II chiar dacă în acest caz imaginea este mult mai complexă.
A treia fază: depășirea impasului
Când TFIIF poartă ARN-polimeraza II pe promotor, acesta interacționează cu helici în poziție terminală carboxi la TBP. Această interacțiune amintește de TBP 2 alți factori de transcripție TFIIE și TFIIH, acesta din urmă are atât activitate de helicază, cât și kinază pe ARN-polimeraza II, aceste reacții determină respectiv o mărire a bulei de transcripție și o schimbare conformațională la ARN-polimeraza II și dacă este fosforilată corespunzător în regiunea C-Terminal depășește faza de blocare și începe să devină procesivă.
A patra fază: curățarea promotorului și întinderea
În ciuda acestui fapt, în fazele incipiente viteza de transcriere nu poate fi mare datorită interacțiunilor încă puternice cu toți ceilalți factori încă legați de ARN polimeraza II. Faza de curățare a promotorului are loc datorită eliberării DAB și TFIIF care inițial aveau singurul rol de a stabiliza complexul de inițiere. Această eliberare are loc datorită fosforilării / defosforilării adecvate a ARN polimerazei II la nivelul domeniului C-Terminal pe care l-am putea defini ca un fel de panou de control pe care accesează mulți alți regulatori de transcripție atât în stadii incipiente, cât și în stadii târzii.
Reacțiile ARN polimerazelor sunt în echilibru
În operația de alungire a catenei de ARN, ARN polimerazele catalizează următoarea reacție de polimerizare
Fiind o reacție de echilibru, polimerazele pot face o pauză cinetică, nu datorită unei activități reale de corectură, ci din simplul fapt că catalizează o reacție reversibilă, favorizată termodinamic în ambele direcții, deci cu Δg = 0. Reacția este împinsă spre dreapta, prin acțiunea comună a pirofosfatazei care degradează pirofosfatul anorganic: prin principiul Le Chatelier (sau echilibrul mobil), de fapt, prin scăderea concentrației produselor (în acest caz a substanței anorganice pirofosfat), sistemul va tinde să consume mai mulți reactivi pentru a-i transforma în produse și a restabili echilibrul chimic. În acest caz, scăderea pirofosfatului anorganic împinge sistemul să consume rNTP pentru a elibera din nou pirofosfatul, împingând reacția spre dreapta. În concluzie, pauza cinetică a ARN polimerazei nu se datorează activității de corectură, ci lipsei de sincronie între acțiunea de polimerizare și acțiunea de degradare a pirofosfatazei.
Etapa a cincea: încetarea
Terminalul 3 'al ARN-ului eucariot este definit prin modificări post-transcripționale, în practică ARN-ul transcris este scurtat în urma tăierii la nivelul unei secvențe specifice care se află la 20-30 nucleotide în aval de situsul de poliadenilare (AAUAAA); imediat după tăiere, o polimerază specifică adaugă o coadă poli-A (aproximativ 200 nucleotide) la 3 'din noul transcript. Funcțiile cozii A-poly:
- exporta ARNm matur din nucleu;
- influențează stabilitatea ARNm în citoplasmă
Transcriere inversă
Prin transcriere inversă (sau transcriere inversă ) înțelegem o transcriere care nu urmează așa-numita dogmă centrală a biologiei moleculare , conform căreia informațiile genetice curg de la ADN, la ARN, la proteine. Transcrierea inversă este de fapt mediată de enzima transcriptazei inverse , care catalizează sinteza ADN-ului complementar unui ARN. Această apariție este frecventă în virusurile ARN (cum ar fi virusul sarcomului HIV și Rous , primii descoperiți), care sunt capabili să se replice numai prin convertirea genomului lor din ARN în ADN.
Regulatoare de transcriere
Co-activatori și mediatori
Mediatorul este un complex proteic de dimensiuni moleculare considerabile, a cărui compoziție în termeni de număr și specii de proteine nu este statică, ci dimpotrivă este variabilă în timpul diferitelor momente de transcripție. Mediatorul, în diferitele faze, intervine prin medierea, de fapt, a interacțiunilor pe termen lung și scurt între elementele cis (de exemplu, Enhancer și Silencer) și aparatul transcripțional și între factorii de transcripție și ARN polimeraza. Structura dinamică a mediatorului este în prezent în studiu.
TAF-uri
TAF sunt subunități ale complexului TFIID care se leagă de elementele promotorului.
Statele Unite ale Americii
Notă
Bibliografie
- David L. Nelson, Michael M. Cox, Principiile de biochimie ale lui Lehninger , ediția a III-a, Bologna, Zanichelli , februarie 2002, ISBN 88-08-09035-3 .
Elemente conexe
- Dogma centrală a biologiei moleculare
- Maturarea ARNm
- Împletirea
- Plafonare
- Poliadenilare
- Sinteza proteinei
- Transcriere inversă
- Efect de poziție
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre transcriere
linkuri externe
- Instrument de traducere ADN de către Medical Computing.Net , pe medicalcomputing.net . Adus la 5 octombrie 2006 (arhivat din original la 7 ianuarie 2007) .
- Animația transcrierii , pe maxanim.com .
- De la ADN la proteine , la biophp.org .
| Controlul autorității | LCCN (EN) sh85053872 · GND (DE) 4185906-6 · NDL (EN, JA) 00.857.944 |
|---|
