Transkripcija: informacijos nurašymas

Genetinė informacija, saugoma DNR molekulėje, yra neįkainojama ir saugoma branduolio „seife“. Kad ši informacija būtų panaudota baltymų sintezei, kuri vyksta citoplazmoje, tiesiogiai naudoti DNR būtų per daug rizikinga – ji galėtų būti pažeista. Todėl ląstelė naudoja protingą strategiją: ji pasidaro laikinas, vienkartines DNR fragmento (geno) kopijas RNR pavidalu.

Transkripcija (lot. transcriptio – perrašymas) – tai procesas, kurio metu nuo DNR geno sekos, kaip nuo matricos, sintetinama komplementari informacinės RNR (iRNR) molekulė. Tai yra pirmasis ir būtinas žingsnis genų raiškoje – informacijos kelyje nuo DNR iki baltymo.

Centrinė molekulinės biologijos dogma

Transkripcija ir po jos sekanti transliacija yra pagrindiniai procesai, apibrėžiantys informacijos srautą ląstelėje, žinomą kaip centrinė molekulinės biologijos dogma:

$$ \text{DNR} \xrightarrow{\text{Transkripcija}} \text{RNR} \xrightarrow{\text{Transliacija}} \text{Baltymas} $$

Šioje pamokoje detaliai išnagrinėsime, kaip ląstelė „nuskaito“ DNR kodą ir perrašo jį į iRNR kalbą.

Visą transkripcijos procesą vykdo vienas pagrindinis fermentas – RNR polimerazė. Jis atlieka kelias funkcijas vienu metu:

• Atsuka DNR: Skirtingai nei replikacijoje, čia nereikia atskiros helikazės. RNR polimerazė pati atskiria DNR grandines ties geno pradžia.
• Nuskaito matricą: Ji nuskaito vieną iš DNR grandinių – matricinę grandinę (šablono grandinę) – 3'→5' kryptimi.
• Sintetina iRNR: Pagal komplementarumo principą (A su U, G su C) ji jungia RNR nukleotidus ir sintetina naują iRNR grandinę 5'→3' kryptimi.
• Užsuka DNR: Praėjusi tam tikrą DNR atkarpą, RNR polimerazė leidžia DNR grandinėms vėl susivynioti į dvigubą spiralę.

Antroji DNR grandinė, kuri nėra nuskaitoma, vadinama koduojančiąja grandine. Jos seka (pakeitus T į U) yra identiška naujai sintetinamos iRNR sekai.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Schema, kurioje RNR polimerazė juda išilgai DNR. Parodyti, kaip DNR grandinės ties fermentu yra atsiskyrusios, viena (matricinė) grandinė eina per fermento aktyvųjį centrą, o nauja iRNR grandinė sintetinama ir išeina iš fermento.

Eukariotų ląstelėse transkripcija vyksta branduolyje ir susideda iš trijų pagrindinių etapų.

1. Inicijavimas (pradžia)

• Promotoriaus atpažinimas: Transkripcija prasideda ne bet kur, o specifinėje DNR sekoje priešais geną, vadinamoje promotoriumi. Eukariotuose promotoriuje dažnai būna seka, vadinama TATA dėžute.
• Transkripcijos faktorių prisijungimas: Prie promotoriaus pirmiausia jungiasi pagalbiniai baltymai – transkripcijos faktoriai. Jie atpažįsta TATA dėžutę ir paruošia DNR prisijungti RNR polimerazei.
• RNR polimerazės prisijungimas: RNR polimerazė prisijungia prie transkripcijos faktorių ir DNR, sudarydama transkripcijos iniciacijos kompleksą. Fermentas atskiria DNR grandines ir yra pasirengęs pradėti sintezę.

2. Elongacija (ilgėjimas)

• RNR polimerazė juda išilgai matricinės DNR grandinės 3'→5' kryptimi.
• Ji skaito DNR seką ir pagal komplementarumo principą (A-U, G-C) prijungia laisvus RNR nukleotidus, formuodama ilgėjančią iRNR grandinę 5'→3' kryptimi.
• Už fermento DNR grandinės vėl susivynioja į dvigubą spiralę.

3. Terminacija (pabaiga)

• RNR polimerazė pasiekia specifinę DNR seką, vadinamą terminatoriumi, kuri signalizuoja transkripcijos pabaigą.
• RNR polimerazė atsijungia nuo DNR, o naujai susintetinta iRNR molekulė – vadinama pirminiu transkriptu arba pre-iRNR – yra paleidžiama.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Trys schemos, iliustruojančios transkripcijos etapus: 1) Inicijavimas: transkripcijos faktoriai ir RNR polimerazė jungiasi prie promotoriaus. 2) Elongacija: RNR polimerazė sintetina iRNR grandinę. 3) Terminacija: RNR polimerazė pasiekia terminatorių ir atsijungia.

Prokariotų ląstelėse transkripcija ir transliacija vyksta vienu metu (nes nėra branduolio), o susintetinta iRNR iškart naudojama baltymų sintezei. Tuo tarpu eukariotuose, prieš išeinant iš branduolio į citoplazmą, naujai susintetinta pre-iRNR turi pereiti sudėtingą brendimo procesą, vadinamą RNR procesingu (brendimu). Šis procesas apima tris pagrindinius pakeitimus:

1. 5' galo kepurės pridėjimas: Prie iRNR 5' galo prijungiama modifikuota guanino nukleotido „kepurė“ (angl. 5' cap). Ji apsaugo iRNR nuo suardymo ir padeda ribosomoms atpažinti sintezės pradžios vietą.

2. Poli(A) uodegos pridėjimas: Prie iRNR 3' galo prijungiama ilga adenino nukleotidų seka – poli(A) uodega (angl. poly-A tail). Ji taip pat apsaugo iRNR nuo suardymo ir reguliuoja jos „gyvavimo“ trukmę citoplazmoje.

3. Splaisingas (iškarpymas): Eukariotų genai turi mozaikinę struktūrą. Juos sudaro:

   • EgzonaI: Koduojančios sekos, kurios lieka brandžioje iRNR ir nulemia baltymo struktūrą.
   • Intronai: Nekoduojančios, „įsiterpusios“ sekos, kurios turi būti pašalintos.

   Splaisingo metu specialūs fermentiniai kompleksai – splaisosomos – atpažįsta ir iškerpa intronus, o likusius egzonus sujungia į vientisą, nenutrūkstamą koduojančią seką.

Tik po šių trijų modifikacijų susidaro brandi iRNR, kuri yra pasirengusi keliauti iš branduolio į citoplazmą baltymų sintezei.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: RNR procesingo schema. Parodyti pre-iRNR su intronais ir egzonais. Rodyklėmis iliustruoti tris procesus: 5' kepurės pridėjimą, 3' poli(A) uodegos pridėjimą ir splaisingą (intronų iškirpimą ir egzonų sujungimą). Galutinis rezultatas – brandi iRNR.

Nors transkripcijos esmė – DNR perrašymas į RNR – yra universali, tarp prokariotų ir eukariotų egzistuoja esminiai skirtumai, lemiami skirtingos ląstelės sandaros ir genomo organizacijos.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Lyginamoji schema, vaizduojanti genų raišką prokarioto ir eukarioto ląstelėse. Prokarioto schemoje parodyti susiję transkripcijos ir transliacijos procesai citozolyje. Eukarioto schemoje – atskirti procesai (transkripcija ir procesingas branduolyje, transliacija citoplazmoje).

Anksčiau manyta, kad vienas genas koduoja vieną baltymą. Tačiau eukariotų genų mozaikinė struktūra (egzonai ir intronai) leidžia pasireikšti stulbinančiam reiškiniui – alternatyviajam splaisingui.

Tai procesas, kurio metu iš to paties pirminio transkripto (pre-iRNR), skirtingai kombinuojant egzonus, galima pagaminti kelias skirtingas brandžios iRNR molekules, o iš jų – kelis skirtingus baltymus (vadinamus izoformomis).

Pavyzdžiui, geną sudaro egzonai 1, 2, 3 ir 4. Splaisingo metu gali susidaryti tokios kombinacijos:

• iRNR-1: egzonas 1 — egzonas 2 — egzonas 3 — egzonas 4 (koduoja baltymą A)
• iRNR-2: egzonas 1 — egzonas 3 — egzonas 4 (iškerpamas egzonas 2; koduoja baltymą B)
• iRNR-3: egzonas 1 — egzonas 2 — egzonas 4 (iškerpamas egzonas 3; koduoja baltymą C)

Šis mechanizmas yra vienas iš pagrindinių paaiškinimų, kodėl žmogus, turintis tik apie 20 000 genų, gali pagaminti šimtus tūkstančių skirtingų baltymų. Alternatyvusis splaisingas smarkiai padidina genomo koduojamą informacinę talpą ir leidžia lanksčiai reguliuoti genų raišką skirtinguose audiniuose ar vystymosi etapuose.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Rekomenduojamas vaizmas -> Aiški alternatyviojo splaisingo schema. Parodyti vieną geną su keliais egzonais ir intronais. Iš jo, po transkripcijos, susidaro viena pre-iRNR. Toliau parodyti du ar tris skirtingus splaisingo kelius, kurių metu gaunamos skirtingos brandžios iRNR ir, atitinkamai, skirtingi baltymai.