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Teilen alle RNA-Polymerase in Eukaryoten die gleichen Transkriptionsfaktoren?

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Ich weiß, dass TFII-Proteine ​​an cis-Elemente in der DNA binden und helfen, die Transkription für die RNA-Polymerase II zu initiieren. Aber nutzen die RNA-Polymerase I und III diese Proteine ​​auch bei der Transkribierung von Genen? Benötigen alle Gene auch Promotoren/cis-Elemente? Benötigen alle Gene, die in einen Vektor eingefügt werden, Promotorregionen/cis-Elemente?


Mit Ausnahme des TATA-bindenden Proteins (TBP) gibt es keine gemeinsamen Transkriptionsfaktoren für jede RNA-Polymerase. Es gibt jedoch Homologien zwischen vielen der Faktoren, die von den verschiedenen Enzymen verwendet werden.

Das Papier Konservierung zwischen den Transkriptionsinitiierungsmaschinen der RNA-Polymerase I, II und IIIein gibt einen guten Überblick über die verschiedenen Initiationsfaktoren jedes RNA-Polymerase-Enzyms. Es enthält einen Vergleich verschiedener Transkriptionsfaktoren in Hefe.

Hier ist ein Auszug aus dem Papier, der die Homologien zwischen einigen der Initiationsfaktoren der TFII-Gruppe und ihren homologen Gegenstücken zeigt. (Das erste Schema ist RNA Poly II, das zweite RNA Poly I und das dritte RNA Poly III):

Quelle:

ein Alessandro Vannini, Patrick Cramer, Conservation between the RNA Polymerase I, II, and III Transcription Initiation Machineries, Molecular Cell, Volume 45, Issue 4, 24. Februar 2012, S. 439-446, ISSN 1097-2765, https://doi. org/10.1016/j.molcel.2012.01.023.


Wahrscheinlich.

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Conserved_sequence

Hier finden Sie eine Vielzahl konservierter Sequenzen, nicht nur in Eukaryoten, sondern in allen Organismen. RNA-Polymerase wurde nur in E coli umfassend untersucht, wo etwa 100 RNAP-verwandte Gene gefunden wurden. Alle Bakterien scheinen eine Reihe von Genen wie rpob, terminale Domänen und Omega-Untereinheit gemeinsam zu haben. In Eukaryoten gibt es außerdem die 5 Polymerase-Proteine, die der Archea-RNAP sehr ähnlich sind. Poxvriuses haben ihre eigene ähnliche RNAP.

Was Retroviren betrifft, so ist die gesamte Wissenschaft dahinter eher vage, sodass wir nicht genau sagen können, welche RNAP-Gene sie verwenden. Es wird (ohne viele Beweise) behauptet, dass sie einige mit "pol" bezeichnete Gene verwenden, um eine ähnliche Funktionalität zu erreichen.

Es wird nicht angenommen, dass die Promotorregionen unbedingt notwendig sind, obwohl sie die Transkription der meisten Gene stark beschleunigen. Sie werden in der Regel auch konserviert.


Im Gegensatz zur prokaryotischen Polymerase, die selbst an eine DNA-Matrize binden kann, benötigen Eukaryoten mehrere andere Proteine, sogenannte Transkriptionsfaktoren, um zuerst an die Promotorregion zu binden und dann bei der Rekrutierung der geeigneten Polymerase zu helfen.

Die drei eukaryotischen RNA-Polymerasen

Die Merkmale der eukaryotischen mRNA-Synthese sind deutlich komplexer als die von Prokaryonten. Statt einer einzigen Polymerase mit fünf Untereinheiten besitzen die Eukaryoten drei Polymerasen, die jeweils aus 10 Untereinheiten oder mehr bestehen. Jede eukaryotische Polymerase benötigt auch einen bestimmten Satz von Transkriptionsfaktoren, um sie zur DNA-Matrize zu bringen.

Die RNA-Polymerase I befindet sich im Nukleolus, einer spezialisierten nukleären Unterstruktur, in der ribosomale RNA (rRNA) transkribiert, prozessiert und zu Ribosomen zusammengesetzt wird (Tabelle 1). Die rRNA-Moleküle werden als strukturelle RNAs betrachtet, da sie eine zelluläre Rolle spielen, aber nicht in Proteine ​​übersetzt werden. Die rRNAs sind Bestandteile des Ribosoms und für den Translationsprozess essentiell. RNA-Polymerase I synthetisiert alle rRNAs außer dem 5S-rRNA-Molekül. Die Bezeichnung “S” gilt für “Svedberg”-Einheiten, ein nicht-additiver Wert, der die Geschwindigkeit charakterisiert, mit der ein Partikel während der Zentrifugation sedimentiert.

Tabelle 1. Standorte, Produkte und Empfindlichkeiten der drei eukaryotischen RNA-Polymerasen
RNA-Polymerase Zelluläres Fach Transkriptionsprodukt α-Amanitin-Empfindlichkeit
ich Nukleolus Alle rRNAs außer 5S rRNA Unempfindlich
II Kern Alle proteinkodierenden nukleären Prä-mRNAs Extrem empfindlich
III Kern 5S-rRNA, tRNAs und kleine nukleäre RNAs Mäßig empfindlich

Die RNA-Polymerase II befindet sich im Kern und synthetisiert alle Protein-kodierenden nukleären Prä-mRNAs. Eukaryontische prä-mRNAs durchlaufen nach der Transkription, aber vor der Translation (Abbildung 1) eine umfangreiche Prozessierung. Der Übersichtlichkeit halber wird in der Diskussion über Transkription und Translation in Eukaryoten in diesem Modul der Begriff “mRNAs” verwendet, um nur die reifen, prozessierten Moleküle zu beschreiben, die zur Translation bereit sind. Die RNA-Polymerase II ist für die Transkription der überwiegenden Mehrheit der eukaryontischen Gene verantwortlich.

Abbildung 1. Eukaryotische mRNA enthält Introns, die ausgespleißt werden müssen. Ein 5′ Cap und ein 3′ Poly-A Tail werden ebenfalls hinzugefügt.

Die RNA-Polymerase III befindet sich ebenfalls im Zellkern. Diese Polymerase transkribiert eine Vielzahl von strukturellen RNAs, darunter die 5S-Prä-rRNA, Transfer-Prä-RNAs (Prä-tRNAs) und kleine nukleare Vor-RNAs. Die tRNAs spielen eine entscheidende Rolle bei der Translation, sie dienen als Adaptermoleküle zwischen der mRNA-Matrize und der wachsenden Polypeptidkette. Kleine nukleäre RNAs haben eine Vielzahl von Funktionen, darunter das “splicing” von prä-mRNAs und die Regulierung von Transkriptionsfaktoren.

Ein Wissenschaftler, der ein neues Gen charakterisiert, kann bestimmen, welche Polymerase es transkribiert, indem er testet, ob das Gen in Gegenwart eines bestimmten Pilzgifts, α-Amanitin, exprimiert wird (Tabelle 1). Interessanterweise wird α-Amanitin von Wulstling phalloides, der Death Cap-Pilz, beeinflusst die drei Polymerasen sehr unterschiedlich. Die RNA-Polymerase I ist gegenüber α-Amanitin völlig unempfindlich, was bedeutet, dass die Polymerase in Gegenwart dieses Giftes DNA in vitro transkribieren kann. Im Gegensatz dazu ist die RNA-Polymerase II extrem empfindlich gegenüber α-Amanitin und die RNA-Polymerase III ist mäßig empfindlich. Die Kenntnis der transkribierenden Polymerase kann einem Forscher Aufschluss über die allgemeine Funktion des untersuchten Gens geben. Da die RNA-Polymerase II die überwiegende Mehrheit der Gene transkribiert, werden wir uns in unseren nachfolgenden Diskussionen über eukaryotische Transkriptionsfaktoren und Promotoren auf diese Polymerase konzentrieren.

RNA-Polymerase-II-Promotoren und Transkriptionsfaktoren

Eukaryontische Promotoren sind viel größer und komplizierter als prokaryontische Promotoren. Beide haben jedoch eine Sequenz ähnlich der -10-Sequenz von Prokaryoten. In Eukaryoten wird diese Sequenz als TATA-Box bezeichnet und weist die Konsensussequenz TATAAA auf dem kodierenden Strang auf. Es befindet sich bei -25 bis -35 Basen relativ zur Initiationsstelle (+1) (Fig. 2). Diese Sequenz ist nicht identisch mit der E coli -10-Box, aber es bewahrt das A–T-reiche Element. Die Thermostabilität von A-T-Bindungen ist gering und dies hilft dem DNA-Templat, sich lokal zur Vorbereitung der Transkription aufzulösen.

Anstelle des einfachen σ-Faktors, der dabei hilft, die prokaryontische RNA-Polymerase an ihren Promotor zu binden, bauen Eukaryonten einen Komplex von Transkriptionsfaktoren zusammen, die erforderlich sind, um die RNA-Polymerase II an ein proteinkodierendes Gen zu rekrutieren. Transkriptionsfaktoren, die an den Promotor binden, heißen basale Transkriptionsfaktoren. Diese Basalfaktoren werden alle als TFII (für Transcription Factor/Polymerase II) plus einem zusätzlichen Buchstaben (A-J) bezeichnet. Der Kernkomplex ist TFIID, das ein TATA-bindendes Protein (TBP) enthält. Die anderen Transkriptionsfaktoren werden systematisch auf der DNA-Matrize platziert, wobei jeder den Präinitiationskomplex weiter stabilisiert und zur Rekrutierung der RNA-Polymerase II beiträgt.

Abbildung 2. Ein generalisierter Promotor eines Gens, das von RNA-Polymerase II transkribiert wurde, ist gezeigt. Transkriptionsfaktoren erkennen den Promotor. RNA-Polymerase II bindet dann und bildet den Transkriptionsinitiationskomplex.

Übungsfrage

Ein Wissenschaftler spleißt einen eukaryontischen Promotor vor ein bakterielles Gen und fügt das Gen in ein bakterielles Chromosom ein. Würden Sie erwarten, dass die Bakterien das Gen transkribieren?

Einige eukaryotische Promotoren haben auch eine konservierte CAAT-Box (GGCCAATCT) bei ungefähr -80. Weiter stromaufwärts der TATA-Box können eukaryotische Promotoren auch einen oder mehrere enthalten GC-reiche Boxen (GGCG) oder Oktamerboxen (ATTTGCAT). Diese Elemente binden zelluläre Faktoren, die die Effizienz der Transkriptionsinitiation erhöhen und werden oft in „aktiveren“ Genen identifiziert, die ständig von der Zelle exprimiert werden.

Basale Transkriptionsfaktoren sind entscheidend für die Bildung eines Präinitiationskomplexes auf der DNA-Matrize, der anschließend die RNA-Polymerase II für die Transkriptionsinitiation rekrutiert. Die Komplexität der eukaryontischen Transkription endet nicht bei den Polymerasen und Promotoren. Eine Armee anderer Transkriptionsfaktoren, die an vorgeschaltete Enhancer und Silencer binden, hilft auch dabei, die Häufigkeit zu regulieren, mit der Prä-mRNA aus einem Gen synthetisiert wird. Enhancer und Silencer beeinflussen die Effizienz der Transkription, sind aber für das Fortschreiten der Transkription nicht notwendig.

Die Entwicklung der Promoter

Die Evolution von Genen mag ein bekanntes Konzept sein. Während der DNA-Replikation können in Genen Mutationen auftreten, und das Ergebnis kann für die Zelle von Vorteil sein oder auch nicht. Durch die Veränderung eines Enzyms, Strukturproteins oder eines anderen Faktors kann der Mutationsprozess Funktionen oder physikalische Eigenschaften verändern. Es können sich jedoch auch eukaryotische Promotoren und andere Genregulationssequenzen entwickeln. Betrachten Sie zum Beispiel ein Gen, das über viele Generationen hinweg für die Zelle wertvoller wird. Vielleicht kodiert das Gen ein Strukturprotein, das die Zelle für eine bestimmte Funktion in Hülle und Fülle synthetisieren muss. Wenn dies der Fall ist, wäre es für die Zelle von Vorteil, wenn der Promotor dieses Gens Transkriptionsfaktoren effizienter rekrutiert und die Genexpression erhöht.

Wissenschaftler, die die Evolution von Promotorsequenzen untersuchen, haben unterschiedliche Ergebnisse berichtet. Dies liegt zum Teil daran, dass es schwierig ist, genau abzuleiten, wo ein eukaryontischer Promotor beginnt und endet. Einige Promotoren kommen innerhalb von Genen vor, andere befinden sich sehr weit stromaufwärts oder sogar stromabwärts der Gene, die sie regulieren. Als die Forscher ihre Untersuchung jedoch auf menschliche Kernpromotorsequenzen beschränkten, die experimentell als Sequenzen definiert wurden, die den Präinitiationskomplex binden, stellten sie fest, dass sich Promotoren noch schneller entwickeln als proteinkodierende Gene.

Es ist noch unklar, wie die Evolution des Promotors der Evolution des Menschen oder anderer höherer Organismen entsprechen könnte. Die Evolution eines Promotors, um effektiv mehr oder weniger aus einem bestimmten Genprodukt zu machen, ist jedoch eine faszinierende Alternative zur Evolution der Gene selbst. [1]

Promotorstrukturen für RNA-Polymerasen I und III

Die Prozesse, die RNA-Polymerasen I und III zur DNA-Matrize zu bringen, beinhalten etwas weniger komplexe Sammlungen von Transkriptionsfaktoren, aber das allgemeine Thema ist das gleiche.

Die konservierten Promotorelemente für Gene, die von Polymerasen I und III transkribiert werden, unterscheiden sich von denen, die von RNA-Polymerase II transkribiert werden. RNA-Polymerase I transkribiert Gene, die zwei GC-reiche Promotorsequenzen im -45 bis +20-Bereich aufweisen. Diese Sequenzen allein reichen aus, damit die Transkriptionsinitiation stattfindet, aber Promotoren mit zusätzlichen Sequenzen im Bereich von –180 bis –105 stromaufwärts der Initiationsstelle werden die Initiation weiter verstärken. Gene, die von RNA-Polymerase III transkribiert werden, haben stromaufwärts gelegene Promotoren oder Promotoren, die innerhalb der Gene selbst vorkommen.

Die eukaryotische Transkription ist ein streng regulierter Prozess, bei dem eine Vielzahl von Proteinen miteinander und mit dem DNA-Strang interagieren müssen. Obwohl der Transkriptionsprozess bei Eukaryoten einen höheren metabolischen Aufwand erfordert als bei Prokaryoten, stellt er sicher, dass die Zelle genau die prä-mRNAs transkribiert, die sie für die Proteinsynthese benötigt.

Verlängerung und Beendigung

Nach der Bildung des Präinitiationskomplexes wird die Polymerase von den anderen Transkriptionsfaktoren freigesetzt und die Elongation wird wie bei Prokaryonten mit der Polymerase, die prä-mRNA in der Richtung 5′-3′ synthetisiert, fortschreiten gelassen. Wie bereits erwähnt, transkribiert die RNA-Polymerase II den Großteil der eukaryontischen Gene, daher wird sich dieser Abschnitt darauf konzentrieren, wie diese Polymerase Elongation und Termination bewerkstelligt.

Obwohl der enzymatische Prozess der Elongation bei Eukaryoten und Prokaryoten im Wesentlichen gleich ist, ist die DNA-Matrize komplexer. Wenn sich eukaryotische Zellen nicht teilen, existieren ihre Gene als eine diffuse Masse aus DNA und Proteinen, die Chromatin genannt werden. Die DNA wird in wiederholten Intervallen eng um geladene Histonproteine ​​gepackt. Diese DNA-Histon-Komplexe, zusammenfassend Nukleosomen genannt, sind regelmäßig beabstandet und umfassen 146 Nukleotide DNA, die wie ein Faden um eine Spule um acht Histone gewickelt sind.

Damit die Polynukleotidsynthese stattfinden kann, muss die Transkriptionsmaschinerie jedes Mal, wenn sie auf ein Nukleosom trifft, Histone aus dem Weg räumen. Dies wird durch einen speziellen Proteinkomplex namens . erreicht TATSACHE, was für “erleichtert die Chromatin-Transkription steht.” Dieser Komplex zieht Histone von der DNA-Matrize weg, während sich die Polymerase daran entlang bewegt. Sobald die Prä-mRNA synthetisiert ist, ersetzt der FACT-Komplex die Histone, um die Nukleosomen neu zu bilden.

Die Termination der Transkription ist für die verschiedenen Polymerasen unterschiedlich. Anders als bei Prokaryoten erfolgt die Elongation durch die RNA-Polymerase II bei Eukaryoten 1.000–2.000 Nukleotide über das Ende des zu transkribierenden Gens hinaus. Dieser Prä-mRNA-Schwanz wird anschließend während der mRNA-Prozessierung durch Spaltung entfernt. Andererseits benötigen die RNA-Polymerasen I und III Terminationssignale. Von RNA-Polymerase I transkribierte Gene enthalten eine spezifische 18-Nukleotid-Sequenz, die von einem Terminationsprotein erkannt wird. Der Terminationsprozess in der RNA-Polymerase III umfasst eine mRNA-Haarnadel ähnlich der rho-unabhängigen Termination der Transkription in Prokaryonten.


Was ist RNA-Polymerase 1?

RNA-Polymerase 1 (Pol 1) ist eine Art eukaryotischer RNA-Polymerase, die für die Synthese von prä-rRNA verantwortlich ist, die 45S ist. Die Reifung von 45S-rRNA produziert 28S-, 18S- und 5.8S-rRNAs. 28S und 5.8S sind die rRNA-Komponente der großen Untereinheit, während 18S die kleine Untereinheit des eukaryotischen Ribosoms bildet. RNA-Polymerase 1 ist für die Produktion von 50% der gesamten RNA der Zelle verantwortlich.

Abbildung 1: Bildung von Ribosomen aus rRNA

RNA-Polymerase 1 ist ein 590 kDa großes Enzym, das 14 Proteinuntereinheiten enthält. Davon sind 10 Untereinheiten an der Bildung des Kerns beteiligt: ​​Rpb5, Rpb6, Rpb8, Rpb10, Rpb12, A190, A135, AC40, AC19 und A12.2. Die fünf Untereinheiten Rpb5, Rpb6, Rpb8, Rpb10 und Rpb12 kommen auch in RNA-Polymerase 2 und 3 vor.


Vorlesung 35 - Transkription 3

Der Zweck von TBP besteht darin, an die TATA-Box zu binden und andere Faktoren zu rekrutieren, um der RNA-Polymerase 2 zu helfen, an den Promotor zu binden.

2. Ein weiterer UBF bindet an das UCE (Upstream Control Element)

3. Die beiden UBFs biegen die DNA und ziehen sich aneinander.

2. Alle anderen rRNA-Gene werden von demselben Gen kodiert. 5S rRNA stammt von einem anderen Gen.

Ein Enhancer kann sich an einer beliebigen Stelle auf einem Chromosom befinden und dennoch (durch DNA-Looping) die Transkription an einem Promotor verstärken.

AP1 ist ein Beispiel für einen Leucin-Reißverschluss.

Der Zweck der Helix-Turn-Helix besteht darin, die "greifende Faust" eines Transkriptionsfaktors zu sein.

Der Zweck der Helix-Loop-Helix besteht darin, die "greifende Faust" eines Transkriptionsfaktors zu sein.

1. Es kann die Bindung eines Aktivators blockieren.

Diese Proteine ​​können die Elongationsphase der Transkription verlangsamen.

Dieser Co-Faktor ist HAT. Wenn HAT vom Ligandenrezeptor gebunden wird, wird es stimuliert, Histone zu acetylieren.

Die Acetylierung von Histonen durch HAT erfolgt an Lysinresten, wobei deren positive Ladung entfernt wird. Dieser Prozess führt dazu, dass die DNA weniger fest an Histone bindet als zuvor.

Diese müssen wir (laut Dr. K.) nicht kennen, aber verstehen:


Unterschiede in der Drei-RNA-Pol-Struktur in Verbindung mit Unterschieden in der Funktion

Obwohl der Transkriptionszyklus (Initiation, Elongation und Termination) in allen drei nukleären RNA-Polen ähnliche Prinzipien hat, spiegeln sich die spezifischen Merkmale ihrer Transkriptionsmodi in ihren Untereinheitsstrukturen wider. RNA pol II zielt auf einen großen Satz unterschiedlich regulierter Gene ab, was die Fähigkeit erfordert, mit einem größeren Satz von Transkriptionsinitiations- und Elongationsfaktoren als die anderen beiden RNA-Pole zu interagieren. Vielleicht wurde dies dadurch erreicht, dass sie weniger permanente Untereinheiten als die anderen beiden RNA-Pols hatten, aber auch dissoziierbare Untereinheiten (Rpb4/7) und unabhängige Initiations- und Elongationsfaktoren (TFIIF, TFIIS und TFIIE), während die äquivalenten Faktoren in anderen Polymerasen gebildet wurden ein intrinsischer Teil (Untereinheiten) des RNA-Pol-Komplexes. Beispielsweise muss RNA pol I einen einzelnen Promotor erkennen, erfordert jedoch eine schnelle, effiziente Elongation, um Kollisionen zwischen Polymerasen in ihren stark überfüllten Genen zu vermeiden (Goodfellow und Zomerdijk, 2013). Dies ist vielleicht der Grund, warum RNA pol I eine wichtige intrinsische RNA-Spaltungsaktivität für das Korrekturlesen und eine schnelle Wiederaufnahme der Elongation nach einer Pause besitzt (Fernández-Tornero et al., 2013). Diese Aktivität liegt in ihrer A12-Untereinheit mit Homologie sowohl zur RNA-pol II-Rpb9-Untereinheit als auch zum TFIIS-Elongationsfaktor. Somit scheint A12 ein Fusionsprotein zu sein, das die aminoterminale Domäne der RNA pol II Rbp9-Untereinheit und die carboxyterminale Domäne von TFIIS umfasst (Hoffmann et al., 2015). Eine ähnliche Argumentation kann für RNA pol III angestellt werden, wo die C11-Untereinheit eine Homologie zu Rpb9 und TFIIS aufweist (Chຝin et al., 1998). Der kompliziertere Prozess der Wiederaufnahme der Elongation nach einer Pause in RNA pol II legt die Notwendigkeit einer spezifischen Regulation nahe, die für eine einfachere und schnellere RNA pol I/III-Elongation nicht erforderlich ist (Engel et al., 2013). Ein weiteres Beispiel für Funktionen, die in intrinsische Untereinheiten von RNA pol III, aber in externe Transkriptionsfaktoren in RNA pol II fallen, bezieht sich auf die Transkriptionstermination. RNA-pol III-spezifisches Dimer (C53/C37) zusammen mit der C11-Untereinheit werden insbesondere für die sehr schnelle effiziente Terminierung und gekoppelte Reinitiation benötigt, die von diesem RNA-Pol aufgrund der hoch transkribierten und sehr kurzen Gene, auf die es abzielt, benötigt wird (Dieci et al. , 2013 Arimbasseri und Maraia, 2016). Tatsächlich unterscheidet sich die RNA-Pol-III-Termination von der der anderen beiden nukleären RNA-Pols, da ihre Gene einen Oligo-T-Trakt am 3′-Ende präsentieren, der die Termination induziert. Im Gegensatz dazu benötigen RNA-Pols I und II zusätzliche cis-wirkende Elemente und Nebenfaktoren für die Beendigung (Arimbasseri und Maraia, 2016). Kurz gesagt, beide RNA-Pole I und III scheinen während der Evolution einige Transkriptionsfaktor-ähnliche Untereinheiten in das Kernenzym integriert zu haben, um eine schnelle und effiziente Transkription zu priorisieren gegen Regulierung (Carter und Drouin, 2010).

Chromatin schränkt die Transkription durch drei eukaryontische RNA-Pole stark ein und verhindert ihr direktes Targeting auf Genpromotoren, was wahrscheinlich erklärt, warum alle nukleären RNA-Pols zuerst an Präinitiationskomplexen beteiligt sind, bevor die Transkription beginnt. Prä-Initiationskomplexe bestehen minimal aus dem allen drei Transkriptionssystemen gemeinsamen TATA-Box-Bindungsprotein (TBP), den Initiationsfaktoren TFIIB (RNA pol II) und Brf1 (RNA pol III) und dem RNA pol II-spezifischen TFIIE Faktor (Hahn, 2004 Naidu et al., 2011). Darüber hinaus erlegt Chromatin während der Elongation jedem RNA-Pol deutlich unterschiedliche Bedingungen auf. Aktive rRNA-Gene werden vollständig durch die Transkription von RNA-pol I-Komplexen abgedeckt, um charakteristische Weihnachtsbäume ohne Nukleosomen zu bilden (Albert et al., 2012 Goodfellow und Zomerdijk, 2013). Die meisten RNA-pol III-Gene (insbesondere tRNAs und 5S) sind so kurz, dass die gesamte Transkriptionseinheit in einer kurzen Spur frei von Nukleosomen liegt (Shukla und Bhargava, 2018), im Gegensatz zu RNA pol II, die längere Gene transkribiert und Nukleosomen während der Elongation behandelt . Das Anhalten und Zurückverfolgen von RNA pol II erfolgt an Nukleosomenbarrieren, und die Elongation wird durch die Stimulation der schwachen intrinsischen RNA pol II-Spaltungsaktivität durch TFIIS wieder aufgenommen, um ein neues RNA 3′-Ende in seinem aktiven Zentrum zu bilden (Cramer, 2019). Dieser kompliziertere Weg, Backtracking zu lösen, könnte dazu dienen, den Dehnungsregulierungsprozess zu verfeinern (Bradsher et al., 1993, Shilatifard et al., 1996).


Teilen alle RNA-Polymerase in Eukaryoten die gleichen Transkriptionsfaktoren? - Biologie

Elongation synthetisiert Prä-mRNA in einer Richtung von 5′ zu 3′ und die Termination erfolgt als Reaktion auf Terminationssequenzen und -signale.

Lernziele

Beschreiben Sie, was während der Transkriptionsverlängerung und -termination passiert

Die zentralen Thesen

Wichtige Punkte

  • RNA-Polymerase II (RNAPII) transkribiert den Großteil der eukaryontischen Gene.
  • Während der Elongation muss die Transkriptionsmaschinerie jedes Mal, wenn sie auf ein Nukleosom trifft, Histone aus dem Weg räumen.
  • Die Transkriptionsverlängerung erfolgt in einer Blase ungewickelter DNA, in der die RNA-Polymerase einen DNA-Strang als Matrize verwendet, um die Synthese eines neuen RNA-Strangs in Richtung 5′ zu 3′ zu katalysieren.
  • RNA-Polymerase I und RNA-Polymerase III beenden die Transkription als Reaktion auf spezifische Terminationssequenzen entweder in der zu transkribierenden DNA (RNA-Polymerase I) oder in der neu synthetisierten RNA (RNA-Polymerase III).
  • RNA-Polymerase II beendet die Transkription an zufälligen Stellen nach dem Ende des zu transkribierenden Gens. Die neu synthetisierte RNA wird an einer sequenzspezifizierten Stelle gespalten und freigesetzt, bevor die Transkription endet.

Schlüsselbegriffe

  • Nukleosom: jede der Untereinheiten, die sich im Chromatin wiederholen, eine DNA-Windel, die einen Histonkern umgibt
  • histon: eines von verschiedenen einfachen wasserlöslichen Proteinen, die reich an den basischen Aminosäuren Lysin und Arginin sind und mit DNA in den Nukleosomen des eukaryontischen Chromatins komplexiert sind
  • Chromatin: ein Komplex aus DNA, RNA und Proteinen im Zellkern, aus dem Chromosomen während der Zellteilung kondensieren

Transkription durch Nukleosomen

Nach der Bildung des Präinitiationskomplexes wird die Polymerase von den anderen Transkriptionsfaktoren freigesetzt und die Elongation kann mit der Polymerase, die RNA in der Richtung 5′-3′ synthetisiert, fortschreiten. RNA-Polymerase II (RNAPII) transkribiert den Großteil der eukaryotischen Gene, daher wird sich dieser Abschnitt hauptsächlich darauf konzentrieren, wie diese spezifische Polymerase Elongation und Termination bewerkstelligt.

Obwohl der enzymatische Prozess der Elongation bei Eukaryonten und Prokaryonten im Wesentlichen gleich ist, ist die eukaryontische DNA-Matrize komplexer. Wenn sich eukaryotische Zellen nicht teilen, existieren ihre Gene als diffuse, aber immer noch umfangreich verpackte und verdichtete Masse von DNA und Proteinen, genannt Chromatin. Die DNA wird in wiederholten Intervallen eng um geladene Histonproteine ​​gepackt. Diese DNA-Histon-Komplexe, zusammenfassend Nukleosomen genannt, sind regelmäßig beabstandet und umfassen 146 Nukleotide DNA, die zweimal um die acht Histone in einem Nukleosom gewunden ist, wie ein Faden um eine Spule.

Damit die Polynukleotidsynthese stattfinden kann, muss die Transkriptionsmaschinerie jedes Mal, wenn sie auf ein Nukleosom trifft, Histone aus dem Weg räumen. Dies wird durch ein spezielles Proteindimer namens FACT erreicht, das für “erleichtert die Chromatin-Transkription steht.” FACT zerlegt das Nukleosom unmittelbar vor (stromaufwärts) einer transkribierenden RNA-Polymerase II teilweise, indem es zwei der acht Histone (ein einzelnes Dimer) entfernt von H2A- und H2B-Histonen entfernt.) Dies lockert vermutlich die DNA, die um dieses Nukleosom gewickelt ist, ausreichend, so dass die RNA-Polymerase II hindurch transkribieren kann. FACT baut das Nukleosom hinter der RNA-Polymerase II wieder zusammen, indem es die fehlenden Histone dorthin zurückführt. Die RNA-Polymerase II verlängert die neu synthetisierte RNA weiter, bis die Transkription beendet ist.

Das FACT-Proteindimer ermöglicht es der RNA-Polymerase II, durch verpackte DNA zu transkribieren: DNA in Eukaryoten ist in Nukleosomen verpackt, die aus einem Oktomer von 4 verschiedenen Histonproteinen bestehen. Wenn DNA zweimal eng um ein Nukleosom gewunden ist, kann die RNA-Polymerase II nicht darauf zugreifen, um sie zu transkriptionieren. FACT entfernt zwei der Histone aus dem Nukleosom unmittelbar vor der RNA-Polymerase und lockert die Verpackung, damit die RNA-Polymerase II die Transkription fortsetzen kann. FACT baut auch das Nukleosom unmittelbar hinter der RNA-Polymerase wieder zusammen, indem es die fehlenden Histone zurückgibt.

Verlängerung

RNA Polymerase II ist ein Komplex aus 12 Proteinuntereinheiten. Spezifische Untereinheiten innerhalb des Proteins ermöglichen es der RNA-Polymerase II, als ihre eigene Helikase, Gleitklemme, einzelsträngiges DNA-bindendes Protein zu wirken sowie andere Funktionen auszuführen. Folglich benötigt die RNA-Polymerase II nicht so viele akzessorische Proteine, um die Synthese neuer RNA-Stränge während der Transkriptionselongation zu katalysieren, wie die DNA-Polymerase, um die Synthese neuer DNA-Stränge während der Replikationselongation zu katalysieren.

Die RNA-Polymerase II benötigt jedoch eine große Sammlung von akzessorischen Proteinen, um die Transkription an Genpromotoren zu initiieren, aber sobald die doppelsträngige DNA in der Transkriptionsstartregion abgewickelt wurde, wurde die RNA-Polymerase II am +1-Initiationsnukleotid positioniert. und hat begonnen, die Synthese neuer RNA-Strange zu katalysieren, räumt die RNA-Polymerase II die Promotorregion auf oder „entkommt“ sie und lässt die meisten der Transkriptionsinitiationsproteine ​​zurück.

Alle RNA-Polymerasen wandern entlang des DNA-Matrizenstrangs in Richtung 3′ bis 5′ und katalysieren die Synthese neuer RNA-Stränge in Richtung 5′ bis 3′, indem sie neue Nukleotide am 3′ Ende des Wachstums hinzufügen RNA-Strang.

RNA-Polymerasen wickeln die doppelsträngige DNA vor ihnen ab und lassen die abgewickelte DNA hinter ihnen zurück. Als Ergebnis findet die RNA-Strang-Synthese in einer Transkriptionsblase von etwa 25 ungewickelten DNA-Basebairs statt. Nur etwa 8 Nukleotide der neu synthetisierten RNA verbleiben basengepaart mit der Matrizen-DNA. Der Rest der RNA-Moleküle fällt von der Matrize ab, damit sich die dahinter liegende DNA zurückspulen kann.

RNA-Polymerasen verwenden den darunter liegenden DNA-Strang als Matrize, um zu bestimmen, welches Nukleotid an jedem Punkt der Sequenz an das 3′-Ende des wachsenden RNA-Strangs hinzugefügt werden soll. Die RNA-Polymerase wandert Nukleotid für Nukleotid entlang der Matrizen-DNA. Welches RNA-Nukleotid zur Basenpaarung mit dem Matrizennukleotid unterhalb der RNA-Polymerase fähig ist, ist das nächste Nukleotid, das hinzugefügt wird. Sobald die Addition eines neuen Nukleotids an das 3′ Ende des wachsenden Strangs katalysiert wurde, bewegt sich die RNA-Polymerase zum nächsten DNA-Nukleotid auf der darunter liegenden Matrize. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis die Transkriptionstermination auftritt.

Beendigung

Transkriptionstermination durch RNA-Polymerase II auf einem Protein-kodierenden Gen.: RNA-Polymerase II hat keine spezifischen Signale, die ihre Transkription beenden. Im Fall von Protein-kodierenden Genen bindet ein Proteinkomplex an zwei Stellen auf der wachsenden prä-mRNA, sobald die RNA-Polymerase über das Ende des Gens hinaus transkribiert wurde. CPSF im Komplex bindet eine AAUAAA-Sequenz und CstF im Komplex bindet eine GU-reiche Sequenz (obere Abbildung). CPSF im Komplex spaltet die Prä-mRNA an einer Stelle zwischen den beiden gebundenen Sequenzen, wodurch die Prä-mRNA freigesetzt wird (mittlere Abbildung). Poly(A)-Polymerase ist ein Teil desselben Komplexes und beginnt, der Prä-mRNA einen Poly-A-Schwanz hinzuzufügen. Gleichzeitig greift das Xrn2-Protein, eine Exonuklease, das 5′-Ende des RNA-Strangs an, der noch mit der RNA-Polymerase verbunden ist. Xrn2 beginnt, den nicht freigesetzten Teil der neu synthetisierten RNA zu verdauen, bis Xrn2 die RNA-Polymerase erreicht, wo es hilft, die RNA-Polymerase vom DNA-Matrizenstrang zu verdrängen. Dies beendet die Transkription an einer zufälligen Stelle stromabwärts vom wahren Ende des Gens (untere Abbildung).

Die Transkriptionstermination ist für die drei verschiedenen eukaryontischen RNA-Polymerasen unterschiedlich.

Die von der RNA-Polymerase I transkribierten ribosomalen rRNA-Gene enthalten eine spezifische Sequenz von Basenpaaren (11 bp lang beim Menschen 18 bp bei der Maus), die von einem Terminationsprotein namens TTF-1 (Transcription Termination Factor for RNA Polymerase I) erkannt wird. Dieses Protein bindet die DNA an ihrer Erkennungssequenz und blockiert die weitere Transkription, wodurch sich die RNA-Polymerase I vom DNA-Matrizenstrang löst und ihre neu synthetisierte RNA freisetzt.

Den Protein-kodierenden, strukturellen RNA- und regulatorischen RNA-Genen, die von RNA-Polymerse II transkribiert werden, fehlen jegliche spezifischen Signale oder Sequenzen, die die RNA-Polymerase II anweisen, an bestimmten Stellen zu terminieren. RNA-Polymerase II kann RNA überall von einigen bp bis zu Tausenden von bp nach dem eigentlichen Ende des Gens weiter transkribieren. Das Transkript wird jedoch an einer internen Stelle gespalten, bevor die RNA-Polymerase II die Transkription beendet. Dadurch wird der stromaufwärts gelegene Teil des Transkripts freigesetzt, der vor der weiteren Verarbeitung als anfängliche RNA dient (die Prä-mRNA im Fall von proteinkodierenden Genen). Diese Schnittstelle wird als das “Ende” des Gens betrachtet. Der Rest des Transkripts wird von einer 5′-Exonuklease (beim Menschen Xrn2 genannt) verdaut, während es noch von der RNA-Polymerase II transkribiert wird. Wenn die 5′-Exonulease die RNA-Polymerase II “ einholt, indem sie die gesamte überhängende RNA verdaut, hilft sie dabei, die Polymerase von ihrem DNA-Matrizenstrang zu lösen und beendet schließlich diese Transkriptionsrunde.

Im Fall von Protein-kodierenden Genen liegt die Spaltstelle, die das “-Ende” der entstehenden prä-mRNA bestimmt, zwischen einer stromaufwärts gelegenen AAUAAA-Sequenz und einer stromabwärts gelegenen GU-reichen Sequenz, die durch etwa 40-60 Nukleotide in der entstehenden RNA getrennt sind . Sobald diese beiden Sequenzen transkribiert wurden, bindet ein Protein namens CPSF beim Menschen die AAUAAA-Sequenz und ein Protein namens CstF beim Menschen bindet die GU-reiche Sequenz. Diese beiden Proteine ​​bilden die Basis eines komplizierten Proteinkomplexes, der sich in dieser Region bildet, bevor CPSF die entstehende prä-mRNA an einer Stelle 10-30 Nukleotide stromabwärts von der AAUAAA-Stelle spaltet. Das Poly(A)-Polymerase-Enzym, das die Addition eines 3′ Poly-A-Schwanzes an die Prä-mRNA katalysiert, ist Teil des Komplexes, der sich mit CPSF und CstF bildet.

Die tRNA-, 5S-rRNA- und strukturellen RNAs-Gene, die von RNA-Polymerase III transkribiert werden, haben ein nicht vollständig verstandenes Terminationssignal. Die von RNA Polymerase III transkribierten RNAs haben an ihrem 3′ -Ende eine kurze Strecke von vier bis sieben U’s. Dies löst irgendwie die RNA-Polymerase III aus, um sowohl die entstehende RNA freizusetzen als auch sich vom DNA-Matrizenstrang zu lösen.


Eukaryotische RNA-Polymerasen und die Faktoren, die sie kontrollieren

In diesem Kapitel wird festgestellt, dass die DNA-abhängige RNA-Polymerase das Schlüsselenzym ist, das am ersten Schritt des genetischen Informationsflusses von DNA zu RNA beteiligt ist. Die interessanteste Eigenschaft dieses Enzyms ist seine Bindung an spezifische Stellen der DNA-Matrize, wodurch die richtige Initiation und Beendigung der RNA-Kette gewährleistet wird, die für eine aussagekräftige Botschaft unerlässlich ist. Über die Regulation von RNA-Polymerasen in Prokaryoten liegen umfangreiche Daten vor, bei Eukaryoten ist die Situation jedoch vergleichsweise wenig bekannt. Die RNA-Polymerase scheint mit dem Chromatin im Zellkern verbunden zu sein, und Chromatin kann viele regulatorische Funktionen für die Synthese von RNA haben. Das Kapitel beschreibt, dass die Situation bei Eukaryoten durch das Vorhandensein spezifischer Mitochondrien1 und chloroplastischer RNA-Polymerasen noch komplizierter wird. Beschränkt man die Beobachtungen auf die nuklearen RNA-Polymerasen, wurde gut festgestellt, dass diese Aktivitäten mit dem Chromatin verbunden sind. Somit könnte die RNA-Polymerase ein integraler Bestandteil des Chromatins sein und es könnte ein Gleichgewicht zwischen gebundenen und freien Formen des Enzyms bestehen. Schließlich kommt sie zu dem Schluss, dass es neben verschiedenen Formen von Polymerasen bestimmte Kontrollelemente gibt, die den Transkriptionsprozess in eukaryontischen Zellen modulieren können.

Derzeitige Adresse: Molecular Biology Laboratory, National Cancer Institute, National Institutes of Health, Bethesda, Maryland.


Abschnittszusammenfassung

Bakterien, Archaeen und Eukaryoten müssen alle Gene aus ihren Genomen transkribieren. Während die zelluläre Position unterschiedlich sein kann (Eukaryoten führen die Transkription in den Zellkernbakterien durch und Archaeen führen die Transkription im Zytoplasma durch), die Mechanismen, nach denen Organismen aus jeder dieser Gruppen diesen Prozess durchführen, sind

durch drei Stufen: Initiierung, Elongation und Beendigung.

Überblick über die Transkription

Erstellen einer RNA-Kopie eines DNA-Segments. Da dies ein Prozess, möchten wir die Rubrik Energy Story anwenden, um ein funktionales Verständnis der Transkription zu entwickeln. Wie sieht das Molekülsystem vor Beginn der Transkription aus? Wie sieht es am Ende aus? Welche Stoffumwandlungen und Energieübertragungen finden während der Transkription statt und was katalysiert den Prozess? Wir wollen auch über den Prozess von a . nachdenken

Standpunkt. Wenn die biologische Aufgabe darin besteht, eine Kopie der DNA in der chemischen Sprache der RNA zu erstellen, welche Herausforderungen können wir angesichts unseres Wissens über andere Nukleotidpolymerprozesse vernünftigerweise annehmen oder erwarten?

? Gibt es Beweise dafür, dass die Natur diese Probleme auf unterschiedliche Weise gelöst hat? Was scheinen die Kriterien für den Erfolg der Transkription zu sein? Du hast die Idee.

Auflistung einiger Grundvoraussetzungen für die Transkription

Betrachten wir zunächst die anstehenden Aufgaben, indem wir einige unserer Grundlagenkenntnisse nutzen und uns vorstellen, was während der Transkription passieren muss, wenn das Ziel darin besteht, eine RNA-Kopie eines Stücks eines Strangs eines doppelsträngigen DNA-Moleküls zu erstellen. Wir werden sehen, dass wir mit einer grundlegenden Logik viele der wichtigen Fragen und Dinge ableiten können, die wir wissen müssen

den Prozess richtig zu beschreiben.

Stellen wir uns vor, wir wollen a

/nanobot, der die Transkription durchführen würde. Wir können einige gebrauchen

Denken, um Probleme und Teilprobleme zu identifizieren, die

&bull Wo soll die Maschine starten? Entlang der Millionen bis Milliarden von Basenpaaren, wo sollte die Maschine?

?
&stier Wo soll die Maschine anhalten?
&bull Wenn wir Start- und Stopp-Sites haben, müssen wir diese Informationen codieren, damit unsere Maschine

s) kann diese Informationen lesen&mdashwie soll das sein

?
&bull Wie viele RNA-Kopien der DNA müssen wir machen?
&bull Wie schnell müssen die RNA-Kopien

?
&bull Wie genau müssen die Kopien sein

?
&bull Wie viel Energie wird der Prozess benötigen und woher soll die Energie kommen?

Dies sind nur einige Kernfragen. Wer möchte, kann tiefer graben. Diese sind jedoch bereits gut genug, um ein gutes Gefühl für diesen Prozess zu bekommen. Beachten Sie auch, dass viele dieser Fragen denjenigen bemerkenswert ähnlich sind, die wir vermuteten, um die DNA-Replikation zu verstehen.

Die Bausteine ​​der Transkription

Die Bausteine ​​der RNA

Erinnern Sie sich aus unserer Diskussion über die Struktur von Nukleotiden daran, dass die Bausteine ​​der RNA denen der DNA sehr ähnlich sind. In der RNA bestehen die Bausteine ​​aus Nukleotidtriphosphaten, die

eines Ribosezuckers, einer stickstoffhaltigen Base und drei Phosphatgruppen. Die Hauptunterschiede zwischen den Bausteinen der DNA und denen der RNA sind, dass

RNA-Moleküle sind zusammengesetzt

von Nukleotiden mit Ribose-Zuckern (im Gegensatz zu Desoxyribose-Zuckern) und verwenden Uridin, ein Uracil, das Nukleotide enthält (im Gegensatz zu Thymidin in der DNA). Beachten Sie unten, dass Uracil und Thymin strukturell sehr ähnlich sind und dem Uracil nur ein Methyl fehlt (CH3) funktionelle Gruppe im Vergleich zu Thymin.

Abbildung 1. Die grundlegenden chemischen Bestandteile von Nukleotiden.
Namensnennung:

Transkriptionsinitiation

Veranstalter

Proteine, die für die Erstellung einer RNA-Kopie eines bestimmten DNA-Stücks (Transkription) verantwortlich sind, müssen zunächst in der Lage sein, den Anfang des Elements zu erkennen, um

. EIN Promoter ist eine DNA-Sequenz, an die verschiedene Proteine, zusammenfassend als Transkriptionsmaschinerie bekannt, binden und die Transkription starten. In den meisten Fällen existieren Promotoren stromaufwärts (5' zur kodierenden Region) der Gene, die sie regulieren. Die spezifische Sequenz eines Promotors ist sehr wichtig, da sie bestimmt, ob die Zelle den entsprechenden kodierenden Teil des Gens ständig, manchmal oder selten transkribiert. Obwohl sich die Promotoren zwischen den Spezies unterscheiden, gibt es einige Elemente mit ähnlichen Sequenzen

Regionen stromaufwärts der Initiationsstelle gibt es zwei

Konsens Sequenzen oder Regionen, die über viele Promotoren und über verschiedene Arten hinweg ähnlich sind. Einige Promotoren haben eine Sequenz, die der Konsensussequenz sehr ähnlich ist (die Sequenz, die die häufigsten Sequenzelemente enthält), und andere sehen ganz anders aus. Diese Sequenzvariationen beeinflussen die Stärke, mit der die Transkriptionsmaschinerie an den Promotor binden kann, um die Transkription zu starten. Dies hilft, die Anzahl der Transkripte zu kontrollieren, die

und wie oft sie gemacht werden.

Figur 2. (a) Ein allgemeines Diagramm eines Gens. Das Gen umfasst die Promotorsequenz, eine untranslatierte Region (UTR) und die kodierende Sequenz. (

) Eine Liste von mehreren starken E. coli

Sequenzen. Die -35-Box und die -10-Box

Sequenzen in der Liste der starken Promotoren. Schwächere Promotoren weisen im Vergleich zu diesen Sequenzen mehr Basenpaarunterschiede auf.
Quelle:

Bakterielle vs. eukaryotische Promotoren

In Bakterienzellen ist die -10-Konsensussequenz, die als -10-Region bezeichnet wird, AT-reich, oft TATAAT. Die -35-Sequenz, TTGACA,

. Sobald diese Protein-DNA-Interaktion

binden die Untereinheiten der Core-RNA-Polymerase an die Stelle. Aufgrund der relativ geringeren Stabilität der AT-Assoziationen erleichtert die AT-reiche -10-Region das Abwickeln der DNA-Matrize, und

Eukaryotische Promotoren sind viel größer und komplexer als prokaryotische Promotoren, aber beide haben eine AT-reiche Region&mdashin Eukaryoten, it

eine TATA-Box. Zum Beispiel im Maus-Thymidinkinase-Gen,

. Für dieses Gen ist die genaue TATA-Box-Sequenz TATAAAA, wie sie in 5'-3'-Richtung auf dem . gelesen wird

Strand. Diese Sequenz ist nicht identisch mit der E coli -10-Region, aber beide teilen die Qualität von

Anstelle einer einzelnen bakteriellen Polymerase kodieren die Genome der meisten Eukaryoten drei verschiedene RNA-Polymerasen, die jeweils aus zehn Proteinuntereinheiten oder mehr bestehen. Jede eukaryontische Polymerase benötigt auch einen bestimmten Satz von Proteinen, die als bekannt sind Transkriptionsfaktoren um es zu einem Promoter zu rekrutieren. Darüber hinaus hilft eine Armee anderer Transkriptionsfaktoren, Proteine, die als Enhancer bekannt sind, und Silencer, die RNA-Synthese von jedem Promotor zu regulieren. Enhancer und Silencer beeinträchtigen die Effizienz der Transkription, sind aber

für die Einleitung der Transkription oder deren Prozession. Basale Transkriptionsfaktoren sind entscheidend für die Bildung von a Präinitiationskomplex auf der DNA-Matrize, die anschließend RNA-Polymerase für die Transkriptionsinitiation rekrutiert.

Die Initiation der Transkription beginnt mit der Bindung der RNA-Polymerase an die Promoter. Die Transkription erfordert die DNA-Doppelhelix

die Matrize für die RNA-Synthese. Die Region der Entspannung

ein Transkriptionsblase.

Figur 3. During elongation, RNA polymerase tracks along the DNA template, synthesizes

in the 5' to 3' direction, and unwinds then rewinds the DNA as it

Verlängerung

Transcription always proceeds from the template strand, one of the two strands of the double-stranded DNA. The RNA product is complementary to the template strand and is almost identical to the

strand, called the Kodierungsstrang, with the exception that RNA contains a uracil (U) in place of the thymine (T) found in DNA. During elongation, an enzyme called RNA-Polymerase proceeds along the DNA template, adding nucleotides by base pairing with the DNA template in a manner similar to DNA replication, with the difference being an RNA strand that

does not remain bound to the DNA template. As elongation proceeds, the DNA

ahead of the core enzyme and rewound behind it. Note that the direction of synthesis is identical to that of

Figur 4. During elongation, RNA polymerase tracks along the DNA template, synthesizing

in the 5' to 3' direction, unwinding and then rewinding the DNA as

Abbildung 5. The addition of nucleotides during the process of transcription is very similar to nucleotide addition

from 5' to 3', and with each addition of a nucleotide, a

by the enzyme, resulting in a longer polymer and the release of two inorganic phosphates.
Quelle:

Bacterial vs. eukaryotic elongation

In bacteria, elongation begins with the release of the

allows the core enzyme to proceed along the DNA template, synthesizing

in the 5' to 3' direction at a rate of approximately 40 nucleotides per second. As elongation proceeds, the DNA

ahead of the core enzyme and rewound behind it. The base pairing between DNA and RNA is not stable enough to maintain the stability of the

synthesis components. Instead, the RNA polymerase acts as a stable linker between the DNA template and the nascent RNA strands to ensure that elongation

In eukaryotes, following the formation of the preinitiation complex, the polymerase

from the other transcription factors, and

to proceed as it does in prokaryotes with the polymerase synthesizing

in the 5' to 3' direction. As discussed previously, RNA polymerase II transcribes the major share of eukaryotic genes, so this section will focus on how this polymerase accomplishes elongation and termination.

Möglicher NB-Diskussionspunkt

Compare and contrast the energy story for DNA replication initiation + elongation to the energy story for transcription initiation + elongation.

Beendigung

In bacteria

, the bacterial polymerase needs to dissociate from the DNA template and liberate the newly made

. Abhängig vom zu transkribierenden Gen gibt es zwei Arten von Terminationssignalen. Einer ist

protein-based, and the other is RNA-based. Rho-abhängige Kündigung

protein, which tracks along the polymerase on the growing

Kette. Gegen Ende des Gens trifft die Polymerase auf eine Reihe von G-Nukleotiden auf der DNA-Matrize und sie bleibt stehen. Infolgedessen ist die

protein collides with the polymerase. The interaction with rho releases the

from the transcription bubble.

Rho-independent termination

by specific sequences in the DNA template strand. As the polymerase nears the end of the gene being transcribed, it encounters a region rich in CG nucleotides. Die

folds back on itself, and the complementary CG nucleotides bind

. Das Ergebnis ist ein stabiler Haarnadel that causes the polymerase to stall as soon as it

a region rich in AT nucleotides. The complementary UA region of the

transcript forms only a weak interaction with the template DNA. This, coupled with the stalled polymerase, induces enough instability for the core enzyme to break away and liberate the new

In eukaryotes

Die Termination der Transkription ist für die verschiedenen Polymerasen unterschiedlich. Unlike in prokaryotes, elongation by RNA polymerase II in eukaryotes takes place

&ndash2,000 nucleotides beyond the end of the gene being transcribed. Diese Vor-

polymerases I and III require termination signals. Genes transcribed by RNA polymerase I contain a specific 18-nucleotide sequence that

by a termination protein. The process of termination in RNA polymerase III involves a

rho-independent termination of transcription in prokaryotes.

In archaea

Termination of transcription in the archaea is far less studied than in the other two domains of life and

is still not well understood

. While the functional details are likely to resemble mechanisms that have

in the other domains of life, the details are beyond

Cellular location

In bacteria and archaea

In bacteria and archaea, transcription occurs in the

. Because the location of the DNA, and thus the process of transcription,

are not physically segregated

from the rest of the cell, translation often starts before transcription has finished. Dies bedeutet, dass

as the template for a protein before it produces the entire

. The lack of spatial segregation also means that there is very little temporal segregation for these processes. Figure 6 shows the processes of transcription and translation occurring simultaneously.

Abbildung 6. The addition of nucleotides during the process of transcription is very similar to nucleotide addition

In eukaryotes.

In eukaryotes, the process of transcription

from the rest of the cell, sequestered inside of the nucleus. This results in two things:

before translation can start, and there is time to "adjust" or "edit" the

before translation starts. The physical separation of these processes gives eukaryotes a chance to alter the

in such a way as to extend the lifespan of the

or even alter the protein product that will

5' G-cap and 3' poly-A tail

, the cell processes the primary transcript in the nucleus in several ways. Eukaryotic cells

at the 3' end by the addition of a poly-A tail. This run of A residue

by an enzyme that does not use genomic DNA as a template. Die

have a chemical modification of the 5' end, called a 5'-cap. Data suggests that these modifications both help to increase the lifespan of the

(prevent its premature degradation in the cytoplasm) and to help the

Möglicher NB-Diskussionspunkt

Transcriptomics is a branch of &ldquo-omics&rdquo that involves studying an organism or population&rsquos transcriptome or, the complete set of all RNA molecules. What kind of information can you obtain from studying the transcriptome(s)? Can you think of any cool scientific questions that a transcriptomic analysis might help resolve? What are some constraints to transcriptomic approaches one might keep in mind when conducting analyses?

Alternatives Spleißen

Splicing occurs on most eukaryotic

zusammen. This can create a much shorter

than initially transcribed. Splicing allows cells to mix and match

Produkt. As shown in the figure below, this can lead to multiple proteins being coded for by a single gene.

Abbildung 8. The information stored in the DNA is finite.

, organisms can mix and match this information to create different end products. In eukaryotes, alternative splicing allows for the creation of different

in translation to create different protein sequences. This ultimately leads to the production of different protein shapes, and thus different protein functions.
Quelle:


Transcription Termination

Introduction and Background

RNA synthesis by DNA-dependent RNA polymerases (RNAPs) is processive, requiring a single enzyme molecule to transcribe the full length of a gene regardless of the length. The requirement for RNAP to remain resolutely associated with the DNA template through multiple kilobases necessitates an extremely stable transcription elongation complex that can transcribe through different sequences and protein-bound DNA templates. Despite this stability, cells must be able to halt RNA synthesis after transcription of a complete gene or operon, and stop any RNAP that has initiated transcription aberrantly. Failure to terminate transcription of an upstream gene could allow regulation-independent expression of downstream genes, and synthesis of untranslated or antisense transcripts with detrimental consequences aberrant transcription is particularly problematic for the gene-dense chromosomes common to Bacteria and Archaea. Two general mechanisms have evolved to efficiently disrupt transcription elongation complexes that release the RNA transcript and recycle RNAP for further rounds of transcription.

Multi-subunit RNAPs from each domain share a near identical core structure that envelopes an 8- or 9-bp RNA:DNA hybrid within a tight-fitting pocket ( Abbildung 1 ). High-resolution crystal structures and a wealth of biochemical data from many different RNAPs demonstrate that hydrogen bonding within the hybrid and contacts between the enclosed nucleic acids and RNAP provide stability to transcription elongation complexes. Despite similar transcription elongation complex architecture, RNAPs from different domains, and each of the eukaryotic RNAPs, respond to different termination signals and factors, suggesting that several mechanisms of transcription termination are possible, or that a diverse set of factors and sequences use a common mechanism to disrupt the complex. Conserved elongation factors (i.e., NusG and NusA) modify RNAP activities and add an additional level of regulation to the elongation–termination decision. The mechanistic details of transcript release are best understood in Bacteria, although some features are shared in each domain. This article focuses on transcription termination and its regulation in Bacteria, with relevant comments to bring attention to similarities and differences in Archaea and Eukarya.

Abbildung 1 . The bacterial transcription elongation complex. Upper panels (top view), with RNAP movement from left to right. Lower panels (front view), with RNAP movement right to left. RNAP (gray), RNA (yellow), template strand (cyan), nontemplate strand (orange). Panels (a)/(d) – surface representation of the bacterial transcription elongation complex. The encapsulated nucleic acids are fully enclosed within the complex. Panels (b)/(e) – as (a)/(d), respectively, with one RNAP subunit (b) removed to reveal the interior of the elongation complex and the path of the enveloped nucleic acids. Panels (c)/(f) – cartoon depiction of the bacterial transcription elongation complex. Sections of RNAP are shown partially transparent to show the hidden nucleic acids.


Transcription termination by RNA Polymerase II on a protein-encoding gene.

RNA Polymerase II has no specific signals that terminate its transcription. In the case of protein-encoding genes, a protein complex will bind to two locations on the growing pre-mRNA once the RNA Polymerase has transcribed past the end of the gene. CPSF in the complex will bind a AAUAAA sequence, and CstF in the complex will bind a GU-rich sequence (top figure). CPSF in the complex will cleave the pre-mRNA at a site between the two bound sequences, releasing the pre-mRNA (middle figure). Poly(A) Polymerase is a part of the same complex and will begin to add a poly-A tail to the pre-mRNA. At the same time, Xrn2 protein, which is an exonuclease, attacks the 5' end of the RNA strand still associated with the RNA Polymerase. Xrn2 will start digesting the non-released portion of the newly synthesized RNA until Xrn2 reaches the RNA Polymerase, where it aids in displacing the RNA Polymerase from the template DNA strand. This terminates transcription at some random location downstream from the true end of the gene (bottom figure).

The tRNA, 5S rRNA, and structural RNAs genes transcribed by RNA Polymerase III have a not-entirely-understood termination signal. The RNAs transcribed by RNA Polymerase III have a short stretch of four to seven U's at their 3' end. This somehow triggers RNA Polymerase III to both release the nascent RNA and disengage from the template DNA strand.


Schau das Video: Die Transkription - Proteinbiosynthese Teil 1 (Januar 2023).