Кіріспе
ДНК сегментін РНК-ға көшіру процесі – транскрипция. Транскрипция – ДНК сегментін РНК-ға көшіру процесі. РНК молекулаларына транскрипцияланған ДНК сегменттері ақуыздарды кодтайтын хабаршы РНК (мРНК) құрады. ДНК-ның басқа сегменттері кодтамайтын РНК (ncRNA) деп аталатын РНК молекулаларына транскрипцияланады. ДНК және РНК екеуі де нуклеин қышқылдары болып табылады және нуклеотидтердің негіз жұптарын толықтыратын тіл ретінде пайдаланады. Транскрипция кезінде ДНК тізбегі РНК полимеразамен оқылады, ол негізгі транскрипт деп аталатын қосымша, антипараллель РНК тізбегін жасайды. Вирусологияда транскрипция термині РНК молекуласынан мРНК синтезіне қатысты қолданылуы мүмкін (яғни РНК көбейтуге тең). Мысалы, теріс полюсті бір тізбекті РНК (ssRNA) вирусының геномы оң полюсті бір тізбекті РНК (ssRNA+) үшін матрица болып табылуы мүмкін. Өйткені оң полюсті тізбекте вирустың көбейтуі үшін қажетті вирустық ақуыздарды аударуға қажетті реттілік ақпараты бар. Бұл процесті вирустық РНК репликазасы катализдейді.
Transcription is the process of copying a segment of DNA into RNA. The segments of DNA transcribed into RNA molecules that can encode proteins produce messenger RNA (mRNA). Other segments of DNA are transcribed into RNA molecules called non coding RNAs (ncRNAs). Both DNA and RNA are nucleic acids, which use base pairs of nucleotides as a complementary language. During transcription, a DNA sequence is read by an RNA polymerase, which produces a complementary, antiparallel RNA strand called a primary transcript. In virology, the term transcription may also be used when referring to mRNA synthesis from an RNA molecule (i. e., equivalent to RNA replication). For instance, the genome of a negative sense single stranded RNA (ssRNA ) virus may be a template for a positive sense single stranded RNA (ssRNA +). This is because the positive sense strand contains the sequence information needed to translate the viral proteins needed for viral replication. This process is catalyzed by a viral RNA replicase.
Өмірбаян
Ақуызды кодтайтын ДНК транскрипциялық бірлікте ақуызға аударылатын кодтау тізбектері және осы ақуыздың синтезін бағыттап, реттейтін реттеуші тізбектер болуы мүмкін. Кодтау тізбесінен бұрын (жоғары жағынан) орналасқан реттеуші тізбек бес праймдік аударылмаған аймақ (5'UTR) деп аталады; ал кодтау тізбесінен кейін (төмен жағынан) орналасқан реттеуші тізбек үш праймдік аударылмаған аймақ (3'UTR) деп аталады. ДНК репликациясынан айырмасы, транскрипция нәтижесінде РНК толықтырмасы пайда болады, онда ДНК толықтырмасында тимин (Т) болатын барлық жағдайда нуклеотид урацил (U) кіреді. Транскрипция үшін ДНК-ның екі тізбегінің тек біреуі ғана матрица болып табылады. ДНК-ның антисенс тізбегі транскрипция кезінде РНК полимеразамен 3' ұшынан 5' ұшына қарай (3' → 5') оқылады. Толықтырылған РНК кері бағытта, яғни 5' → 3' бағытта жасалады, сезімді тізбектің реттілігімен сәйкес келеді, бірақ тимин орнына урацил қойылады. Бұл бағыттылық РНК полимеразаның тек өсіп келе жатқан мРНК тізбегінің 3' ұшына ғана нуклеотидтер қоса алатынымен байланысты. Тек 3' → 5' ДНК тізбегін пайдалану ДНК репликациясында кездесетін Оказаки фрагменттерінің қажеттілігін жояды. Транскрипцияда түзету механизмдері бар, бірақ олар ДНК көшіруіне арналған бақылауларға қарағанда аз және тиімділігі төмен. Осының салдарынан транскрипцияның көшіру дәлдігі ДНК репликациясынан төмен.
Негізгі қадамдар
Транскрипция басталу, промотордан шығу, созылу және аяқталу кезеңдеріне бөлінеді.
Сүтқоректілердің транскрипциясында күштілендіретін заттар, транскрипция факторлары, медиатор кешені және ДНК циклдері
Сүтқоректілерде транскрипцияға дайындалу көптеген цис-реттеуші элементтермен реттеледі, оның ішінде гендердің транскрипция басталу орындарының жанында орналасқан негізгі промотор және промоторға жақын элементтер. Негізгі промоторлар жалпы транскрипция факторларымен бірігіп, транскрипцияны бастауға жеткілікті, бірақ әдетте базалық белсенділігі төмен болады. Басқа маңызды цис-реттеуші модульдер транскрипция басталатын орындардан қашықта орналасқан ДНК аймақтарында табылады. Оларға күшейткіштер, басушылар, оқшаулағыштар және байланыстыру элементтері кіреді. Бұл элементтердің арасында күшейткіштер және олармен байланысты транскрипция факторлары ген транскрипциясын бастауда басты рөл атқарады. Геннің промоторынан қашықта орналасқан күшейткіш ген транскрипциясына өте күшті әсер ете алады, кейбір гендер белсенді күшейткіштің әсерінен транскрипциясы 100 есеге дейін артады. Күшейткіштер – геннің маңызды реттеуші элементтері болып табылатын геном аймақтары. Күшейткіштер жасуша типіне тән ген транскрипция бағдарламаларын бақылайды, көбінесе олардың мақсатты гендерінің промоторларымен физикалық жақындыққа жету үшін ұзақ қашықтықты «өтпелейді». ДНК-да жүздеген мың күшейткіш аймақтары бар, бірақ нақты тіндер үшін тек белгілі күшейткіштер ғана оларды реттейтін промоторлармен жақын орналасады. Ми қабығы нейрондарының зерттеуінде 24 937 цикл табылды, олар күшейткіштерді олардың мақсатты промоторларына жеткізеді. Бірнеше жасуша функциясына тән транскрипция факторлары (адам жасушасында шамамен 1600 транскрипция факторы бар) әдетте күшейткіштегі нақты мотивтерге байланысады және осы күшейткішке байланысқан транскрипция факторларының шағын комбинациясы, ДНК цикл арқылы промоторға жақындағанда, мақсатты геннің транскрипция деңгейін анықтайды. Медиатор (әдетте өзара әрекеттесетін құрылымдағы 26 белоктан тұратын кешен) ДНК-ға байланысқан транскрипция факторларының реттеу сигналдарын тікелей РНК-полимераза II (pol II) ферментіне, промоторға байланысқан күйінде жеткізеді. Күшейткіштер белсенді болғанда, әдетте, екі бағытта әрекет ететін РНК-полимеразалармен ДНК-ның екі тізбегінен транскрипцияланады, нәтижесінде суретте көрсетілгендей, екі күшейткіш РНК (eРНК) түзіледі. Белсенді емес күшейткіш белсенді емес транскрипция факторымен байланысуы мүмкін. Транскрипция факторының фосфорилирленуі оны белсендіре алады, ал белсендірілген транскрипция факторы оған байланысқан күшейткішті белсендіре алады (суретте күшейткішке байланысқан транскрипция факторының фосфорилирленуін көрсететін кішкентай қызыл жұлдызды қараңыз). Белсенділенген күшейткіш өзінің мақсатты генінен хабаршы РНК транскрипциясын белсендірмес бұрын өзінің РНК транскрипциясын бастайды.
CpG арал метилирлеу және деметилирлеу
Транскрипцияны реттеудің шамамен 60% CpG динуклеотидтеріндегі цитозиндердің метилирленуі арқылы бақыланады (мұнда 5’ цитозиннен кейін 3’ гуанин немесе CpG сайттары орналасқан). 5-метилцитозин (5 мС) – ДНК негізі цитозиннің метилденген түрі (суретті қараңыз). 5 мС – CpG сайттарында басым түрде кездесетін эпигенетикалық маркер. Адам геномында шамамен 28 миллион CpG динуклеотиді бар. Сүтқоректілердің көптеген тіндерінде, орташа есеп бойынша, 70-80% CpG цитозиндері метилденген (5-метилCpG немесе 5 mCpG құрайды). Дегенмен, 5’ цитозин-гуанин 3’ тізбектеріндегі метилденбеген цитозиндер белсенді промоторларда жиі топтасып, CpG аралдары деп аталады. Промотор тізбектерінің шамамен 60%-ында CpG аралы бар, ал күшейткіш тізбектерінің тек шамамен 6%-ында ғана CpG аралы кездеседі. CpG аралдары реттеуші тізбектерді құрайды, себебі геннің промоторындағы CpG аралдары метилденсе, геннің транскрипциясын төмендетуі немесе тоқтатуы мүмкін. ДНК метилирлеуі, метил байланыстыру домені (MBD) бар ақуыздармен, мысалы, MeCP2, MBD1 және MBD2, өзара әрекеттесу арқылы геннің транскрипциясын реттейді. Бұл MBD ақуыздары жоғары метилденген CpG аралдарына ең мықты байланысады. Бұл MBD ақуыздарында метил CpG байланыстыру домені де, транскрипцияны басу домені де бар. Сигналға жауап беретін гендермен байланысты транскрипция факторларын байланыстыру орындарының (TFBS) шамамен 94%-ы күшейткіштерде, ал осындай TFBS-тың 6%-ы ғана промоторларда кездеседі. Сүтқоректілер геномында EGR1 үшін шамамен 12 000 байланысу орны бар, ал EGR1 байланысу орындарының жартысы промоторларда, ал жартысы күшейткіштерде орналасқан. EGR1 транскрипция факторларының ақуыздарының өндірісі әртүрлі жасушаларда өсу факторлары, нейротрансмиттерлер, гормондар, стресс және жарақаттармен ынталандырылуы мүмкін. DNMT3A2 дәнекерлеу изоформасы классикалық дереу ерте геннің өнімі сияқты әрекет етеді және, мысалы, нейрондық белсендіруден кейін берік және уақытша өндіріледі. ДНК метилтрансферазасы DNMT3A2 изоформасының цитозиндерге метил топтарын қосуы гистонның посттрансляциялық модификацияларымен анықталады. Екінші жағынан, нейрондық белсендіру DNMT3A1-дің ыдырауына әкеледі, соның салдарынан кем дегенде бір бағаланған промотордың метилирленуі төмендейді.
Ұзындығы
ДНК-ның бір таспасы, шаблондық таспа (немесе кодталмаған таспа) РНК синтезі үшін шаблон ретінде қолданылады. Транскрипция жүргенде РНК полимеразасы шаблондық таспадан өтеді және РНК көшірмесін жасау үшін ДНК шаблонымен базалық жұптасудың толықтығын пайдаланады (ол өту барысында ұзарады). РНК полимеразасы 3' → 5' бағытында шаблондық таспадан өтетін болса да, кодтаушы (шаблондық емес) таспа мен жаңадан түзілген РНК-ны анықтамалық нүктелер ретінде пайдалануға болады, сондықтан транскрипция 5' → 3' бағытында жүзеқашалады деп сипаттауға болады. Бұл 5' → 3' бағытында РНК молекуласын құрайды, ол кодтаушы таспаның дәл көшірмесі болып табылады (тек тиминдер урацилдермен алмастырылады, ал нуклеотидтерде ДНК-дағы дезоксирибозадан (бір оттегі атомы кем) рибоза (5 көміртегі) қанды бар). Дегенмен, эукариоттарда нуклеосомалар транскрипция ұзарту кезінде транскрипциялық полимеразаларға негізгі кедергі келтіреді. Ұзарту кезінде дұрыс емес енгізілген базаларды алмастыратын түзету механизмі де жұмыс істейді. Эукариоттарда бұл транскрипция кезіндегі қысқа үзілістермен сәйкес келуі мүмкін, бұл тиісті РНК өңдеу факторларының байланысуына мүмкіндік береді. Бұл үзілістер РНК полимеразаға тән немесе хроматин құрылымына байланысты болуы мүмкін. ДНК-ның белсенді транскрипцияланатын аймақтарындағы екі таспалы үзілістер жасуша циклінің S және G2 фазаларында гомологиялық рекомбинация арқылы жөнделеді. Транскрипция рекомбиногендік зақымдарға әкелуі мүмкін экзогендік химиялық заттар мен ішкі метаболиттерге ДНК-ның қолжетімділігін арттыратындықтан, транскрипция белгілі бір ДНК тізбегінің гомологиялық рекомбинациясын күшейте алады.
Аяқтау
Бактериялар транскрипцияны тоқтату үшін екі түрлі стратегия қолданады: Rho тәуелсіз тоқтату және Rho тәуелді тоқтату. Rho тәуелсіз транскрипция тоқтау кезінде РНК транскрипциясы, жаңа синтезделген РНК молекуласы G-C бай шаштық тізбек құрап, одан кейін U тізбегі пайда болғанда тоқтатылады. Шаштық тізбек пайда болғанда, механикалық кернеу әлсіз rU-dA байланыстарын үзеді, бұл ДНК-РНК гибридін толықтырады. Бұл РНК полимеразаның белсенді орнынан поли-U транскриптісін шығарып, транскрипцияны тоқтатады. Rho тәуелді тоқтату кезінде Rho, протеин факторы, шаблон мен мРНК арасындағы өзара әрекеттестікті тұрақсыздандырып, жаңа синтезделген мРНК-ны ұзарту кешенінен босатады. Эукариоттарда транскрипция тоқтау бактериялардағыдан нашар түсініледі, бірақ жаңа транскрипттің бөлінуімен және одан кейін оның 3'-ұшына үлгіге тәуелсіз аденин қосылуымен, полиаденилизация процесімен байланысты. Терминатор тізбектерімен (геннің бір бөлігі) тоқтатудан басқа, транскрипция ДНК зақымдануы немесе белсенді репликациялық шанышқы сияқты жағдайларға тап болғанда да тоқтатылуы мүмкін. Бактерияларда Mfd АТФазасы зақымдалған РНК полимеразасын оның қысқышын ашып алып тастай алады. Сондай-ақ, ол зақымдануды қалпына келтіру үшін нуклеотидті кесуді қалпына келтіру механизмін жұмысқа тартады. Mfd ДНК репликациясы мен транскрипциясы арасындағы қақтығыстарды шешеді деп саналады. Эукариоттарда АТФ2 АТФазасы митоз кезінде РНКП I және II әсерін басуға көмектеседі, бұл хромосомалық бөлінудегі қателіктердің алдын алады. Археяларда Eta АТФазасы да осыған ұқсас рөл атқарады деп болжанады.
РНК-ның транскрипциядан кейінгі өзгерістеріндегі РНК полимеразаның рөлі
РНК полимераза РНК-ның транскрипциядан кейінгі өзгерістері қоса алғанда, барлық қадамдарда өте маңызды рөл атқарады. Оң жақтағы суретте көрсетілгендей, CTD (C Терминал Домен) – пішінін өзгертетін құйрық екені анық көрінеді; бұл құйрық, сол жақтағы суретте көрсетілгендей, сплайсинг, капинг және полиаденилирлеуді тасымалдау үшін пайдаланылады.
Ингибиторлар
Транскрипция ингибиторларын, мысалы, патогенді бактерияларға (антибактериялық) және саңырауқұлақтарға (антифунгальды) қарсы антибиотик ретінде қолдануға болады. Мұндай антибактериялық препараттың мысалы – рифампицин, ол ДНК-ға тәуелді РНК полимеразаның бета-суббөлімшесіне байланысу арқылы ДНК-ның бактериялық транскрипциясын мРНК-ға айналдыруды тежейді, ал 8-гидроксихинолин – антифунгальды транскрипция ингибиторы. Гистонның метилирленуі транскрипцияның әсерін тежеуге де мүмкіндік береді. Триптолид сияқты, жалпы транскрипция факторы TFIIH-тың XPB суббөлімшесін тежеу арқылы сүтқоректілерде транскрипцияны тежейтін, күшті және биоактивті табиғи заттар, жақында гипоксиялық қатерлі жасушаларды, жоғары глюкоза тасымалдаушы өндірісімен нысанаға алу үшін глюкоза конъюгаты ретінде хабарланды.
Эндогендік ингибиторлар
Омыртқалы жануарларда гендердің көпшілігінің промоторлары көптеген CpG сайттарын қамтитын CpG аралдарынан тұрады. Геннің көптеген промоторлық CpG сайттары метилирленген кезде ген тежеледі (белсенділігі жойылады). Ішек-толқын ісігі көбінесе 3-6 басқарушы мутация және 33-66 серік немесе жолаушы мутацияға ие болады. Дегенмен, транскрипцияның тежелуі (белсенділігінің жойылуы) қатерлі ісікке қарай дамуға мутациядан гөрі маңыздырақ болуы мүмкін. Мысалы, ішек-толқын ісігінде шамамен 600-800 ген CpG аралдарының метилирленуі арқылы транскрипциялық тұрғыдан тежеледі (қатерлі ісіктерде транскрипцияны реттеу туралы қараңыз). Қатерлі ісіктегі транскрипциялық репрессия басқа эпигенетикалық механизмдер арқылы да жүзеге асуы мүмкін, мысалы, микроРНА-ның өндірісінің өзгеруі арқылы. Сүт безі ісігінде BRCA1 генінің транскрипциялық репрессиясы BRCA1 промоторының гиперметилденуіне қарағанда, артық өндірілген 182 микроРНА арқылы жиірек кездеседі (сүт және жұмыртқа безі ісігінде BRCA1 экспрессиясының төмендеуі туралы қараңыз).
Транскрипция зауыттары
Транскрипциялық белсенді бірліктер ядрода транскрипция фабрикалары немесе эвхроматин деп аталатын дискретті аймақтарда шоғырланған. Мұндай аймақтарды белсенді полимеразалардың транскрипттерін таңбаланған прекурсорларда (Br UTP немесе Br U) ұзартуға және таңбаланған жаңа түзілген РНК-ны иммуномаркелеуге мүмкіндік беру арқылы көруге болады. Транскрипция фабрикаларын флуоресценттік in situ гибридтеу арқылы немесе полимеразаларға қарсы антиденелермен белгілеуге болады. HeLa жасушасының нуклеоплазмасында шамамен 10 000 фабрика бар, олардың ішінде шамамен 8 000 полимераза II фабрикасы және шамамен 2 000 полимераза III фабрикасы бар. Әрбір полимераза II фабрикасында шамамен 8 полимераза бар. Көптеген белсенді транскрипциялық бірліктер тек бір полимеразамен байланысты болғандықтан, әр фабрикада әдетте 8 түрлі транскрипциялық бірлік болады. Бұл бірліктер промоторлар және/немесе энхансерлер арқылы байланысып, фактордың айналасында "бұлт" құрайтын иілгілермен байланысты болуы мүмкін.
Тарих
Генетикалық материалды ақуыз ретінде іске асыруға мүмкіндік беретін молекула туралы алғашқы гипотезаны Франсуа Якоб пен Жак Монод жасаған. Северо Очоа 1959 жылы полинуклеотид фосфорилаза арқылы құрастырылған РНК-ны сынақ түтігінде синтездеу әдісін жасағаны үшін физиология және медицина саласындағы Нобель сыйлығына ие болды, бұл генетикалық кодты түсінуге көмектесті. РНК полимераза арқылы РНК синтезі 1965 жылға дейін бірнеше зертханаларда сынақ түтігінде жүзеге асырылды; алайда, осы ферменттер синтездеген РНК-ның қасиеттері транскрипцияны дұрыс аяқтау үшін қосымша фактор қажет екенін көрсетті. Роджер Д. Корнберг 2006 жылы "эукариоттардың транскрипциясының молекулалық негізін зерттегені үшін" химия саласындағы Нобель сыйлығын алды.
Кері транскрипция
Кейбір вирустар (мысалы, АИТВ, ЖҚТБ-ның себебі) РНК-ны ДНК-ға көшіру қабілетіне ие. АИТВ-де РНҚ геном бар, ол кері транскрипция арқылы ДНК-ға айналады. Соның нәтижесінде алынған ДНК-ны қабылдаушы жасушаның ДНК геномымен біріктіруге болады. РНК матрицасынан ДНК синтезіне жауапты негізгі фермент кері транскриптаза деп аталады. АИТВ жағдайында кері транскриптаза вирус РНҚ геномына толықтырғыш ДНК тізбегін (кДНК) синтездеуге жауапты. Содан кейін рибонуклеаза H ферменті РНК тізбегін ыдыратады, ал кері транскриптаза ДНК-ның толықтырғыш тізбегін синтездеп, қос спиральді ДНК құрылымын (кДНК) құрайды. кДНК интеграза ферменті арқылы қабылдаушы жасушаның геномына енгізіледі, бұл қабылдаушы жасушаны жаңа вирус бөлшектерін құрайтын вирус ақуыздарын өндіруге мәжбүр етеді. АИТВ-де одан кейін қабылдаушы жасуша Т-жасушаларының бағдарламаланған жасуша өліміне немесе апоптозға ұшырайды. Дегенмен, басқа ретровирустарда вирус жасушадан шыққанда қабылдаушы жасуша бұзылмайды. Кейбір эукариоттық жасушаларда теломераза деп аталатын кері транскрипция активтілігі бар фермент бар. Теломераза РНК матрицасын тасымалдайды, одан ол теломерді, ДНК-ның қайталанатын тізбегін, сызықтық хромосомалардың соңына синтездейді. Бұл маңызды, өйткені әр репликацияланған сайын сызықтық хромосома қысқарады. Хромосомалардың ұштарындағы теломерлер хромосома ұшынан алыс орналасқан белокты кодтаушы ДНК тізбектерін емес, маңызды емес, қайталанатын тізбектердің қысқаруын болдырмайды. Теломераза көбінесе қатерлі жасушаларда белсендіріледі, бұл қатерлі жасушаларға маңызды белокты кодтаушы ДНК тізбегін жоғалтпай, геномдарын шексіз репликациялауға мүмкіндік береді. Теломеразаның белсенділігі қатерлі жасушалардың өлмейтін болуына себеп болатын процестің бір бөлігі болуы мүмкін. Теломеразаның ұзарту әсерінен туындаған қатерлі жасушалардың өлмейтін факторы барлық канцерогенді ісіктердің 90% - ында in vivo кездеседі, ал қалған 10% - ында Теломерлердің баламалы ұзартылуы (ALT) деп аталатын теломерді сақтаудың баламалы жолы қолданылады.