Bakterijska transkripcija
Dio članaka o |
Genetici |
---|
![]() |
Ključne komponente |
|
Historija i teme |
|
Istraživanje |
Personalizovana medicina |
Personalizovana medicina |
|
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5c/Process_of_transcription_%2813080846733%29.jpg/440px-Process_of_transcription_%2813080846733%29.jpg)
Bakterijska transkripcija je proces u kojem se segment bakterijske DNK kopira u novosintetizirani lanac informacijske RNK (iRNK) uz korištenje enzima RNK-polimeraza.
Proces se odvija u tri glavna koraka: inicijacija, elongacija i terminacija; a krajnji rezultat je lanac iRNK koji je komplementaran jednom lancu DNK. Općenito, transkribirani region obuhvata više od jednog gena.[1] U stvari, mnogi prokariotski geni se javljaju u operonima, koji su niz gena koji rade zajedno da kodiraju isti protein ili genski proizvod i kontrolira ih jedan promotor.[2] Bakterijska RNK-polimeraza sastoji se od četiri podjedinice i kada se spoji peta podjedinica, nazvana σ-faktor, polimeraza može prepoznati specifične vezujuće sekvence u DNK, zvane promotori.[3] Vezivanje σ-faktora za promotor je prvi korak u inicijaciji. Jednom kada se σ-faktor oslobodi iz polimeraze, nastavlja se elongacija.[4] Polimeraza nastavlja niz dvolančanu DNK, odmotavajući je i sintetizirajući novi lanac iRNK, sve dok ne dođe do mjesta završetka. Postoje dva mehanizma raskida koja su detaljnije razmotrena u nastavku. Završetak je potreban na određenim mjestima da bi se pojavila odgovarajuća ekspresija gena.[5] Ekspresija gena određuje koliko genskog proizvoda, kao što je protein, proizvodi gen.[2] Transkripciju vrši RNK-polimeraza, ali je njena specifičnost kontrolirana specifičnom sekvencom DNK-vezujućim proteinima koji se nazivaju transkripcijski faktori. Transkripcijski faktori rade na prepoznavanju specifičnih sekvenci DNK i na osnovu potreba ćelija, promovišu ili inhibiraju dodatnu transkripciju.[6] Slično ostalim taksonima, bakterije doživljavaju nalete transkripcije.[7]:125[8][9][10][11][12][13] Rad Jonesovog tima u Jones et al 2014 objašnjava neke od osnovnih uzroka pucanja i druge varijabilnosti, uključujući stabilnost rezultirajuće iRNK,[7] jačinu promocije kodirane u relevantnom promotoru[9] i trajanje transkripcije zbog jačine TF-vezujućeg mjesta.[9][10][11][12][13] Također su otkrili da se bakterijski TF-ovi zadržavaju prekratko za TF-ske ' karakteristike vezivanja kako bi se objasnila kontinuirana transkripcija rafala.[8]
Bakterijska transkripcija se razlikuje od eukariotske transkripcije na nekoliko načina. Kod bakterija, transkripcija i translacija se mogu odvijati istovremeno u ćelijskoj citoplazmi, dok se kod eukariota transkripcija dešava u jedru, a translacija se dešava u citoplazmi.[14] Postoji samo jedan tip bakterijske RNK-polimeraze dok eukarioti imaju tri tipa.[2] Bakterije imaju σ-faktor koji detektuje i vezuje se za promotorska mjesta, ali eukariotima nije potreban σ-faktor. Umjesto toga, imaju transkripcijske faktore koji omogućavaju prepoznavanje i vezivanje promotorskih mjesta.[2]
Sve u svemu, transkripcija unutar bakterija je visoko reguliran proces koji je kontroliran integracijom mnogih signala u datom trenutku. Bakterije se u velikoj mjeri oslanjaju na transkripciju i translaciju kako bi generirali proteine koji im pomažu da specifično reagiraju na okolinu.[4]
RNK polimeraza sastoji se od jezgre i holoenzimske strukture. Srž enzima sadrži katalitska svojstva RNK-polimeraze i sastoji se od podjedinica ββ′α2ω. Ova konzervirana kod svih vrsta bakterija. Holoenzim se sastoji od specifične komponente poznate kao sigma faktor. Sigma faktor pomaže u prepoznavanju promotora, pravilnom postavljanju RNK-polimeraze i početku odmotavanja na početnom mjestu. Nakon što sigma faktor izvrši svoju potrebnu funkciju, on se disocira, dok katalitički dio ostaje na DNK i nastavlja transkripciju.[4] Dodatno, RNK-polimeraza sadrži jezgro iona Mg+ koji pomaže enzimu sa svojim katalitskim svojstvima . RNK-polimeraza djeluje tako što katalizira nukleofilni napad 3’ OH RNK na alfa fosfat komplementarne molekule NTP, kako bi se stvorio rastući lanac RNK iz šablonskog lanca DNK. Nadalje, RNK-polimeraza također pokazuje aktivnosti egzonukleaze, što znači da ako se otkrije nepravilno uparivanje baza, može izrezati pogrešne baze i zamijeniti ih odgovarajućom, ispravnom.[15]
Inicijacija
[uredi | uredi izvor]Za pokretanje transkripcije potrebni su promotorski regioni, specifični nukleotidi konsenzusne sekvence koji određuju σ-faktoru na RNK-polimerazi, gdje da se veže za DNK.[1] Promotori se obično nalaze 15 do 19 baza međusobno udaljene i najčešće se nalaze uzvodno od gena koje kontroliraju.[1][2] RNK-polimeraza se sastoji od četiri podjedinice, koje uključuju dvije alfe, a beta i beta prost (α, α, β i β'). Peta podjedinica, sigma (nazvana σ-faktor), prisutna je samo tokom inicijacije i odvaja se prije elongacije. Svaka podjedinica ima ulogu u inicijaciji transkripcije, a σ-faktor mora biti prisutan da bi se inicijacija dogodila. Kada je prisutan sav σ-faktor, RNK-polimeraza je u svom aktivnom obliku i naziva se holoenzim. Kada se σ-faktor odvoji, on je u obliku jezgarne polimeraze.[1][4] σ-faktor prepoznaje promotorske sekvence na –35 i –10 regijama i transkripcija počinje na početnom mjestu (+1). Sekvenca regije –10 je TATAAT, a regije –35 je TTGACA.[1]
- σ-faktor se vezuje za –35 promotorsku regiju. U ovom trenutku, holoenzim se naziva zatvoreni kompleks jer je DNK još uvijek dvolančana (povezana vodikovim vezama).[4]
- Kada se σ-faktor veže, preostale podjedinice polimeraze se vežu za to mjesto. Visoka koncentracija veza adenin-timin u regiji –10 olakšava odmotavanje DNK. U ovom trenutku holoenzim se naziva "otvoreni kompleks".[16] Ovaj otvoreni kompleks se također naziva transkripcijski balon.[14] Samo jedan lanac DNK, nazvan šablonski lanac (koji se također naziva i nekodirajući lanac ili besmislen/antismislen lanac), se transkribuje .[2]
- Transkripcija počinje i proizvode se kratke "abortivne" nukleotidne sekvence duge približno 10 parova baza. Ove kratke sekvence su nefunkcionalni dijelovi RNK koji se proizvode i zatim oslobađaju.[1] Općenito, ova nukleotidna sekvenca se sastoji od oko dvanaest baznih parova i pomaže u doprinosu stabilnosti RNK-polimeraza, tako da je u stanju nastaviti duž lanca DNK.[15]
- σ-faktor je potreban za pokretanje transkripcije, ali nije potreban za nastavak transkripcije DNK. σ-faktor se odvaja od jezgrenog enzima i elongacija se nastavlja. Ovo signalizira kraj faze inicijacije i holoenzim je sada u obliku jezgrene polimeraze.[4]
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e4/Abortive_cycling.png/220px-Abortive_cycling.png)
Regija promotora je glavni regulator transkripcije. Promotorske regije regulišu transkripciju svih gena unutar bakterija. Kao rezultat njihovog uključivanja, sekvenca baznih parova unutar regije promotora je značajna; što je promotorska regija sličnija konsenzusnoj sekvenci, to će se čvršće RNK-polimeraza moći vezati. Ovo vezivanje doprinosi stabilnosti faze transkripcijske elongacije i sveukupno rezultira efikasnijim funkcionisanjem. Osim toga, RNK-polimeraza i σ-faktori su u ograničenoj opskrbi unutar bilo koje bakterijske ćelije. Shodno tome, ova ograničenja utiču na vezivanje σ-faktora za promotor. Sve promotorske regije sadrže sekvence koje se smatraju nekonsenzusnim i to pomaže u distribuciji σ-faktora u cijelom genomu.[17]
Elongacija
[uredi | uredi izvor]Tokom elongacije, RNK-polimeraza klizi niz dvolančanu DNK, odmotavajući je i transkribirajući (kopirajući) njenu nukleotidnu sekvencu u novosintetiziranu RNK. Kretanje RNK-DNK kompleksa je bitno za katalitski mehanizam RNK-polimeraze. Uz to, RNK-polimeraza povećava ukupnu stabilnost ovog procesa, djelujući kao veza između lanaca RNK i DNK.[18] Novi nukleotidi koji su komplementarni lancu šablona DNK dodaju se na 3' kraj lanca RNK.[4] Novoformirani lanac RNK je praktički identičan lancu koji kodira DNK (smisleni lanac ili lanac bez šablona), osim što ima timin koji zamjenjuje uracil u okosnici šećera riboze, umjesto kičme šećera deoksiriboze. Pošto nukleozid-trifosfat (NTP) treba da se vežu za OH- molekulu na 3' kraju RNK, transkripcija se uvijek dešava u smjeru 5' do 3'. Četiri NTP-a su adenozin-5'-trifosfat (ATP), gvanozid-5'-trifosfat (GTP), uridin-5'-trifosfat (UTP), i citidin-5'-trifosfat (CTP).[16] Vezivanje NTP-ova na 3' kraj transkripta RNK obezbjeđuje energiju potrebnu za ovu sintezu.[2] NTP-ovi su također molekule za proizvodnju energije koji obezbjeđuju gorivo koje pokreće hemijske reakcije u ćeliji.[4]
Više RNK-polimeraza može biti aktivno odjednom, što znači da se mnogo lanaca iRNK može proizvesti vrlo brzo.[2] RNK-polimeraza se kreće niz DNK brzo pri približno 40 baza u sekundi. Zbog brze prirode ovog procesa, DNK se neprestano odmotava ispred RNK-polimeraze, a zatim se premotava kada se RNK-polimeraza dalje kreće.[1][18] Polimeraza ima mehanizam korekture koji ograničava greške na oko 1/10.000 transkribovanih nukleotida.[19] RNK-polimeraza ima nižu vjernost (tačnost) i brzinu od DNK-polimeraze.[2] DNK-polimeraza ima veoma različit mehanizam korekture koji uključuje eksonukleaznu aktivnost, što doprinosi većoj vjernosti. Posljedica greške tokom sinteze RNK je obično bezopasna, pri čemu bi greška u sintezi DNK mogla biti štetna.[2]
Promotorska sekvenca određuje učestalost transkripcije svog odgovarajućeg gena.[1]
Terminacija
[uredi | uredi izvor]Da bi došlo do odgovarajuće ekspresije gena, transkripcija se mora zaustaviti na određenim mjestima. Dva mehanizma prekida su dobro poznata:
- Intrinzična (unutrašnja) terminacija (takođe nazvana Rho-nezavisna terminacija): Specifične nukleotidne sekvence DNK signaliziraju RNK-polimerazi da prestane. Slijed je obično palindromska sekvenca koja uzrokuje petlju lanca što zaustavlja RNK-polimerazu.[16] Općenito, ovaj tip terminacije slijedi istu standardnu proceduru. Doći će pauza zbog poliuridinske sekvence koja omogućava formiranje ukosnica. Ova ukosnica će pomoći u formiranju zarobljenog kompleksa, koji će na kraju uzrokovati disocijaciju RNK-polimeraze od lanca šablona DNK i zaustaviti transkripciju.[15]
- Rho-ovisni termini: ρ faktor (rho faktor) je protein terminatora koji se veže za lanac RNK i prati iza polimeraze tokom elongacije.[5] Jednom kada se polimeraza približi kraj gena koji transkribuje, nailazi na seriju G nukleotida što uzrokuje zastoj,[1] koji omogućava rho faktoru da sustigne RNK-polimerazu. Rho protein zatim povlači RNK-transkript iz šablona DNK i novosintetizirana iRNK se oslobađa, završavajući transkripciju.[1][5] Rho faktor je proteinski kompleks koji također prikazuje helikaznu aktivnosti (sposobna je da odmota niti nukleinske kiseline). On će se vezati za DNK u regijama bogatim citozinom i kada RNK-polimeraza naiđe na nju, formiraće se zarobljeni kompleks koji će uzrokovati disocijaciju svih uključenih molekula i završiti transkripciju, tj terminaciju.[15]
Završetak transkripcije DNK u bakterijama može biti zaustavljen određenim mehanizmima u kojima će RNKpolimeraza ignorirati terminacijsku sekvencu dok se ne postigne sljedeći. Ovaj fenomen je poznat kao antiterminacija i koriste ga određeni bakteriofagi.[20]
Reference
[uredi | uredi izvor]- ^ a b c d e f g h i j "Prokaryotic Transcription and Translation | Biology for Majors I". courses.lumenlearning.com. Pristupljeno 6. 10. 2019.
- ^ a b c d e f g h i j Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2008). Molecular Biology of the Cell (Sixth izd.). New York: Garland Science. ISBN 978-0-8153-4524-4.
- ^ Bartee L (2017). Prokaryotic Transcription. Principles of Biology: Biology 211, 212, and 213. Open Oregon Educational Resources. Pristupljeno 8. 10. 2019.
- ^ a b c d e f g h Lodish H, Berk A, Zipursky SL, Matsudaira P, Baltimore D, Darnel l J (2000). "Bacterial Transcription Initiation". Molecular Cell Biology (4th izd.).
- ^ a b c "Stages of transcription". Khan Academy (jezik: engleski). Pristupljeno 7. 10. 2019.
- ^ Browning DF, Butala M, Busby SJ (septembar 2019). "Bacterial Transcription Factors: Regulation by Pick "N" Mix". Journal of Molecular Biology. 431 (20): 4067–4077. doi:10.1016/j.jmb.2019.04.011. PMID 30998934.
- ^ a b El-Mansi, E. M. T.; Nielsen, Jens; Mousdale, David; Allman, Tony; Carlson, Ross (2019). El-Mansi, Mansi; Nielsen, Jens; Mousdale, David M.; Allman, Tony; Carlson, Ross (ured.). Fermentation Microbiology and Biotechnology (4 izd.). Boca Raton: CRC Press. str. xix+419. doi:10.1201/9780429506987. ISBN 978-1-138-58102-9. OCLC 1080190329. S2CID 220766937. ISBN 978-0-429-50698-7.
- ^ a b Symmons, Orsolya; Raj, Arjun (2016). "What's Luck Got to Do with It: Single Cells, Multiple Fates, and Biological Nondeterminism". Molecular Cell. Cell Press. 62 (5): 788–802. doi:10.1016/j.molcel.2016.05.023. ISSN 1097-2765. PMC 4900469. PMID 27259209.
- ^ a b c Payne, Joshua L.; Wagner, Andreas (1. 11. 2018). "The causes of evolvability and their evolution" (PDF). Nature Reviews Genetics. Nature Portfolio. 20 (1): 24–38. doi:10.1038/s41576-018-0069-z. ISSN 1471-0056. PMID 30385867. S2CID 53204518.
- ^ a b Typas, Athanasios; Sourjik, Victor (10. 8. 2015). "Bacterial protein networks: properties and functions". Nature Reviews Microbiology. Nature Portfolio. 13 (9): 559–572. doi:10.1038/nrmicro3508. ISSN 1740-1526. PMID 26256789. S2CID 12498094.
- ^ a b Bashor, Caleb J.; Collins, James J. (20. 5. 2018). "Understanding Biological Regulation Through Synthetic Biology". Annual Review of Biophysics. Annual Reviews. 47 (1): 399–423. doi:10.1146/annurev-biophys-070816-033903. hdl:1721.1/119222. ISSN 1936-122X. PMID 29547341.
- ^ a b Xu, Heng; Skinner, Samuel O.; Sokac, Anna Marie; Golding, Ido (13. 9. 2016). "Stochastic Kinetics of Nascent RNA". Physical Review Letters. American Physical Society. 117 (12): 128101. Bibcode:2016PhRvL.117l8101X. doi:10.1103/physrevlett.117.128101. ISSN 0031-9007. PMC 5033037. PMID 27667861. NIH Manuscript Submission 816487.
- ^ a b Eling, Nils; Morgan, Michael D.; Marioni, John C. (21. 5. 2019). "Challenges in measuring and understanding biological noise". Nature Reviews Genetics. Nature Portfolio. 20 (9): 536–548. doi:10.1038/s41576-019-0130-6. ISSN 1471-0056. PMC 7611518. PMID 31114032. EMSID: 85286
- ^ a b "15.2: Prokaryotic Transcription". General Biology (OpenStax). LibreTexts. 2. 11. 2015. Pristupljeno 8. 10. 2019.
- ^ a b c d Bębenek A, Ziuzia-Graczyk I (oktobar 2018). "Fidelity of DNA replication-a matter of proofreading". Current Genetics. 64 (5): 985–996. doi:10.1007/s00294-018-0820-1. PMC 6153641. PMID 29500597.
- ^ a b c "7.6C: Prokaryotic Transcription and Translation Are Coupled". General Biology (OpenStax). LibreTexts. 17. 5. 2017. Pristupljeno 7. 10. 2019.
- ^ Browning DF, Busby SJ (januar 2004). "The regulation of bacterial transcription initiation". Nature Reviews. Microbiology. 2 (1): 57–65. doi:10.1038/nrmicro787. PMID 15035009. S2CID 680370.
- ^ a b Clark, Mary Ann (5. 3. 2018). "Prokaryotic Transcription". Biology 2e. BC Open Textbooks. Arhivirano s originala, 14. 11. 2019. Pristupljeno 29. 11. 2019.
- ^ Milo R, Phillips R. "What is the error rate in transcription and translation?". Cell Biology by the Numbers. Pristupljeno 15. 11. 2019.
- ^ Lewin B, Krebs JE, Goldstein ES, Kilpatrick ST (2011). Lewin's genes X (10th izd.). Sudbury, Massachusetts: Jones and Bartlett. ISBN 978-0-7637-6632-0. OCLC 456641931.
Vanjski linkovi
[uredi | uredi izvor]Uvod u genetiku | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Transkripcija |
| ||||||
Translacija |
| ||||||
Regulacija | |||||||
Uticajni ljudi |
Transkripcijska regulacija |
| ||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Promocija |
| ||||||||||||
Inicijacija |
| ||||||||||||
Elongacija |
| ||||||||||||
Terminacija (Bakterijska, Eeukariotska) |
|
Uvod u genetiku | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Transkripcija |
| ||||||
Translacija |
| ||||||
Regulacija | |||||||
Uticajni ljudi |
Text is available under the CC BY-SA 4.0 license; additional terms may apply.
Images, videos and audio are available under their respective licenses.