Транскрипцията е прехвърлянето на информация за нуклеотидната последователност на ДНК на ниво РНК.
д. Регулиране на генната експресия на различни етапи от образуването на РНК и протеини
Про- и еукариотните клетки са способни на диференцирана регулация на генната експресия. Така при определени условия много гени изобщо не се експресират, докато степента на експресия на други се различава с няколко порядъка. Промяната в условията може да доведе до активиране на предишни "мълчаливи" гени и потискане на активно работещите. Тази способност позволява на клетките да адаптират своите фенотипове към голямо разнообразие от условия на околната среда и физиологични влияния. Диференцираната експресия на един геном в многоклетъчните организми води до развитието на огромно разнообразие от типове клетки със специфични функции от една или повече зародишни клетки.
Генната експресия обикновено се регулира на нивото на образуване на РНК. Обикновено регулираният етап е инициирането на транскрипцията, докато регулирането се извършва или с помощта на репресорни протеини, които предотвратяват транскрипцията, или с помощта на активаторни протеини, необходими за нейното начало. В първия случай транскрипцията започва едва след като репресорният протеин е инактивиран. Във втория генът се транскрибира само когато протеинът на активатора е в подходящо функционално състояние. Не само репресорните и активаторните протеини участват в регулирането на генната транскрипция. В някои случаи самите протеини, продуктите на генната експресия, се оказват транскрипционни регулатори на собствените си гени. Ефективността на транскрипцията също зависи от конформационното състояние на ДНК или РНК. В допълнение, регулирането на синтеза на РНК може да се извърши чрез контролиране на скоростта на нейното удължаване или чрез използване на "стоп сигнал" в транскрибираната последователност, който може да спре генната транскрипция. Модификация и/или обработка,които могат да предхождат образуването на зряла функционална РНК също се регулират.
Генната експресия може също да се регулира на ниво транслация на иРНК с образуването на протеини. И в този случай специфичното регулиране, като правило, се извършва в началния етап на декодирането. Въпреки това, контрол може да се упражнява и на различни етапи от сглобяването на полипептидната верига. Освен това, синтезът на тези протеини, които претърпяват посттранслационни модификации или се транспортират до местоназначението си в клетката, може да бъде регулиран на всеки от тези етапи.
По-късно, когато анализираме тези процеси по-подробно, ще видим, че механизмите на регулиране на генната експресия са много разнообразни, многобройни и много сложни. И въпреки че много от тях имат общи черти, фините механизми на регулация винаги са уникални за даден ген, определено физиологично състояние на организма и условията на околната среда. Анализът на регулаторните механизми на бактериалните системи разкрива широк спектър от методи за регулиране и координиране на генната експресия. Изследването на механизма за контрол на генната експресия в еукариотните клетки обаче едва започва и процесите, отговорни за диференциацията на многоклетъчните организми, остават неясни.
2. Транскрипция: трансфер на информация за нуклеотидната последователност на ДНК до нивото на РНК
В този и следващите раздели ще разгледаме някои аспекти на трансфера на информация за нуклеотидната последователност на ДНК на ниво РНК, процесът, отговорен за синтеза на всички видове клетъчна РНК както в про-, така и в еукариотите. По-голямата част от пионерските разработки, в които е изследвана транскрипцията, са природата на съответните реакции и техните субстрати, ензимният апарат, сигналните нуклеотидни последователности, които определят кои региониДНК трябва да се транскрибира, някои от методите за обработка, които превръщат първичните транскрипти в зрели РНК молекули, са извършени върху прокариотни системи. Паралелните генетични и биохимични експерименти позволиха да се изследват ензимите, участващи в транскрипцията, и самият механизъм на този процес. В същото време усилията за изследване на транскрипционните и регулаторните апарати при еукариотите бяха силно затруднени и много по-малко успешни, главно поради факта, че компонентите на техния транскрипционен апарат - ДНК под формата на хроматин и РНК полимераза - бяха слабо характеризирани. В допълнение, природата на транскрипционните единици беше неизвестна и използването на генетични подходи за определянето им беше невъзможно.
Ситуацията се промени драматично с появата на техниките за молекулярно клониране. Много от гените, които изграждат различни видове транскрипционни единици, вече са изолирани, секвенирани и дори подходящо модифицирани, за да се изследват техните функции. Освен това използването на някои съвременни подходи направи възможно да се хвърли нов поглед върху транскрипционните машини на различни организми, от дрожди до хора. Това се отнася до методите за въвеждане на ДНК в култури от клетки на бозайници и дори в клетки на целия животински организъм, които се използват заедно с традиционните методи за изследване на пречистени транскрипционни системи in vitro. В същото време беше постигнат напредък в установяването на структурата на хроматина и свойствата на еукариотните РНК полимерази. Подробни данни за структурата на гените, механизма на транскрипция и пряко свързани посттранскрипционни събития, които се случват по време на синтеза на РНК в еукариоти.
А. Синтез на РНК върху ДНК матрица
Двуверижната ДНК молекула е физиологичният шаблон за синтеза на всички клетъчниРНК. Дори ако геномът, както при някои вируси, е представен от едноверижна ДНК, последната задължително преминава в двуверижна репликативна форма преди транскрипция. Всяка от двете вериги на геномна ДНК може да бъде транскрибирана, но само една от тях обикновено служи като шаблон за транскрипция на един ген. В някои случаи обаче всички иРНК се транскрибират от една и съща верига. Много рядко се случва транскрипция на двете вериги на едно и също място, така че получените РНК вериги са комплементарни една на друга; възможно е този начин на транскрипция да има специално регулаторно значение.
Нуклеотидни прекурсори за синтеза на РНК са четири рибонуклеозид-5'-трифосфата: ATP, GTP, UTP и CTP. Много РНК съдържат модифицирани нуклеотиди, но промените в базите и рибозните остатъци настъпват след полимеризация, т.е. посттранскрипционно. Въпреки това РНК полимеразите могат да използват рибонуклеозид 5'-трифосфати, различни от тези четири, при условие че модифицираните бази имат капацитет на сдвояване, сравним с този на аденин, гуанин, цитозин и урацил.
РНК полимеразите катализират реакцията на присъединяване на 3'-ОН групата на нуклеотида, разположен в нарастващия край на веригата, към а-фосфата на следващия рибонуклеозид-5'-трифосфат. Многократното повтаряне на тази реакция води до постепенно удължаване на РНК веригата. Образуването на всяка нова фосфодиестерна връзка е придружено от освобождаване на неорганичен пирофосфат; бързата хидролиза на пирофосфат до неорганичен фосфат in vivo прави реакцията на образуване на фосфодиестерна връзка енергийно благоприятна.
Транскрипцията е подобна на репликацията по това, че също изисква ДНК шаблон. Определя се редът на прикрепване на нуклеотидитекомплементарно базово сдвояване. За да се осъществи комплементарното сдвояване на всеки следващ нуклеозид трифосфат към шаблонната транскрибирана база, спиралата на ДНК трябва да се развие по време на транскрипция от ДНК полимераза. Нарастващата РНК верига остава свързана с ензима и е свързана от нейния растящ край с дълъг 20-30 нуклеотид регион на шаблонната верига; останалата част от получената верига не е свързана нито с ензима, нито с ДНК. Докато транскрипцията продължава, временно разделените ДНК вериги се обединяват отново и оригиналната дуплексна структура се възстановява. По този начин транскрипцията е консервативен процес, при който двойната спирала на ДНК се запазва и синтезираната РНК верига се отделя. Обратно, репликацията на ДНК е полуконсервативна, тъй като и двете вериги на оригиналния дуплекс са разпределени в две дъщерни спирали. Друга съществена разлика между репликацията на ДНК и транскрипцията е, че репликацията не може да започне без праймер и синтезата на РНК се инициира de novo от РНК полимераза, започвайки от рибонуклеозид трифосфат, съответстващ на първия нуклеотид във веригата на РНК.