Folge 040 – Ablauf der Transkription | Genetik Teil 12

Inhalt der Folge:

• In dieser Podcastfolge geht es um den Ablauf der Transkription.
• Am Ende des Podcasts bzw. des Blogartikels findet Ihr dann nochmal alles in Kurzform zusammengefasst, falls Ihr den Ablauf der einzelnen Schritte der Transkription schon kennt!

Ablauf der Transkription

Definition: Transkription

• Transkription ist die Umschreibung der Nukleotidsequenzen der DNA von Genen in RNA (RNA [engl.] = Ribonukleinsäure).
• Die dabei entstehenden RNA’s lassen sich in drei große Gruppen einteilen:
  1. 1. mRNA (messenger RNA) – Enthält die Syntheseanweisung für die Aminosäuresequenz eines zu bildenden Proteins.
     2. tRNA (transfer RNA) – Vermittelt bei der Translation die richtige Aminosäure zum entsprechenden Codon der mRNA.
     3. rRNA (ribosomale RNA) – Ist die RNA, aus der die Ribosomen unter anderem bestehen.
• Die Umschreibung der Nukleotidsequenzen der DNA in RNA basiert auf dem Prinzip der komplementären Basenpaarung (A&T / C&G).
• Allerdings wird bei der RNA anstelle der Nukleinbase Thymin (T) immer die Nukleinbase Uracil (U) eingebaut!
• Ein weiterer Unterschied zwischen DNA und RNA ist das Zuckermolekül der jeweiligen Nukleotide.
  • • Bei den Nukleotiden der DNA handelt es sich um den Zucker: Desoxyribose.
    • Und bei den Nukleotiden der RNA handelt es sich um den Zucker: Ribose.

Unterschiede bei Pro- und Eukaryoten

• Die Transkription läuft bei allen Organismen grundsätzlich gleich ab!
• Zwischen Pro- und Eukaryoten gibt es selbstverständlich trotzdem noch Unterschiede, die wir in Folge 039 bereits angesprochen haben.
• Der größte Unterschied beim Ablauf der Transkription ist, dass die mRNA bei Eukaryoten noch umfangreicher prozessiert werden muss, bevor sie den Zellkern verlässt (siehe Prozessierung der prä-mRNA).

Ablauf der Transkription

Übersicht / Gliederung

1. Initiation
2. Elongation
3. Termination
4. Prozessierung der prä-mRNA
5. Alternatives Spleißen

Initiation

• Am Anfang der Initiation wird ein sogenannter Präinitiationskomplex (PIK) gebildet, der für den Start der Transkription notwendig ist!
• Der Präinitiationskomplex ist ein Proteinkomplex mit folgenden Bestandteilen:

  1. 1. Promotor

        • Promotor sind die Abschnitte der DNA, die direkt vor dem Transkriptionsstart liegen.
        • Sie enthalten Informationen darüber, wann und in welchem Zelltyp das jeweilige Gen exprimiert werden soll.

     2. Transkriptionsfaktoren

        • Transkriptionsfaktoren (TFIID, TFIIA, TFIIB, TFIIF, TFIIE, TFIIH) sind Proteine mit verschiedenen Funktionen, die für den Ablauf der Transkription notwendig sind.
        • Sie erkennen unter anderem den Promotor, führen die RNA-Polymerase II zum Promotor und öffnen den DNA-Doppelstrang, damit die RNA-Polymerase II mit der Synthese der mRNA beginnen kann.

     3. RNA-Polymerase II

        • Die RNA-Polymerase II ist das Enzym, das die Synthese der mRNA katalysiert, also die komplementären Ribonukleotide passend zur DNA Vorlage verknüpft.
        • Sie liest den codogenen DNA-Strang in 3′-5′-Richtung ab und synthetisiert die komplementäre mRNA in 5′-3′-Richtung.
• Die genaue Entstehung des Präinitiationskomplexes lässt sich nach dem heutigen Wissensstand sehr detailliert beschreiben.
• Ich habe mir aber gedacht, dass es für die meisten Zuhörer am hilfreichsten ist, wenn ich den ganzen Prozess etwas vereinfacht darstelle:
  1. Wie bereits erwähnt, sind bestimmte Transkriptionsfaktoren dazu in der Lage, den Promotor zu erkennen und daran zu binden.
  2. Nachdem das passiert ist, kommen weitere Transkriptionsfaktoren hinzu und bilden am Promotor einen Komplex von Transkriptionsfaktoren.
  3. Im Anschluss verbindet sich auch die RNA-Polymerase II mit diesem Komplex von Transkriptionsfaktoren.
  4. Es entsteht der sogenannte Präinitiationskomplex.
  5. Einer der Transkriptionsfaktoren (TFIIH) besitzt eine Helicase-Aktivität und beginnt damit, den DNA-Doppelstrang für die RNA-Polymerase II zu öffnen.
  6. Des Weiteren sorgt TFIIH dafür, dass sich der Präinitiationskomplex vom Promotor löst.
  7. Jetzt beginnt die RNA-Polymerase II, die ersten vier Ribonukleotide der mRNA zu verknüpfen.
  8. Nachdem das vierte Ribonukleotid eingebaut wurde, löst sich der Präinitiationskomplex teilweise auf!
  9. Übrig bleiben nur noch die RNA-Polymerase II und der Transkriptionsfaktor TFIIH.
  10. Während des Einbaus der Ribonukleotide 5 bis 10, wird am 5′-Ende der mRNA eine sogenannte 5′-Cap-Struktur angebracht (siehe Prozessierung der prä-mRNA).
  11. Mit Ribonukleotid Nummer 11 beginnt nun die Elongation.

Elongation

• Mit Elongation wird der Großteil der Synthese der mRNA durch die RNA-Polymerase II bezeichnet.
• Die RNA-Polymerase II ist zwar in der Lage, die mRNA zu synthetisieren, allerdings benötigt sie dafür Bausteine.
• Diese Bausteine sind die Ribonukleosidtriphosphate (Synonym: Ribonukleotide), die sich bereits im Zellinneren befinden und der RNA-Polymerase II zur Verfügung stehen.
• Ein Ribonukleosidtriphosphat besteht aus einer Ribose (Zucker), an die am 1′-C-Atom eine Nukleinbase (A/U/C/G) und am 5′-C-Atom ein Triphosphatrest gekoppelt ist.
• Die für die Elongation notwendige Energie liefert die Abspaltung von Diphosphat (Synonym: Pyrophosphat) von den Ribonukleosidtriphosphaten während des Einbaus in die mRNA.
• In die mRNA werden von der RNA-Polymerase II unter Abspaltung von Diphosphat also nur noch die Ribonukleosidmonophosphate eingebaut.
• Die Elongation schreitet solange voran, bis der Punkt der Termination erreicht ist.
• Noch während der Elongation beginnt bereits das sogenannte Spleißen (siehe Prozessierung der prä-mRNA).

Termination

• Die Termination beschreibt das Ende der Transkription aufgrund des Terminators.
• Als Terminator wird ein bestimmter DNA-Abschnitt bezeichnet, der das Ende des Gens markiert.
• Dieser DNA-Abschnitt zeichnet sich durch eine ganz bestimmte Basensequenz aus.
• Der Terminator wird von der RNA-Polymerase II noch transkribiert, was dann dazu führt, dass die RNA-Polymerase II die Synthese beendet.
• Im Anschluss lösen sich sowohl mRNA, als auch RNA-Polymerase II vom codogenen Strang und die DNA-Einzelstränge verbinden sich wieder zur Doppelhelix.
• Nach der Termination folgt noch die Polyadenylierung der mRNA (siehe Prozessierung der prä-mRNA).

Prozessierung der prä-mRNA

• Ein wichtiger Bestandteil der Transkription bei Eukaryoten ist die Prozessierung der prä-mRNA.
  • Die prä-mRNA ist die unreife, nicht translationsfähige Vorläuferform der reifen mRNA.
  • Die nach der Termination entstandene RNA (prä-mRNA) ist zu diesem Zeitpunkt nämlich noch nicht translationsfähig.
  • Erst nachdem die prä-mRNA prozessiert wurde, ist sie translationsfähig und wird dann „reife mRNA“ oder einfach nur „mRNA“ genannt.
• Unter dem Begriff Prozessierung werden alle Modifikationen der prä-mRNA zusammengefasst, die nach der Transkription und teilweise auch schon während der Transkription erfolgen:

Modifikation	Beschreibung	Funktion
5'-Cap-Struktur	Anhängen eines modifizierten Guanin-Nukleotids am 5'-Ende der mRNA während der Initiationsphase der Transkription.	Schützt die mRNA vor Abbau durch Exonukleasen, sichert einen effektiven Transport aus dem Zellkern und spielt eine wichtige Rolle beim Start der Translation.
Spleißen	Entfernung der Introns aus der prä-mRNA und Verknüpfung der Exons. Findet teilweise schon während der Elongation, aber auch noch nach der Termination statt.	Herstellung der Translationsfähigkeit.
Polyadenylierung	Anhängen von mehreren Adenin-Nukleotiden (ca. 80 - 250) am 3'-Ende der mRNA nach der Terminationsphase der Transkription.	Schützt die mRNA vor Abbau durch Exonukleasen, spielt eine wichtige Rolle beim Start der Translation und sorgt für eine erhöhte Translatierbarkeit.

Alternatives Spleißen

• Spleißen ist das Herausschneiden der Introns aus der prä-mRNA, sowie das Verknüpfen der übrig gebliebenen Exons.
  1. Introns = Nicht codierende Abschnitte der DNA innerhalb eines Gens.
  2. Exons = Codierende Abschnitte der DNA innerhalb eines Gens.
• Eine menschliche Zelle hat aber zum Beispiel „nur“ ca. 20.000 Gene.
• Allerdings können durch diese 20.000 Gene trotzdem viele hunderttausend verschiedene Proteine hergestellt werden!
• Alternatives Spleißen bedeutet nämlich, dass ein Gen bzw. dessen prä-mRNA auf unterschiedliche Art und Weise „gespleißt“ werden kann (es können zum Beispiel auch Exons herausgeschnitten werden).
  • Aus der selben „prä-mRNA“ können durch alternatives Spleißen mehrere unterschiedliche „reife mRNA’s“ hergestellt und dementsprechend mehrere unterschiedliche Proteine synthetisiert werden!

Transkription Kurzfassung

1. Bildung des Präinitiationskomplexes (PIK) am Promotor.
2. Öffnung des DNA-Doppelstranges durch den Transkriptionsfaktor TFIIH.
3. Der Präinitiationskomplex (PIK) löst sich vom Promotor und die RNA-Polymerase II verknüpft die ersten vier Ribonukleotide der prä-mRNA.
4. Der Präinitiationskomplex (PIK) löst nun teilweise auf, nur die RNA-Polymerase II und der Transkriptionsfaktor TFIIH bleiben erhalten.
5. Während des Einbaus der Ribonukleotide 5 bis 10, wird am 5′-Ende der prä-mRNA eine sogenannte 5′-Cap-Struktur angebracht.
6. Die RNA-Polymerase II synthetisiert die restliche prä-mRNA, bis sie auf den Terminator trifft.
   • Die RNA-Polymerase II wird dabei entlang des codogenen Strangs in 3′-5′-Richtung transportiert und synthetisiert die prä-mRNA in 5′-3′-Richtung.
   • Die Ribonukleotide (Ribonukleosidtriphosphate) werden von der RNA-Polymerase II unter Abspaltung von Diphosphat (Pyrophosphat) miteinander verknüpft.
7. Schon während der Synthese der prä-mRNA kommt es bereits das erste Mal zum Spleißen der prä-mRNA.
8. Während der Termination lösen sich sowohl prä-mRNA, als auch RNA-Polymerase II vom codogenen Strang und die DNA-Einzelstränge verbinden sich wieder zur Doppelhelix.
9. Es folgt die Polyadenylierung am 3′-Ende der prä-mRNA und das restliche Spleißen.
10. Das Endprodukt ist nun die reife, translationsfähige mRNA.

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