Birincil transkript - Primary transcript
Bir birincil transkript , DNA'nın transkripsiyonu ile sentezlenen ve mRNA'lar , tRNA'lar ve rRNA'lar gibi çeşitli olgun RNA ürünlerini vermek üzere işlenen tek sarmallı ribonükleik asit ( RNA ) ürünüdür . MRNA'lar olarak belirlenen birincil transkriptler, çeviri için hazırlık aşamasında değiştirilir . Örneğin, bir öncü mRNA ( pre-mRNA ), işlendikten sonra bir haberci RNA (mRNA) haline gelen bir tür birincil transkripttir .
Pre-mRNA, transkripsiyon yoluyla hücre çekirdeğindeki bir DNA şablonundan sentezlenir . Pre-mRNA, heterojen nükleer RNA ( hnRNA ) yığınını içerir . Pre-mRNA tamamen işlendikten sonra, " olgun haberci RNA " veya basitçe " haberci RNA " olarak adlandırılır. HnRNA terimi genellikle pre-mRNA ile eşanlamlı olarak kullanılır, ancak tam anlamıyla hnRNA, sitoplazmik mRNA olarak bitmeyen nükleer RNA transkriptlerini içerebilir.
Birincil transkriptlerin üretilmesine katkıda bulunan birkaç adım vardır. Bütün bu adımlar başlatmak ve transkripsiyon tamamlamak için etkileşimlerin bir dizi içeren DNA içinde çekirdeğin içinde ökaryotlar . Bazı faktörler, birincil transkript üretimini düzenledikleri transkripsiyonun aktivasyonunda ve inhibisyonunda anahtar rol oynar. Transkripsiyon, birkaç işlemle daha da değiştirilen birincil transkriptleri üretir. Bu işlemler arasında 5 'başlık , 3'-poliadenilasyon ve alternatif birleştirme yer alır . Özellikle, alternatif birleştirme, hücrelerde bulunan mRNA çeşitliliğine doğrudan katkıda bulunur. Birincil transkriptlerin modifikasyonları, bu transkriptlerin rolü ve önemi hakkında daha fazla bilgi arayan araştırmalarda daha fazla incelenmiştir. Birincil transkriptlerdeki moleküler değişikliklere ve transkripsiyondan önceki ve sonraki süreçlere dayanan deneysel çalışmalar, birincil transkriptleri içeren hastalıkların daha iyi anlaşılmasına yol açmıştır.
Üretim
Birincil transkriptlerin üretimine katkıda bulunan adımlar, bir hücrenin çekirdeği içindeki DNA'nın transkripsiyonunu başlatan bir dizi moleküler etkileşimi içerir. Belirli bir hücrenin ihtiyaçlarına bağlı olarak, hücresel kullanım için fonksiyonel proteinlere çevrilecek çeşitli RNA ürünleri üretmek için belirli DNA dizileri kopyalanır. Bir hücrenin çekirdeğindeki transkripsiyon sürecini başlatmak için, DNA çift sarmalları çözülür ve DNA'nın uyumlu nükleik asitlerini bağlayan hidrojen bağları , iki bağlantısız tek DNA ipliği üretmek için kırılır. DNA şablonunun bir sarmalı, tek sarmallı birincil transkript mRNA'nın transkripsiyonu için kullanılır. Bu DNA şeridi bir ile bağlı olan bir RNA polimeraz ile promotör DNA bölgesi.
Ökaryotlarda, üç farklı RNA polimerazının aktivitesine dayalı olarak üç tür RNA ( rRNA , tRNA ve mRNA) üretilirken, prokaryotlarda her tür RNA molekülünü oluşturmak için yalnızca bir RNA polimeraz vardır. Ökaryotların RNA polimeraz II'si , 5 'ila 3' yönündeki antisens DNA şablonundan mRNA'ya işlenecek bir transkript olan birincil transkripti kopyalar ve bu yeni sentezlenen birincil transkript, DNA'nın antisens zincirini tamamlayıcı niteliktedir. RNA polimeraz II , 3 '' e sürekli olarak eklenen dört spesifik ribonükleozid monofosfat kalıntısı ( adenozin monofosfat (AMP), sitidin monofosfat (CMP), guanozin monofosfat (GMP) ve üridin monofosfat (UMP)) kullanarak birincil transkripti oluşturur. büyüyen mRNA'nın 3 'ucundaki hidroksil grubu.
RNA polimeraz II tarafından üretilen birincil transkript çalışmaları, ortalama bir birincil transkriptin 7.000 nükleotit uzunluğunda olduğunu ve bazılarının uzunluğu 20.000 nükleotit kadar uzadığını ortaya koymaktadır . Her ikisinin dahil ekson ve intron birinci transkript olan dizileri daha büyük primer transkript ve küçük boyutları arasındaki farkı açıklar, proteine çeviri için mRNA hazır olgunlaşır.
Yönetmelik
Bir dizi faktör, transkripsiyonun aktivasyonuna ve inhibisyonuna katkıda bulunur ve bu nedenle, belirli bir DNA şablonundan birincil transkriptlerin üretimini düzenler.
Birincil transkriptler üretmek için RNA polimeraz aktivitesinin aktivasyonu , genellikle güçlendiriciler olarak adlandırılan DNA dizileri tarafından kontrol edilir . Transkripsiyon faktörleri , transkripsiyonu aktive etmek veya bastırmak için DNA elemanlarına bağlanan proteinler, güçlendiricilere bağlanır ve nükleozom bileşenlerini değiştiren enzimleri görevlendirerek DNA'nın RNA polimeraz için az ya da çok erişilebilir olmasına neden olur. Güçlendirici DNA bölgelerine bağlanan aktive edici veya inhibe edici transkripsiyon faktörlerinin benzersiz kombinasyonları, güçlendiricinin etkileşime girdiği genin transkripsiyon için aktive edilip edilmediğini belirler. Transkripsiyonun aktivasyonu, kendisi çeşitli transkripsiyon faktörlerinden oluşan transkripsiyon uzatma kompleksinin, RNA polimerazın , bir güçlendirici bölgeyi promotöre bağlayan Aracı kompleksinden ayrılmasına neden olup olmadığına bağlıdır .
RNA polimeraz aktivitesinin inhibisyonu , susturucular adı verilen DNA dizileri tarafından da düzenlenebilir . Güçlendiriciler gibi, susturucular da düzenledikleri genlerden daha yukarıda veya aşağıda konumlandırılabilir. Bu DNA dizileri, RNA polimerazı aktive etmek için gereken başlatma kompleksinin dengesizleşmesine katkıda bulunan faktörlere bağlanır ve bu nedenle transkripsiyonu inhibe eder.
Transkripsiyon faktörleri ile histon modifikasyonu, RNA polimeraz tarafından transkripsiyon için başka bir anahtar düzenleyici faktördür. Genel olarak, histon asetilasyonuna yol açan faktörler, transkripsiyonu aktive ederken, histon deasetilasyonuna yol açan faktörler, transkripsiyonu inhibe eder. Histonların asetilasyonu, nükleozomlar içindeki negatif bileşenler arasında itmeyi indükleyerek RNA polimeraz erişimine izin verir. Histonların deasetilasyonu, sıkıca sarılmış nükleozomları stabilize ederek RNA polimeraz erişimini engeller. Histonların asetilasyon modellerine ek olarak, DNA'nın promotör bölgelerindeki metilasyon modelleri, belirli bir şablona RNA polimeraz erişimini düzenleyebilir. RNA polimeraz, hedeflenen genin promoter bölgesi spesifik metillenmiş sitozinler (transkripsiyon aktive edici faktörlerin bağlanmasını engelleyen kalıntılar) içeriyorsa, RNA polimerazına erişimi hariç tutarak ve sıkı bir şekilde bağlanmış bir nükleozom yapısını stabilize etmek için diğer enzimleri görevlendiren kalıntılar içeriyorsa, genellikle bir birincil transkripti sentezleyemez. birincil transkriptlerin üretimi.
R döngüleri
R-döngüleri , transkripsiyon sırasında oluşur. Bir R-halkası, bir DNA-RNA hibrit bölgesi ve ilişkili bir şablon olmayan tek iplikli DNA içeren üç iplikli bir nükleik asit yapısıdır. Aktif olarak kopyalanmış DNA bölgeleri, genellikle DNA hasarına karşı savunmasız olan R-döngüleri oluşturur . İntronlar, yüksek oranda ifade edilen maya genlerinde R-döngü oluşumunu ve DNA hasarını azaltır.
RNA işleme
Gen ekspresyonunda oldukça düzenlenmiş bir faz olan transkripsiyon, birincil transkriptleri üretir. Bununla birlikte, transkripsiyon, RNA'ların fonksiyonel formlarını veren birçok modifikasyonun ardından gelmesi gereken yalnızca ilk adımdır. Aksi belirtilmedikçe, yeni sentezlenen birincil transkriptler, mRNA, tRNA ve rRNA gibi farklı proteinler ve RNA'lar üretmek için olgun, fonksiyonel formlarına dönüştürülmek üzere çeşitli şekillerde modifiye edilir.
İşleme
Temel birincil transkript modifikasyon süreci, hem ökaryotik hem de prokaryotik hücrelerde tRNA ve rRNA için benzerdir. Öte yandan, birincil transkript işleme, prokaryotik ve ökaryotik hücrelerin mRNA'larında değişiklik gösterir. Örneğin, bazı prokaryotik bakteriyel mRNA'lar, transkripsiyon yoluyla üretilirken aynı zamanda proteinlerin sentezi için şablon görevi görür. Alternatif olarak, ökaryotik hücrelerin pre-mRNA'sı, çekirdekten olgun formlarının çevrildiği sitoplazmaya taşınmadan önce çok çeşitli modifikasyonlara uğrar. Bu değişiklikler, çeşitli ürün türlerinin çevrilmesine yol açan farklı kodlanmış mesaj türlerinden sorumludur. Ayrıca, birincil transkript işleme, gen ekspresyonu için bir kontrol ve mRNA'ların degradasyon oranları için bir düzenleyici mekanizma sağlar. Ökaryotik hücrelerde pre-mRNA'nın işlenmesi, 5 'kapama , 3' poliadenilasyon ve alternatif birleştirmeyi içerir .
5 'kapak
Ökaryotlarda transkripsiyon başlatıldıktan kısa bir süre sonra, bir pre-mRNA'nın 5 'ucu, 5' başlığı olarak da bilinen bir 7-metilguanosin başlığının eklenmesiyle modifiye edilir . 5 'başlık modifikasyonu, ters yönde pre-mRNA'nın 5' terminal nükleotidine bir GTP'nin eklenmesi ve ardından G kalıntısına metil gruplarının eklenmesi ile başlatılır. 5 'başlığı, çeviri sırasında mRNA'yı ribozom ile hizalamaktan sorumlu olduğundan, işlevsel mRNA'ların üretimi için 5' kapama gereklidir.
Poliadenilasyon
Ökaryotlarda poliadenilasyon, poli-A kuyruğu adı verilen bir yapının eklendiği pre-mRNA'ları daha da değiştirir . Birkaç RNA sekans elementi içeren poliadenilasyon sinyalleri, poli-A kuyruğunun (uzunluk olarak yaklaşık 200 nükleotit) eklendiğini gösteren bir grup protein tarafından tespit edilir. Poliadenilasyon reaksiyonu, transkripsiyonun sonu için bir sinyal sağlar ve bu reaksiyon, poli-A kuyruk konumundan aşağı yönde yaklaşık olarak birkaç yüz nükleotit sona erer.
Alternatif ekleme
Ökaryotik pre-mRNA'ların intronları , küçük nükleer ribonükleoproteinlerden oluşan spliceozomlarla birleştirilir .
Karmaşık ökaryotik hücrelerde, bir birincil transkript, alternatif birleştirme nedeniyle büyük miktarlarda olgun mRNA hazırlayabilir. Alternatif birleştirme, her olgun mRNA'nın çok sayıda proteini kodlayabileceği şekilde düzenlenir.
Gen ekspresyonunda alternatif eklemenin etkisi, genomlarında sabit sayıda gen bulunan, ancak çok daha fazla sayıda farklı gen ürünü üreten karmaşık ökaryotlarda görülebilir. Ökaryotik pre-mRNA transkriptlerinin çoğu, çok sayıda intron ve ekson içerir. Bir pre-mRNA'daki 5 've 3' ekleme bölgelerinin çeşitli olası kombinasyonları, intronlar olgun mRNA'dan elimine edilirken farklı eksizyon ve ekson kombinasyonlarına yol açabilir. Böylece, çeşitli türlerde olgun mRNA'lar üretilir. Alternatif ekleme, spliceosome adı verilen büyük bir protein kompleksinde gerçekleşir . Alternatif ekleme, gen ekspresyonunda dokuya özgü ve gelişimsel düzenleme için çok önemlidir. Alternatif ekleme, kromozomal translokasyon gibi mutasyonlar dahil olmak üzere çeşitli faktörlerden etkilenebilir .
Prokaryotlarda ekleme, otokatalitik yarılma veya endolitik yarılma ile yapılır. Hiçbir proteinin dahil olmadığı otokatalitik bölünmeler genellikle rRNA'yı kodlayan bölümler için ayrılırken, endolitik bölünme tRNA öncüllerine karşılık gelir.
Deneyler
New York , Buffalo'daki Roswell Park Kapsamlı Kanser Merkezi'nde (daha sonra Roswell Park Memorial Enstitüsü olarak bilinir) Deneysel Terapötikler Departmanından ve University of Hücre ve Moleküler Biyoloji Programından Cindy L.Wills ve Bruce J. Dolnick tarafından yapılan bir çalışma . Wisconsin, Madison'daki Wisconsin, birincil transkriptleri içeren hücresel süreçleri anlamak için yapıldı. Araştırmacılar , kanser tedavisinde kullanıldığı bilinen bir ilaç olan 5- Fluorouracil'in (FUra) metotreksata dirençli KB hücrelerinde dihidrofolat redüktaz (DHFR) ön mRNA işlemesini ve / veya nükleer mRNA stabilitesini inhibe edip etmediğini anlamak istediler . FUra'ya uzun süreli maruz kalma, genellikle işlemin bir parçası olarak diziden kesilen pre-mRNA bölümleri olan belirli intronları içeren DHFR pre-mRNA düzeyi üzerinde hiçbir etkiye sahip değildi. Bununla birlikte, toplam DHFR mRNA seviyeleri, 1.0 uM FUra'ya maruz kalan hücrelerde iki kat azaldı. FUra'ya maruz kalan hücrelerde gözlenen toplam DHFR mRNA veya pre-mRNA'nın mRNA'nın% 50'sinin bozunması için geçen süreyi ifade eden yarılanma ömründe önemli bir değişiklik olmamıştır. Ve nükleer / sitoplazmik RNA etiketleme deneyleri, nükleer DHFR RNA'nın sitoplazmik DHFR mRNA'ya dönüşme oranının FUra ile tedavi edilen hücrelerde azaldığını gösterdi. Bu sonuçlar, FUra'nın mRNA öncüllerinin işlenmesine yardımcı olabileceğine ve / veya nükleer DHFR mRNA'nın stabilitesini etkileyebileceğine dair daha fazla kanıt sağlar.
Massachusetts , Cambridge Teknoloji Enstitüsü (MIT) Biyoloji bölümünden Judith Lengyel ve Sheldon Penman , iki dipteranın veya iki kanadı olan böceklerin genlerinde yer alan bir tür birincil transkript hakkında bir makale yazdı : Drosophila ve Aedes . Makale, araştırmacıların hnRNA'ya veya temelde pre-mRNA'ya, iki tür böcekte birincil transkriptlere nasıl baktıklarını açıklıyor. Drosophila melanogaster ve Aedes albopictus'un hnRNA transkriptlerinin boyutu ve hücre dizilerinde mRNA'ya dönüştürülen hnRNA fraksiyonu veya tek bir hücreden türetilen hücre grupları karşılaştırıldı. Her iki böcek de dipterandır, ancak Aedes , Drosophila'dan daha büyük bir genoma sahiptir . Bu, Aedes'in daha fazla DNA'ya sahip olduğu anlamına gelir, bu da daha fazla gen anlamına gelir. Aedes hattı yapmak büyük hnRNA daha yaptığı Drosophila iki hücre çizgisi, benzer koşullar altında büyüme ve olgun üretilen ya da aynı boyut ve sekans kompleksliğinde mRNA işleme halde hattı. Bu veriler, hnRNA'nın boyutunun artan genom boyutu ile arttığını göstermektedir ki bu da Aedes tarafından açıkça gösterilmiştir.
Prag'daki Çek Cumhuriyeti Bilimler Akademisi Deneysel Tıp Enstitüsü Hücre Biyolojisi bölümünden Ivo Melcak, Stepanka Melcakova, Vojtech Kopsky, Jaromıra Vecerova ve Ivan Raska nükleer beneklerin pre-mRNA üzerindeki etkilerini inceledi . Nükleer benekler (benekler), hücrelerin çekirdeklerinin bir parçasıdır ve mRNA işlemede rol oynadığı bilinen ekleme faktörleri ile zenginleştirilmiştir . Nükleer benekler, bu ekleme faktörlerinin depolama yerleri olarak komşu aktif genlere hizmet ettiklerini göstermiştir. Bu çalışmada araştırmacılar, rahim ağzı kanseri olan bir kişinin hücrelerinden türetilen ve deneyler için yararlı olduğu kanıtlanan HeLa hücrelerinde , pre-mRNA üzerindeki ilk spliceozom grubunun bu beneklerden geldiğini gösterdi. Araştırmacılar , farklı gruplar oluşturmak için spliceozom kabul eden ve mutant adenovirüs pre-mRNA'ların mikroenjeksiyonlarını farklı ekleme faktörü bağlayarak kullandılar ve daha sonra bunların yoğun olarak bulunduğu bölgeleri takip ettiler. Spliceozom kabul eden pre-mRNA'lar hızla beneklere hedeflendi, ancak hedeflemenin sıcaklığa bağlı olduğu bulundu. Poliprimidin yolu mRNA sekansları tek başına yeterli değildir, spliceosom grupta ele teşvik etmek ve hedefleme için gereklidir, ancak. Aşağı akış kuşatma sekansları, beneklerdeki mutant pre-mRNA'ların hedeflenmesi için özellikle önemliydi. Destekleyici deneylerde, zerrelerin davranışı, antisens deoxyoligoribonükleotidlerin (DNA ve / veya RNA'nın spesifik bir diziye tamamlayıcı dizileri) ve bu durumda özel snRNA dizilerinin mikroenjeksiyonundan sonra izlendi . snRNA'ların, pre-mRNA'nın işlenmesine de yardımcı olduğu bilinmektedir. Bu koşullar altında, endojen pre-mRNA'lar üzerinde spliceozom grupları oluşmuştur. Araştırmacılar, mikro enjekte edilmiş pre-mRNA üzerindeki spliceozom gruplarının beneklerin içinde oluştuğu sonucuna vardı. Pre-mRNA hedefleme ve beneklerde birikme, ekleme faktörlerinin pre-mRNA'ya yüklenmesinin bir sonucudur ve spliceozom grupları, gözlemlenen benekli modele yol açmıştır.
İlgili hastalıklar
Araştırma ayrıca, birincil transkriptlerdeki değişikliklerle ilgili belirli hastalıklar hakkında daha fazla bilgi edinilmesine de yol açmıştır. Bir çalışma östrojen reseptörlerini ve farklı eklemeyi içeriyordu . İtalya, Cenova'daki Ulusal Kanser Araştırma Enstitüsü Moleküler Onkoloji laboratuvarından Paola Ferro, Alessandra Forlani, Marco Muselli ve Ulrich Pfeffer tarafından "İnsan östrojen reseptörü alfa birincil transkriptinin alternatif eklenmesi: ekson atlama mekanizmaları" başlıklı makale açıklıyor. DNA'daki östrojen reseptör alfa'yı (ER-alfa) kodlayan 1785 nükleotidinin, birincil transkriptte 300.000'den fazla nükleotidi tutan bir bölgeye yayıldığı. Bu pre-mRNA'nın eklenmesi sıklıkla, proteinleri kodlamak için gerekli bir veya daha fazla ekson veya bölgeden yoksun varyantlara veya farklı mRNA türlerine yol açar. Bu varyantlar, göğüs kanserinin ilerlemesi ile ilişkilendirilmiştir . Retrovirüslerin yaşam döngüsünde proviral DNA, enfekte olan hücrenin DNA'sının transkripsiyonuna dahil edilir. Retrovirüslerin pre-mRNA'larını DNA'ya dönüştürmeleri gerektiğinden, bu DNA'nın etkilediği konağın DNA'sına entegre edilebilmesi için, bu DNA şablonunun oluşumu retrovirüs replikasyonu için hayati bir adımdır. Hücre tipi, hücrenin farklılaşması veya değişmiş durumu ve hücrenin fizyolojik durumu, transkripsiyon için gerekli olan belirli faktörlerin mevcudiyetinde ve aktivitesinde önemli bir değişikliğe neden olur. Bu değişkenler, çok çeşitli viral gen ekspresyonu yaratır. Örneğin, kuş veya fare lösemi virüslerinin (ASLV veya MLV) enfeksiyöz viryonlarını aktif olarak üreten doku kültürü hücreleri , o kadar yüksek seviyelerde viral RNA içerir ki, bir hücredeki mRNA'nın% 5-10'u viral kaynaklı olabilir. Bu, bu retrovirüsler tarafından üretilen birincil transkriptlerin her zaman protein üretimine giden normal yolu izlemediğini ve çoğalmak ve genişlemek için DNA'ya geri döndüğünü gösterir.