Elongation und Termination in Eukaryoten
Elongation synthetisiert Prä-mRNA in einer 5 ‚bis 3‘ Richtung, und die Termination erfolgt als Reaktion auf Terminationssequenzen und Signale.
Lernziele
Beschreiben Sie, was während der Transkriptionsverlängerung und -terminierung geschieht
Wichtige Erkenntnisse
Schlüsselpunkte
- RNA Polymerase II (RNAPII) transkribiert den größten Teil der eukaryotischen Gene.
- Während der Elongation muss die Transkriptionsmaschinerie Histone jedes Mal aus dem Weg räumen, wenn sie auf ein Nukleosom trifft.
- Die Transkriptionsverlängerung tritt in einer Blase abgewickelter DNA auf, wobei die RNA-Polymerase einen DNA-Strang als Template verwendet, um die Synthese eines neuen RNA-Strangs in 5 ‚bis 3‘ -Richtung zu katalysieren.
- RNA-Polymerase I und RNA-Polymerase III beenden die Transkription als Reaktion auf spezifische Terminationssequenzen entweder in der transkribierten DNA (RNA-Polymerase I) oder in der neu synthetisierten RNA (RNA-Polymerase III).
- Die RNA-Polymerase II beendet die Transkription an zufälligen Stellen hinter dem Ende des zu transkribierenden Gens. Die neu synthetisierte RNA wird an einer sequenzspezifischen Stelle gespalten und freigesetzt, bevor die Transkription endet.
Schlüsselbegriffe
- Nukleosom: jede der Untereinheiten, die sich im Chromatin wiederholen; eine DNA-Spule, die einen Histonkern umgibt
- Histon: jedes von verschiedenen einfachen wasserlöslichen Proteinen, die reich an den basischen Aminosäuren Lysin und Arginin sind und mit DNA in den Nukleosomen von eukaryotischem Chromatin komplexiert sind
- Chromatin: ein Komplex aus DNA, RNA und Proteinen innerhalb des Zellkerns, aus dem Chromosomen während der Zellteilung kondensieren
Transkription durch Nukleosomen
Nach der Bildung des Präinitiationskomplexes wird die Polymerase von den anderen Transkriptionsfaktoren freigesetzt, und die Dehnung wird fortgesetzt, wobei die Polymerase RNA in 5 ‚bis 3‘ -Richtung synthetisiert. RNA-Polymerase II (RNAPII) transkribiert den größten Teil der eukaryotischen Gene, daher wird sich dieser Abschnitt hauptsächlich darauf konzentrieren, wie diese spezifische Polymerase Dehnung und Termination bewirkt.
Obwohl der enzymatische Prozess der Dehnung bei Eukaryoten und Prokaryoten im Wesentlichen gleich ist, ist die eukaryontische DNA-Schablone komplexer. Wenn sich eukaryotische Zellen nicht teilen, existieren ihre Gene als diffuse, aber immer noch weitgehend verpackte und verdichtete Masse von DNA und Proteinen, die als Chromatin bezeichnet werden. Die DNA ist in wiederholten Abständen dicht um geladene Histonproteine verpackt. Diese DNA-Histon-Komplexe, zusammen Nukleosomen genannt, sind regelmäßig beabstandet und umfassen 146 Nukleotide von DNA, die zweimal um die acht Histone in einem nukleosomenartigen Faden um eine Spule gewickelt sind.Damit die Polynukleotidsynthese stattfinden kann, muss die Transkriptionsmaschinerie Histone jedes Mal aus dem Weg räumen, wenn sie auf ein Nukleosom trifft. Dies wird durch ein spezielles Proteindimer namens FACT erreicht, was für „erleichtert die Chromatintranskription.“ FACT zerlegt das Nukleosom unmittelbar vor (stromaufwärts) einer transkribierenden RNA-Polymerase II teilweise, indem zwei der acht Histone entfernt werden (ein einzelnes Dimer von H2A- und H2B-Histonen wird entfernt.) Dies löst vermutlich die um dieses Nukleosom gewickelte DNA ausreichend, so dass die RNA-Polymerase II durch sie transkribieren kann. FACT setzt das Nukleosom hinter der RNA-Polymerase II wieder zusammen, indem es die fehlenden Histone zurückgibt. Die RNA-Polymerase II verlängert die neu synthetisierte RNA weiter, bis die Transkription beendet ist.
Das FACT-Protein-Dimer ermöglicht es der RNA-Polymerase II, durch verpackte DNA zu transkribieren: DNA in Eukaryoten ist in Nukleosomen verpackt, die aus einem Octomer von 4 verschiedenen Histonproteinen bestehen. Wenn DNA zweimal eng um ein Nukleosom gewickelt ist, kann die RNA-Polymerase II zur Transkription nicht darauf zugreifen. ES entfernt zwei der Histone aus dem Nukleosom unmittelbar vor der RNA-Polymerase und lockert die Verpackung, so dass die RNA-Polymerase II die Transkription fortsetzen kann. FACT setzt auch das Nukleosom unmittelbar hinter der RNA-Polymerase wieder zusammen, indem es die fehlenden Histone zurückgibt.
Elongation
RNA-Polymerase II ist ein Komplex aus 12 Proteinuntereinheiten. Spezifische Untereinheiten innerhalb des Proteins ermöglichen es der RNA-Polymerase II, als eigene Helikase, Gleitklemme, einzelsträngiges DNA-Bindungsprotein zu fungieren und andere Funktionen auszuführen. Folglich benötigt die RNA-Polymerase II nicht so viele akzessorische Proteine, um die Synthese neuer RNA-Stränge während der Transkriptionsverlängerung zu katalysieren, wie es die DNA-Polymerase tut, um die Synthese neuer DNA-Stränge während der Replikationsverlängerung zu katalysieren.RNA-Polymerase II benötigt jedoch eine große Sammlung von akzessorischen Proteinen, um die Transkription an Genpromotoren zu initiieren, aber sobald die doppelsträngige DNA in der Transkriptionsstartregion abgewickelt wurde, die RNA-Polymerase II am +1-Initiierungsnukleotid positioniert wurde und begonnen hat, die neue RNA-Strangsynthese zu katalysieren, löscht oder „entweicht“ die RNA-Polymerase II die Promotorregion und lässt die meisten Transkriptionsinitiierungsproteine zurück.
Alle RNA-Polymerasen wandern entlang des Template-DNA-Strangs in 3’bis 5′ -Richtung und katalysieren die Synthese neuer RNA-Stränge in 5′ bis 3′ -Richtung, wobei dem 3′-Ende des wachsenden RNA-Strangs neue Nukleotide hinzugefügt werden.
RNA-Polymerasen wickeln die doppelsträngige DNA vor ihnen ab und lassen die abgewickelte DNA hinter ihnen zurückspulen. Infolgedessen findet die RNA-Strangsynthese in einer Transkriptionsblase von etwa 25 abgewickelten DNA-Basenpaaren statt. Nur etwa 8 Nukleotide neu synthetisierter RNA bleiben mit der Template-DNA basepaart. Der Rest der RNA-Moleküle fällt von der Schablone ab, damit sich die DNA dahinter zurückspulen kann.
RNA-Polymerasen verwenden den darunter liegenden DNA-Strang als Vorlage, um zu bestimmen, welches Nukleotid an jedem Punkt der Sequenz am 3′-Ende des wachsenden RNA-Strangs hinzugefügt werden soll. Die RNA-Polymerase wandert jeweils ein Nukleotid entlang der Template-DNA. Welches RNA-Nukleotid auch immer zur Basepaarung an das Template-Nukleotid unterhalb der RNA-Polymerase in der Lage ist, ist das nächste hinzuzufügende Nukleotid. Sobald die Zugabe eines neuen Nukleotids zum 3′-Ende des wachsenden Strangs katalysiert wurde, bewegt sich die RNA-Polymerase zum nächsten DNA-Nukleotid auf der darunter liegenden Schablone. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis die Transkription beendet ist.
Termination
Die Termination der Transkription ist für die drei verschiedenen eukaryotischen RNA-Polymerasen unterschiedlich.
Die von der RNA-Polymerase I transkribierten ribosomalen rRNA-Gene enthalten eine spezifische Sequenz von Basepaaren (11 bp lang beim Menschen; 18 bp in Mäusen), das von einem Terminationsprotein namens TTF-1 (Transkriptions-Terminationsfaktor für RNA-Polymerase I.) erkannt wird. Dieses Protein bindet die DNA an ihrer Erkennungssequenz und blockiert die weitere Transkription, wodurch sich die RNA-Polymerase I vom Template-DNA-Strang löst und ihre neu synthetisierte RNA freisetzt.Den proteinkodierenden, strukturellen RNA- und regulatorischen RNA-Genen, die von der RNA-Polymerase II transkribiert werden, fehlen spezifische Signale oder Sequenzen, die die RNA-Polymerase II dazu bringen, an bestimmten Stellen zu enden. Die RNA-Polymerase II kann weiterhin RNA von einigen bp bis zu Tausenden von bp über das tatsächliche Ende des Gens hinaus transkribieren. Das Transkript wird jedoch an einer internen Stelle gespalten, bevor die RNA-Polymerase II die Transkription beendet. Dadurch wird der stromaufwärts liegende Teil des Transkripts freigesetzt, der vor der weiteren Verarbeitung als anfängliche RNA dient (die Prä-mRNA im Fall von proteinkodierenden Genen.) Diese Schnittstelle gilt als das „Ende“ des Gens. Der Rest des Transkripts wird von einer 5′-Exonuklease (beim Menschen Xrn2 genannt) verdaut, während es noch von der RNA-Polymerase II transkribiert wird. Wenn die 5′-Exonuklease die RNA-Polymerase II „einholt“, indem sie die gesamte überhängende RNA verdaut, hilft sie, die Polymerase von ihrem DNA-Schablonenstrang zu lösen und diese Transkriptionsrunde schließlich zu beenden.
Im Fall von Protein-kodierenden Genen tritt die Schnittstelle, die das „Ende“ der austretenden Prä-mRNA bestimmt, zwischen einer Upstream-AAUAAA-Sequenz und einer Downstream-GU-reichen Sequenz auf, die durch etwa 40-60 Nukleotide in der austretenden RNA getrennt ist. Sobald diese beiden Sequenzen transkribiert wurden, bindet ein Protein namens CPSF beim Menschen die AAUAAA-Sequenz und ein Protein namens CstF beim Menschen bindet die GU-reiche Sequenz. Diese beiden Proteine bilden die Basis eines komplizierten Proteinkomplexes, der sich in dieser Region bildet, bevor CPSF die entstehende Prä-mRNA an einer Stelle 10-30 Nukleotide stromabwärts von der AAUAAA-Stelle spaltet. Das Poly(A) -Polymerase-Enzym, das die Addition eines 3′-Poly-A-Schwanzes an der Prä-mRNA katalysiert, ist Teil des Komplexes, der sich mit CPSF und CstF bildet.
Transkriptionsabbruch durch RNA-Polymerase II auf einem proteinkodierenden Gen.: RNA-Polymerase II hat keine spezifischen Signale, die ihre Transkription beenden. Im Falle von proteinkodierenden Genen bindet ein Proteinkomplex an zwei Stellen auf der wachsenden Prä-mRNA, sobald die RNA-Polymerase über das Ende des Gens hinaus transkribiert hat. CPSF im Komplex bindet eine AAUAAA-Sequenz und CstF im Komplex bindet eine GU-reiche Sequenz (obere Abbildung). CPSF im Komplex spaltet die Prä-mRNA an einer Stelle zwischen den beiden gebundenen Sequenzen und setzt die Prä-mRNA frei (mittlere Abbildung). Die Poly (A) -Polymerase ist ein Teil desselben Komplexes und beginnt, der Prä-mRNA einen Poly-A-Schwanz hinzuzufügen. Gleichzeitig greift das Xrn2-Protein, das eine Exonuklease ist, das 5′-Ende des RNA-Strangs an, der noch mit der RNA-Polymerase assoziiert ist. Xrn2 beginnt mit der Verdauung des nicht freigesetzten Teils der neu synthetisierten RNA, bis Xrn2 die RNA-Polymerase erreicht, wo es hilft, die RNA-Polymerase aus dem Template-DNA-Strang zu verdrängen. Dies beendet die Transkription an einer zufälligen Stelle stromabwärts vom wahren Ende des Gens (untere Abbildung).
Die tRNA-, 5S-rRNA- und strukturellen RNAs-Gene, die von der RNA-Polymerase III transkribiert werden, haben ein nicht vollständig verstandenes Terminationssignal. Die von der RNA-Polymerase III transkribierten RNAs haben an ihrem 3′-Ende eine kurze Strecke von vier bis sieben U’s. Dies löst irgendwie die RNA-Polymerase III aus, um sowohl die entstehende RNA freizusetzen als auch sich vom Template-DNA-Strang zu lösen.