معلومة

12.4: النسخ حقيقيات النوى - علم الأحياء

12.4: النسخ حقيقيات النوى - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أهداف التعلم

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على:

  • قائمة الخطوات في النسخ حقيقية النواة
  • ناقش دور بوليميراز الرنا في النسخ
  • قارن وقارن بين بوليميرات الرنا الثلاثة
  • اشرح أهمية عوامل النسخ

تؤدي بدائيات النوى وحقيقيات النوى في الأساس نفس عملية النسخ ، مع بعض الاختلافات الرئيسية. الاختلاف الأكثر أهمية بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى هو النواة والعضيات المرتبطة بالغشاء الأخير. مع ارتباط الجينات بالنواة ، يجب أن تكون الخلية حقيقية النواة قادرة على نقل mRNA الخاص بها إلى السيتوبلازم ويجب أن تحمي mRNA الخاص بها من التدهور قبل ترجمتها. تستخدم حقيقيات النوى أيضًا ثلاثة أنواع مختلفة من البوليميرات التي يقوم كل منها بنسخ مجموعة فرعية مختلفة من الجينات. عادة ما تكون mRNAs حقيقية النواة أحادية المنشأ ، مما يعني أنها تحدد بروتينًا واحدًا.

بدء النسخ في حقيقيات النوى

على عكس البلمرة بدائية النواة التي يمكن أن ترتبط بقالب الحمض النووي من تلقاء نفسها ، تتطلب حقيقيات النوى عدة بروتينات أخرى ، تسمى عوامل النسخ ، للارتباط أولاً بمنطقة المروج ومن ثم المساعدة في تجنيد البوليميراز المناسب.

ثلاثة بوليميرات الحمض النووي الريبي حقيقية النواة

تعتبر ميزات تخليق الرنا المرسال حقيقية النواة أكثر تعقيدًا بشكل ملحوظ من تلك الموجودة في بدائيات النوى. بدلاً من بوليميراز واحد يتكون من خمس وحدات فرعية ، تحتوي حقيقيات النوى على ثلاثة بوليميرات يتكون كل منها من 10 وحدات فرعية أو أكثر. يتطلب كل بوليميراز حقيقي النواة أيضًا مجموعة مميزة من عوامل النسخ لإحضاره إلى قالب الحمض النووي.

يقع RNA polymerase I في النواة ، وهي بنية أساسية نووية متخصصة يتم فيها نسخ RNA الريبوسومي (rRNA) ومعالجته وتجميعه في ريبوسومات (الجدول 1). تعتبر جزيئات الرنا الريباسي RNAs بنيوية لأن لها دورًا خلويًا ولكن لا تترجم إلى بروتين. إن الرنا الريباسي هي مكونات الريبوسوم وهي ضرورية لعملية الترجمة. يقوم بوليميريز الحمض النووي الريبي بتجميع جميع الرنا الريباسي باستثناء جزيء الرنا الريباسي 5S. ينطبق التعيين "S" على وحدات "Svedberg" ، وهي قيمة غير إضافية تميز السرعة التي تترسب بها الجسيمات أثناء الطرد المركزي.

الجدول 1. مواقع ومنتجات وحساسيات بوليميرات الحمض النووي الريبي حقيقية النواة الثلاثة
بوليميراز الحمض النووي الريبيمقصورة خلويةنتاج النسخحساسية α-Amanitin
أناالنواةجميع الرنا الريباسي باستثناء الرنا الريباسي 5Sغير حساس
IIنواةجميع ما قبل الرنا المرسال النووي المشفر للبروتينحساسة للغاية
ثالثانواة5S rRNA و tRNAs و RNAs النووية الصغيرةحساس إلى حد ما

يقع RNA polymerase II في النواة ويقوم بتوليف جميع وحدات pre-mRNAs النووية المشفرة للبروتين. تخضع حقيقيات النوى pre-mRNAs لمعالجة مكثفة بعد النسخ ولكن قبل الترجمة. من أجل الوضوح ، ستستخدم مناقشة هذه الوحدة للنسخ والترجمة في حقيقيات النوى مصطلح "mRNAs" لوصف الجزيئات الناضجة والمعالجة الجاهزة للترجمة فقط. RNA polymerase II مسؤول عن نسخ الغالبية العظمى من الجينات حقيقية النواة.

يقع RNA polymerase III أيضًا في النواة. يقوم هذا البوليميراز بنسخ مجموعة متنوعة من الحمض النووي الريبي البنيوي الذي يتضمن 5S pre-rRNA ، ونقل ما قبل RNAs (pre-tRNAs) ، و Pre-RNAs النووية الصغيرة. للـ tRNAs دور حاسم في الترجمة ؛ أنها بمثابة جزيئات محول بين قالب mRNA وسلسلة البولي ببتيد المتنامية. تمتلك RNAs النووية الصغيرة مجموعة متنوعة من الوظائف ، بما في ذلك "splicing" pre-mRNAs وتنظيم عوامل النسخ.

يمكن للعالم الذي يميز جينًا جديدًا تحديد البوليميراز الذي ينسخه عن طريق اختبار ما إذا كان الجين يتم التعبير عنه في وجود سم معين للفطر ، وهو α-amanitin (الجدول 1). ومن المثير للاهتمام أن α-amanitin أنتج بواسطة أمانيتا فالويدسيؤثر فطر قبعة الموت على البوليميرات الثلاثة بشكل مختلف تمامًا. إن بوليميريز RNA غير حساس تمامًا لـ α-amanitin ، مما يعني أن البوليميراز يمكنه نسخ الحمض النووي في المختبر في وجود هذا السم. في المقابل ، فإن RNA polymerase II حساس للغاية لـ α-amanitin ، و RNA polymerase III حساس بشكل معتدل. إن معرفة البوليميراز الناسخ يمكن أن يرشد الباحث إلى الوظيفة العامة للجين الذي تتم دراسته. نظرًا لأن RNA polymerase II ينسخ الغالبية العظمى من الجينات ، فسوف نركز على هذا البوليميراز في مناقشاتنا اللاحقة حول عوامل النسخ والمحفزات حقيقية النواة.

هيكل مروج RNA Polymerase II

محفزات حقيقيات النوى أكبر بكثير وأكثر تعقيدًا من المروجين بدائية النواة ، لكن كلاهما يحتوي على صندوق TATA. على سبيل المثال ، في جين ثيميدين كيناز بالماوس ، يوجد صندوق تاتا في حوالي -30 بالنسبة إلى موقع البدء (+1) (الشكل 1). بالنسبة لهذا الجين ، فإن تسلسل مربع TATA الدقيق هو TATAAAA ، كما هو مقروء في اتجاه 5 ′ إلى 3 على الشريط غير النموذجي. هذا التسلسل لا يتطابق مع بكتريا قولونية مربع TATA ، لكنه يحافظ على عنصر A – T الغني. الثبات الحراري لروابط A-T منخفض وهذا يساعد قالب الحمض النووي على الاسترخاء محليًا استعدادًا للنسخ.

جربها

يقوم عالم بتقسيم محفز حقيقيات النوى أمام الجين البكتيري وإدخال الجين في كروموسوم بكتيري. هل تتوقع أن تقوم البكتيريا بنسخ الجين؟

يشتمل جينوم الفأر على جين واحد واثنين من الجينات الكاذبة للثيميدين كيناز السيتوبلازمي. الجينات الكاذبة هي الجينات التي فقدت قدرتها على ترميز البروتين أو لم تعد الخلية تعبر عنها. يتم نسخ هذه الجينات الكاذبة من mRNA ودمجها في الكروموسوم. على سبيل المثال ، يحتوي مروج ثيميدين كيناز بالماوس أيضًا على صندوق CAAT محفوظ (GGCCAATCT) عند -80 تقريبًا. هذا التسلسل ضروري ويشارك في عوامل النسخ الملزمة. علاوة على ذلك ، قد تحتوي المحفزات حقيقية النواة على صندوق واحد أو أكثر من الصناديق الغنية بالـ GC (GGCG) أو الصناديق الثمانية (ATTTGCAT). ترتبط هذه العناصر بالعوامل الخلوية التي تزيد من كفاءة بدء النسخ وغالبًا ما يتم تحديدها في الجينات "النشطة" التي يتم التعبير عنها باستمرار بواسطة الخلية.

عوامل النسخ لـ RNA Polymerase II

لا ينتهي تعقيد النسخ حقيقيات النوى بالبوليميراز والمُروّجات. يساعد أيضًا جيش من عوامل النسخ القاعدية والمحسّنات وكواتم الصوت في تنظيم التكرار الذي يتم من خلاله تصنيع ما قبل الرنا المرسال من الجين. تؤثر المعززات وكواتم الصوت على كفاءة النسخ ولكنها ليست ضرورية لمواصلة النسخ. تعتبر عوامل النسخ القاعدية حاسمة في تكوين مركب مسبق على قالب الحمض النووي الذي يجند لاحقًا RNA polymerase II لبدء النسخ.

تبدأ أسماء عوامل النسخ القاعدية بـ “TFII” (هذا هو عامل النسخ لـ RNA polymerase II) ويتم تحديدها بالأحرف A –J. تقع عوامل النسخ بشكل منهجي في مكانها في قالب الحمض النووي ، حيث يعمل كل عامل على زيادة استقرار مجمع ما قبل الإنجاز والمساهمة في توظيف RNA polymerase II.

تتضمن عمليات إحضار بوليميرا RNA الأول والثالث إلى قالب الحمض النووي مجموعات أقل تعقيدًا من عوامل النسخ ، لكن الموضوع العام هو نفسه. النسخ حقيقيات النوى هو عملية منظمة بإحكام تتطلب مجموعة متنوعة من البروتينات للتفاعل مع بعضها البعض ومع حبلا الحمض النووي. على الرغم من أن عملية النسخ في حقيقيات النوى تنطوي على استثمار أيضي أكبر من بدائيات النوى ، إلا أنها تضمن أن تقوم الخلية بنسخ ما قبل mRNAs التي تحتاجها لتخليق البروتين.

تطور المروجين

قد يكون تطور الجينات مفهومًا مألوفًا. يمكن أن تحدث الطفرات في الجينات أثناء تكرار الحمض النووي ، وقد تكون النتيجة مفيدة للخلية وقد لا تكون كذلك. من خلال تغيير إنزيم أو بروتين هيكلي أو بعض العوامل الأخرى ، يمكن لعملية الطفرة أن تحول الوظائف أو السمات الفيزيائية. ومع ذلك ، قد تتطور أيضًا محفزات حقيقيات النوى والتسلسلات التنظيمية الأخرى للجينات. على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك الجين الذي ، على مدى عدة أجيال ، يصبح أكثر قيمة للخلية. ربما يقوم الجين بتشفير البروتين البنيوي الذي تحتاجه الخلية لتكوينه بكثرة لوظيفة معينة. إذا كان هذا هو الحال ، فسيكون من المفيد للخلية لمحفز ذلك الجين أن يقوم بتجنيد عوامل النسخ بشكل أكثر كفاءة وزيادة التعبير الجيني.

أبلغ العلماء الذين يفحصون تطور تسلسل المحفز عن نتائج متباينة. يرجع هذا جزئيًا إلى صعوبة استنتاج المكان الذي يبدأ فيه محفز حقيقيات النوى بالضبط وينتهي. تحدث بعض المحفزات داخل الجينات ؛ يقع البعض الآخر بعيدًا جدًا عن الجينات التي تنظمها ، أو حتى في اتجاه مجرى النهر. ومع ذلك ، عندما قصر الباحثون فحصهم على متواليات المحفز الأساسية البشرية التي تم تعريفها تجريبياً على أنها متواليات تربط معقد ما قبل البدء ، وجدوا أن المحفزات تتطور بشكل أسرع من الجينات المشفرة للبروتين.

لا يزال من غير الواضح كيف يمكن أن يتوافق تطور المروج مع تطور البشر أو الكائنات الحية الأعلى الأخرى. ومع ذلك ، فإن تطور المروج لإنتاج أكثر أو أقل من منتج جيني معين هو بديل مثير للاهتمام لتطور الجينات نفسها.

الهياكل المروجة لبوليميراز RNA الأول والثالث

في حقيقيات النوى ، تختلف عناصر المروج المحفوظة للجينات المنسوخة بواسطة بوليميرات RNA الأول والثاني والثالث. RNA polymerase I ينسخ الجينات التي لها تسلسلان محفزان غنيان بالـ GC في منطقة -45 إلى +20. هذه التسلسلات وحدها كافية لحدوث بدء النسخ ، لكن المحفزات ذات التسلسلات الإضافية في المنطقة من -180 إلى -105 في بداية موقع البدء ستعزز البدء بشكل أكبر. الجينات التي يتم نسخها بواسطة RNA polymerase III لها محفزات أو محفزات أولية تحدث داخل الجينات نفسها.

استطالة وإنهاء حقيقيات النوى

بعد تكوين معقد ما قبل الاستنشاق ، يتم تحرير البوليميراز من عوامل النسخ الأخرى ، ويسمح للاستطالة بالمضي قدمًا كما هو الحال في بدائيات النوى مع توليف البوليميراز pre-mRNA في اتجاه 5 إلى 3. كما تمت مناقشته سابقًا ، يقوم RNA polymerase II بنسخ الحصة الرئيسية من الجينات حقيقية النواة ، لذلك سيركز هذا القسم على كيفية تحقيق هذا البوليميراز للاستطالة والإنهاء.

على الرغم من أن عملية الاستطالة الأنزيمية هي نفسها بشكل أساسي في حقيقيات النوى وبدائيات النوى ، فإن قالب الحمض النووي أكثر تعقيدًا. عندما لا تنقسم الخلايا حقيقية النواة ، توجد جيناتها ككتلة منتشرة من الحمض النووي والبروتينات التي تسمى الكروماتين. يتم حزم الحمض النووي بإحكام حول بروتينات هيستون المشحونة على فترات متكررة. يتم تباعد معقدات الدنا هيستون هذه ، والتي تسمى مجتمعة النيوكليوسومات ، بانتظام وتتضمن 146 نيوكليوتيد من الحمض النووي ملفوفًا حول ثمانية هيستون مثل الخيط حول بكرة.

لكي يحدث تخليق عديد النوكليوتيد ، تحتاج آلية النسخ إلى تحريك الهيستونات بعيدًا عن الطريق في كل مرة تواجه فيها جسيمًا نوويًا. يتم تحقيق ذلك من خلال مركب بروتيني خاص يسمى FACT ، والذي يرمز إلى "تسهيل نسخ الكروماتين". يسحب هذا المركب الهيستونات بعيدًا عن قالب الحمض النووي بينما يتحرك البوليميراز على طوله. بمجرد تصنيع ما قبل mRNA ، يحل مجمع FACT محل الهستونات لإعادة تكوين الجسيمات النووية.

يختلف إنهاء النسخ باختلاف البوليميرات. على عكس بدائيات النوى ، فإن الاستطالة بواسطة بوليميريز RNA في حقيقيات النوى تحدث 1000-2000 نيوكليوتيد بعد نهاية الجين الذي يتم نسخه. تتم إزالة هذا الذيل pre-mRNA لاحقًا عن طريق الانقسام أثناء معالجة mRNA. من ناحية أخرى ، تتطلب بوليميرا RNA الأول والثالث إشارات إنهاء. تحتوي الجينات التي تم نسخها بواسطة RNA polymerase I على تسلسل محدد من 18 نيوكليوتيد يتم التعرف عليه بواسطة بروتين إنهاء. تتضمن عملية الإنهاء في RNA polymerase III دبوس شعر mRNA مشابه لإنهاء النسخ المستقل عن rho في بدائيات النوى.

ملخص القسم

يتضمن النسخ في حقيقيات النوى واحدًا من ثلاثة أنواع من البوليميرات ، اعتمادًا على الجين الذي يتم نسخه. يقوم RNA polymerase II بنسخ جميع جينات ترميز البروتين ، بينما يقوم RNA polymerase I بنسخ جينات rRNA ، وينسخ RNA polymerase III جينات rRNA و tRNA وجينات RNA النووية الصغيرة. يتضمن بدء النسخ في حقيقيات النوى ربط العديد من عوامل النسخ بتسلسلات المحفز المعقدة التي توجد عادةً في الجزء العلوي من الجين الذي يتم نسخه. يتم تصنيع mRNA في اتجاه 5 إلى 3 ، ويتحرك مجمع FACT ويعيد تجميع الجسيمات النووية مع مرور البوليميراز. في حين أن بوليميرا RNA الأول والثالث ينهي النسخ عن طريق طرق تعتمد على البروتين أو الحمض النووي الريبي ، فإن RNA polymerase II ينسخ 1000 أو أكثر من النيوكليوتيدات خارج القالب الجيني ويقطع الفائض أثناء معالجة ما قبل mRNA.

تم استبعاد عنصر التقييمات المفتوحة من هذا الإصدار من النص. يمكنك مشاهدته عبر الإنترنت هنا: pb.libretexts.org/fob2/؟p=158

سؤال فحص ذاتي إضافي

1. يقوم عالم بتقسيم محفز حقيقي النواة أمام جين بكتيري وإدخال الجين في كروموسوم بكتيري. هل تتوقع أن تقوم البكتيريا بنسخ الجين؟

إجابة

1. لا. تستخدم بدائيات النوى محفزات مختلفة عن حقيقيات النوى.

جربها

صندوق CAAT: (GGCCAATCT) تسلسل محفز حقيقي النواة أساسي متضمن في عوامل النسخ الملزمة

حقيقة: المعقد الذي "يسهل نسخ الكروماتين" عن طريق تفكيك النيوكليوسومات قبل نسخ بوليميريز RNA الثاني وإعادة تجميعها بعد مرور البوليميراز

صندوق GC-rich: (GGCG) تسلسل محفز حقيقي النواة غير أساسي يربط العوامل الخلوية لزيادة كفاءة النسخ ؛ قد تكون موجودة عدة مرات في المروج

صندوق أوكتامر: (ATTTGCAT) تسلسل محفز حقيقي النواة غير ضروري يربط العوامل الخلوية لزيادة كفاءة النسخ ؛ قد تكون موجودة عدة مرات في المروج

مجمع preinitiation: مجموعة من عوامل النسخ والبروتينات الأخرى التي توظف RNA polymerase II لنسخ قالب DNA

RNA نووي صغير: الجزيئات التي تم تصنيعها بواسطة RNA polymerase III التي لها مجموعة متنوعة من الوظائف ، بما في ذلك التضفير pre-mRNAs وتنظيم عوامل النسخ


12.4: النسخ حقيقيات النوى - علم الأحياء

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على:

  • قائمة الخطوات في النسخ حقيقية النواة
  • ناقش دور بوليميراز الرنا في النسخ
  • قارن وقارن بين بوليميرات الرنا الثلاثة
  • اشرح أهمية عوامل النسخ

تؤدي بدائيات النوى وحقيقيات النوى في الأساس نفس عملية النسخ ، مع بعض الاختلافات الرئيسية. الاختلاف الأكثر أهمية بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى هو النواة والعضيات المرتبطة بالغشاء الأخير. مع ارتباط الجينات بالنواة ، يجب أن تكون الخلية حقيقية النواة قادرة على نقل mRNA الخاص بها إلى السيتوبلازم ويجب أن تحمي mRNA الخاص بها من التدهور قبل ترجمتها. تستخدم حقيقيات النوى أيضًا ثلاثة أنواع مختلفة من البوليميرات التي يقوم كل منها بنسخ مجموعة فرعية مختلفة من الجينات. عادة ما تكون mRNAs حقيقية النواة أحادية المنشأ ، مما يعني أنها تحدد بروتينًا واحدًا.


تعتبر ميزات تخليق الرنا المرسال حقيقية النواة أكثر تعقيدًا بشكل ملحوظ من تلك الموجودة في بدائيات النوى. بدلاً من بوليميراز واحد يشتمل على خمس وحدات فرعية ، تحتوي حقيقيات النوى على ثلاثة بوليميرات يتكون كل منها من 10 وحدات فرعية أو أكثر. يتطلب كل بوليميراز حقيقي النواة أيضًا مجموعة مميزة من عوامل النسخ لإحضاره إلى قالب الحمض النووي.

يقع RNA polymerase I في النواة ، وهي بنية أساسية نووية متخصصة يتم فيها نسخ RNA الريبوسومي (rRNA) ومعالجته وتجميعه في ريبوسومات ([رابط]). تعتبر جزيئات الرنا الريباسي RNAs بنيوية لأن لها دورًا خلويًا ولكن لا تترجم إلى بروتين. الرنا الريباسي هي مكونات الريبوسوم وهي ضرورية لعملية الترجمة. يقوم بوليميريز الحمض النووي الريبي بتجميع جميع الرنا الريباسي باستثناء جزيء الرنا الريباسي 5S. ينطبق التعيين "S" على وحدات "Svedberg" ، وهي قيمة غير إضافية تميز السرعة التي تترسب بها الجسيمات أثناء الطرد المركزي.

مواقع ومنتجات وحساسيات بوليميراز الحمض النووي الريبي حقيقية النواة الثلاثة
بوليميراز الحمض النووي الريبي مقصورة خلوية نتاج النسخ حساسية α-Amanitin
أنا النواة جميع الرنا الريباسي باستثناء الرنا الريباسي 5S غير حساس
II نواة جميع ما قبل الرنا المرسال النووي المشفر للبروتين حساسة للغاية
ثالثا نواة 5S rRNA و tRNAs و RNAs النووية الصغيرة حساس إلى حد ما

يقع RNA polymerase II في النواة ويقوم بتوليف جميع وحدات pre-mRNAs النووية المشفرة للبروتين. تخضع حقيقيات النوى pre-mRNAs لمعالجة مكثفة بعد النسخ ولكن قبل الترجمة. من أجل الوضوح ، ستستخدم مناقشة هذه الوحدة للنسخ والترجمة في حقيقيات النوى مصطلح "mRNAs" لوصف الجزيئات الناضجة والمعالجة الجاهزة للترجمة فقط. RNA polymerase II مسؤول عن نسخ الغالبية العظمى من الجينات حقيقية النواة.

يقع RNA polymerase III أيضًا في النواة. هذا البوليميراز ينسخ مجموعة متنوعة من RNAs الهيكلية التي تشمل 5S pre-rRNAs ، و Pre-RNAs (pre-tRNAs) ، و Pre-RNAs الصغيرة. تلعب الحمض الريبي النووي النقال دورًا مهمًا في الترجمة ، فهي تعمل كجزيئات محول بين قالب الرنا المرسال وسلسلة البولي ببتيد المتنامية. تمتلك RNAs النووية الصغيرة مجموعة متنوعة من الوظائف ، بما في ذلك "splicing" pre-mRNAs وتنظيم عوامل النسخ.

يمكن للعالم الذي يميز الجين الجديد تحديد البوليميراز الذي ينسخه عن طريق اختبار ما إذا كان الجين يتم التعبير عنه في وجود سم معين للفطر ، وهو α-amanitin ([رابط]). ومن المثير للاهتمام أن α-amanitin أنتج بواسطة أمانيتا فالويدسيؤثر فطر قبعة الموت على البوليميرات الثلاثة بشكل مختلف تمامًا. إن بوليميريز RNA غير حساس تمامًا لـ α-amanitin ، مما يعني أن البوليميراز يمكنه نسخ الحمض النووي في المختبر في وجود هذا السم. في المقابل ، فإن RNA polymerase II حساس للغاية لـ α-amanitin ، و RNA polymerase III حساس بشكل معتدل. إن معرفة البوليميراز الناسخ يمكن أن يرشد الباحث إلى الوظيفة العامة للجين الذي تتم دراسته. نظرًا لأن RNA polymerase II ينسخ الغالبية العظمى من الجينات ، فسوف نركز على هذا البوليميراز في مناقشاتنا اللاحقة حول عوامل النسخ والمحفزات حقيقية النواة.


حقيقيات النوى مرنا

الائتمان: Kelvinsong (CC-BY-3.0)
غالبًا ما تحتوي جينات حقيقيات النوى الإنترونات (التسلسلات غير المشفرة) المنقسمة من ملف exons (تسلسل الترميز). يسمح هذا التعقيد بتنوع متزايد من المنتجات الجينية. ناضجة حقيقية النواة mRNAs conatins a 5 & # 8242-methyl-Guanine متبوعًا بتسلسل زعيم غير مترجم ( 5 & ​​# 8242-UTR ) ، تسلسل الترميز ( أقراص مدمجة ) ، منطقة 3 & # 8242-غير مترجمة ( 3 & # 8242-UTR ) وامتداد طويل من Adenines (ذيل polyA).


يتم قياس التعبير بسهولة باستخدام RNA نظرًا لأن معالجة الحمض النووي بسيطة إلى حد ما باستخدام 4 نيوكليوتيدات مختلفة. في حقيقيات النوى ، يحتوي الرنا المرسال (mRNA) الوسيط الذي يتم نسخه من الحمض النووي على ذيل بولي أ يستخدم لفصل هذه الرسائل عن الأنواع الأخرى من الحمض النووي الريبي المتوفر داخل الخلايا (مثل الحمض النووي الريبي الريبوزومي). من خلال استخدام انزيم يسمى النسخ العكسي (RT) والبادئات المكونة من deoxy-Thymidines ( oligo-dT أو dT18) ، يمكن تحويل mRNA إلى خيط واحد من الحمض النووي مكمل لـ mRNA. يسمى هذا الحمض النووي المكمل كدنا . [كدنا] مستقر جدا بالمقارنة مع mRNA شديد التقلب ويستخدم للمعالجة اللاحقة.

عن


هذا الموقع يديره جيريمي سيتو. اتصل بـ jseto [at] citytech.cuny.edu بخصوص التصحيحات أو التعليقات. تصميم صورة البانر بواسطة جيريمي سيتو من الصور الأصلية والملكية العامة. الصور المخصصة من هذا الموقع موجودة على https://github.com/jeremyseto/bio-oer.


استطالة وإنهاء حقيقيات النوى

بعد تكوين مركب preinitiation ، يتم تحرير البوليميراز من عوامل النسخ الأخرى ، ويسمح للاستطالة بالاستمرار كما هو الحال في بدائيات النوى مع توليف البوليميراز pre-mRNA في اتجاه 5 'إلى 3'. كما تمت مناقشته سابقًا ، يقوم RNA polymerase II بنسخ الحصة الرئيسية من الجينات حقيقية النواة ، لذلك سيركز هذا القسم على كيفية تحقيق هذا البوليميراز للاستطالة والإنهاء.

على الرغم من أن عملية الاستطالة الأنزيمية هي نفسها في حقيقيات النوى وبدائيات النوى ، إلا أن قالب الحمض النووي أكثر تعقيدًا. عندما لا تنقسم الخلايا حقيقية النواة ، توجد جيناتها ككتلة منتشرة من الحمض النووي والبروتينات التي تسمى الكروماتين. يتم حزم الحمض النووي بإحكام حول بروتينات هيستون المشحونة على فترات متكررة. يتم تباعد معقدات الدنا هيستون هذه ، والتي تسمى مجتمعة النيوكليوسومات ، بانتظام وتتضمن 146 نيوكليوتيد من الحمض النووي ملفوفًا حول ثمانية هيستون مثل الخيط حول بكرة.

لكي يحدث تخليق عديد النوكليوتيد ، تحتاج آلية النسخ إلى تحريك الهيستونات بعيدًا عن الطريق في كل مرة تواجه فيها جسيمًا نوويًا. يتم تحقيق ذلك من خلال مركب بروتيني خاص يسمى FACT ، والذي يرمز إلى "تسهيل نسخ الكروماتين". يسحب هذا المركب الهيستونات بعيدًا عن قالب الحمض النووي بينما يتحرك البوليميراز على طوله. بمجرد تصنيع ما قبل mRNA ، يحل مجمع FACT محل الهستونات لإعادة تكوين الجسيمات النووية.

يختلف إنهاء النسخ باختلاف البوليميرات. على عكس بدائيات النوى ، فإن الاستطالة بواسطة بوليميريز RNA في حقيقيات النوى تحدث 1000-2000 نيوكليوتيد بعد نهاية الجين الذي يتم نسخه. تتم إزالة هذا الذيل pre-mRNA لاحقًا عن طريق الانقسام أثناء معالجة mRNA. من ناحية أخرى ، تتطلب بوليمرات الرنا الأول والثالث إشارات إنهاء. تحتوي الجينات التي تم نسخها بواسطة RNA polymerase I على تسلسل محدد من 18 نيوكليوتيد يتم التعرف عليه بواسطة بروتين إنهاء. تتضمن عملية الإنهاء في RNA polymerase III دبوس شعر mRNA مشابه لإنهاء النسخ المستقل عن rho في بدائيات النوى.


15.3 النسخ حقيقيات النوى

في هذا القسم سوف تستكشف الأسئلة التالية:

  • ما هي خطوات نسخ حقيقيات النوى؟
  • ما هي أوجه التشابه والاختلاف الهيكلية والوظيفية بين بوليميرات الحمض النووي الريبي الثلاثة؟

اتصال لدورات AP ®

كما هو متوقع ، يعد النسخ في حقيقيات النوى أكثر تعقيدًا من النسخ في بدائيات النوى. أولاً ، يتضمن النسخ في حقيقيات النوى واحدًا من ثلاثة أنواع من بوليميريز الحمض النووي الريبي ، اعتمادًا على الجين الذي يتم نسخه. ثانيًا ، يتضمن بدء النسخ ربط العديد من عوامل النسخ بمحفزات معقدة توجد عادةً في الجزء العلوي من الجين الذي يتم نسخه. يمكن لعوامل النسخ إما تنشيط أو تثبيط التعبير الجيني. يتضمن إنهاء النسخ بوليميرات الحمض النووي الريبي.

المعلومات المقدمة والأمثلة الموضحة في القسم تدعم المفاهيم الموضحة في الفكرة الكبيرة 3 من إطار منهج علم الأحياء AP ®. توفر أهداف التعلم المدرجة في إطار المناهج الدراسية أساسًا شفافًا لدورة AP ® Biology ، وتجربة معملية قائمة على الاستفسار ، وأنشطة تعليمية ، وأسئلة اختبار AP ®. يدمج هدف التعلم المحتوى المطلوب مع واحد أو أكثر من الممارسات العلمية السبعة.

فكرة كبيرة 3 تقوم الأنظمة الحية بتخزين المعلومات الأساسية لعمليات الحياة واستردادها ونقلها والاستجابة لها.
التفاهم الدائم 3 توفر المعلومات القابلة للتوريث استمرارية الحياة.
المعرفة الأساسية 3-أ 1 الحمض النووي ، وفي بعض الحالات RNA ، هو المصدر الأساسي للمعلومات القابلة للتوريث.
ممارسة العلوم 6.5 يمكن للطالب تقييم التفسيرات العلمية البديلة.
هدف التعلم 3.1 الطالب قادر على بناء تفسيرات علمية تستخدم هياكل وآليات DNA و RNA لدعم الادعاء بأن DNA ، وفي بعض الحالات ، أن RNA هي المصادر الأساسية للمعلومات القابلة للتوريث.

دعم المعلم

اسأل الطلاب عما إذا كانوا يتوقعون أن يكون النسخ مختلفًا في حقيقيات النوى. اطلب من الطلاب شرح إجاباتهم. راجع الفرق الرئيسي بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى ، وجود النواة.

اشرح أن العملية تتبع نفس الترتيب العام ، ولكن هناك اختلافات كبيرة. إن بدء النسخ في حقيقيات النوى أكثر تعقيدًا. توجد الرنا المرسال متعدد الكريات في حقيقيات النوى على الرغم من ندرة وجودها. ذكِّر الطلاب ، إن أمكن ، بأنهم واجهوا عوامل النسخ النووي عند دراسة الإشارات الخلوية. أشر إلى الدور المفيد لـ α-amanitin في التفريق بين بوليميرات RNA. ذكر الطلاب أن المنتج النهائي للجين يمكن أن يكون جزيء RNA ، على سبيل المثال جزيء rRNA ، أو متعدد الببتيد.

اطلب من الطلاب إعداد جدول زمني للنسخ في حقيقيات النوى ومقارنته بالجدول الزمني للنسخ في بدائيات النوى. قم بتعليم الطلاب طريقة بسيطة لتذكر ملفات انترالإضافات (في ال آرالرماد) والتي هي السابقالإضافات (السابقضغط).

بوليميرات الحمض النووي الريبي في بدائيات النوى وحقيقيات النوى لها نفس الوظائف العامة ومع ذلك ، فهي إنزيمات مختلفة. لا يعكس ترقيم بوليميرات الحمض النووي الريبي في حقيقيات النوى ترتيب النشاط. Polymerase هو أفضل بوليميراز تمت دراسته ، لأنه ينسخ mRNA.

يحدث تجمع الريبوسوم في النواة مما يعني أن البروتينات الريبوسومية يتم تصنيعها في السيتوبلازم وإعادة دخول النواة.

تحتوي أسئلة تحدي ممارسة العلوم على أسئلة اختبار إضافية لهذا القسم والتي ستساعدك على التحضير لامتحان AP. تتناول هذه الأسئلة المعايير التالية:
[APLO 3.3] [APLO 3.22] [APLO 2.36] [APLO 1.14] [APLO 2.22] [APLO 4.5]

تؤدي بدائيات النوى وحقيقيات النوى في الأساس نفس عملية النسخ ، مع بعض الاختلافات الرئيسية. الاختلاف الأكثر أهمية بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى هو النواة والعضيات المرتبطة بالغشاء الأخير. مع ارتباط الجينات بالنواة ، يجب أن تكون الخلية حقيقية النواة قادرة على نقل mRNA الخاص بها إلى السيتوبلازم ويجب أن تحمي mRNA الخاص بها من التدهور قبل ترجمتها. تستخدم حقيقيات النوى أيضًا ثلاثة أنواع مختلفة من البوليميرات التي يقوم كل منها بنسخ مجموعة فرعية مختلفة من الجينات. عادة ما تكون mRNAs حقيقية النواة أحادية المنشأ ، مما يعني أنها تحدد بروتينًا واحدًا.

بدء النسخ في حقيقيات النوى

على عكس البلمرة بدائية النواة التي يمكن أن ترتبط بقالب الحمض النووي من تلقاء نفسها ، تتطلب حقيقيات النوى عدة بروتينات أخرى ، تسمى عوامل النسخ ، للارتباط أولاً بمنطقة المروج ومن ثم المساعدة في تجنيد البوليميراز المناسب.

ثلاثة بوليميرات الحمض النووي الريبي حقيقية النواة

تعتبر ميزات تخليق الرنا المرسال حقيقية النواة أكثر تعقيدًا بشكل ملحوظ من تلك الموجودة في بدائيات النوى. بدلاً من بوليميراز واحد يشتمل على خمس وحدات فرعية ، تحتوي حقيقيات النوى على ثلاثة بوليميرات يتكون كل منها من 10 وحدات فرعية أو أكثر. يتطلب كل بوليميراز حقيقي النواة أيضًا مجموعة مميزة من عوامل النسخ لإحضاره إلى قالب الحمض النووي.

يقع RNA polymerase I في النواة ، وهي بنية أساسية نووية متخصصة يتم فيها نسخ RNA الريبوسومي (rRNA) ومعالجته وتجميعه في ريبوسومات (الجدول 15.1). تعتبر جزيئات الرنا الريباسي RNAs بنيوية لأن لها دورًا خلويًا ولكن لا تترجم إلى بروتين. إن الرنا الريباسي هي مكونات الريبوسوم وهي ضرورية لعملية الترجمة. يقوم بوليميريز الحمض النووي الريبي بتجميع جميع الرنا الريباسي باستثناء جزيء الرنا الريباسي 5S. ينطبق التعيين "S" على وحدات "Svedberg" ، وهي قيمة غير إضافية تميز السرعة التي تترسب بها الجسيمات أثناء الطرد المركزي.

بوليميراز الحمض النووي الريبي مقصورة خلوية نتاج النسخ حساسية α-Amanitin
أنا النواة جميع الرنا الريباسي باستثناء الرنا الريباسي 5S غير حساس
II نواة جميع ما قبل الرنا المرسال النووي المشفر للبروتين حساسة للغاية
ثالثا نواة 5S rRNA و tRNAs و RNAs النووية الصغيرة حساس إلى حد ما

يقع RNA polymerase II في النواة ويقوم بتوليف جميع وحدات pre-mRNAs النووية المشفرة للبروتين. تخضع حقيقيات النوى pre-mRNAs لمعالجة مكثفة بعد النسخ ولكن قبل الترجمة. من أجل الوضوح ، ستستخدم مناقشة هذه الوحدة للنسخ والترجمة في حقيقيات النوى مصطلح "mRNAs" لوصف الجزيئات الناضجة والمعالجة الجاهزة للترجمة فقط. RNA polymerase II مسؤول عن نسخ الغالبية العظمى من الجينات حقيقية النواة.

يقع RNA polymerase III أيضًا في النواة. هذا البوليميراز ينسخ مجموعة متنوعة من RNAs الهيكلية التي تشمل 5S pre-rRNAs ، و Pre-RNAs (pre-tRNAs) ، و Pre-RNAs الصغيرة. تلعب الحمض الريبي النووي النقال دورًا حاسمًا في الترجمة حيث تعمل كجزيئات محول بين قالب الرنا المرسال وسلسلة البولي ببتيد المتنامية. تمتلك RNAs النووية الصغيرة مجموعة متنوعة من الوظائف ، بما في ذلك "splicing" pre-mRNAs وتنظيم عوامل النسخ.

يمكن للعالم الذي يميز جينًا جديدًا تحديد البوليميراز الذي ينسخه عن طريق اختبار ما إذا كان الجين يتم التعبير عنه في وجود سم معين للفطر ، وهو α-amanitin (الجدول 15.1). ومن المثير للاهتمام أن α-amanitin أنتج بواسطة أمانيتا فالويدسيؤثر فطر قبعة الموت على البوليميرات الثلاثة بشكل مختلف تمامًا. إن بوليميريز RNA غير حساس تمامًا لـ α-amanitin ، مما يعني أن البوليميراز يمكنه نسخ الحمض النووي في المختبر في وجود هذا السم. في المقابل ، فإن RNA polymerase II حساس للغاية لـ α-amanitin ، و RNA polymerase III حساس بشكل معتدل. إن معرفة البوليميراز الناسخ يمكن أن يرشد الباحث إلى الوظيفة العامة للجين الذي تتم دراسته. نظرًا لأن RNA polymerase II ينسخ الغالبية العظمى من الجينات ، فسوف نركز على هذا البوليميراز في مناقشاتنا اللاحقة حول عوامل النسخ والمحفزات حقيقية النواة.

هيكل مروج RNA Polymerase II

محفزات حقيقيات النوى أكبر بكثير وأكثر تعقيدًا من المروجين بدائية النواة ، لكن كلاهما يحتوي على صندوق TATA. على سبيل المثال ، في جين ثيميدين كيناز بالماوس ، يوجد صندوق TATA في حوالي -30 بالنسبة إلى موقع البدء (+1) (الشكل 15.10). بالنسبة لهذا الجين ، فإن تسلسل مربع TATA الدقيق هو TATAAAA ، كما هو مقروء في اتجاه 5 'إلى 3' على الشريط غير المصقول. هذا التسلسل لا يتطابق مع بكتريا قولونية مربع TATA ، لكنه يحافظ على عنصر A – T الغني. الثبات الحراري لروابط A-T منخفض وهذا يساعد قالب الحمض النووي على الاسترخاء محليًا استعدادًا للنسخ.

اتصال مرئي

  1. في البداية ، لن تقوم البكتيريا بنسخها ، ولكنها ستنسخها بعد تغطية 5 بوصات.
  2. لن يقوم بنسخها لأنه لا يوجد ذيل بولي في بدائيات النوى.
  3. لا ، تستخدم بدائيات النوى محفزات مختلفة عن حقيقيات النوى.
  4. نعم ، تقوم البكتيريا بنسخ الجين حقيقيات النوى.

يتضمن جينوم الفأر جينًا واحدًا واثنين من الجينات الكاذبة للثيميدين كيناز السيتوبلازمي. الجينات الكاذبة هي الجينات التي فقدت قدرتها على ترميز البروتين أو لم تعد الخلية تعبر عنها. يتم نسخ هذه الجينات الكاذبة من mRNA ودمجها في الكروموسوم. على سبيل المثال ، يحتوي مروج ثيميدين كيناز بالماوس أيضًا على صندوق CAAT محفوظ (GGCCAATCT) عند -80 تقريبًا. هذا التسلسل ضروري ويشارك في عوامل النسخ الملزمة. علاوة على ذلك ، قد تحتوي المحفزات حقيقية النواة على صندوق واحد أو أكثر من الصناديق الغنية بالـ GC (GGCG) أو الصناديق الثمانية (ATTTGCAT). ترتبط هذه العناصر بالعوامل الخلوية التي تزيد من كفاءة بدء النسخ وغالبًا ما يتم تحديدها في الجينات "النشطة" التي يتم التعبير عنها باستمرار بواسطة الخلية.

عوامل النسخ لـ RNA Polymerase II

لا ينتهي تعقيد النسخ حقيقيات النوى بالبوليميراز والمُروّجات. يساعد أيضًا جيش من عوامل النسخ القاعدية والمحسّنات وكواتم الصوت في تنظيم التكرار الذي يتم من خلاله تصنيع ما قبل الرنا المرسال من الجين. تؤثر المعززات وكواتم الصوت على كفاءة النسخ ولكنها ليست ضرورية لمواصلة النسخ. تعتبر عوامل النسخ القاعدية حاسمة في تكوين مركب مسبق على قالب الحمض النووي الذي يجند لاحقًا RNA polymerase II لبدء النسخ.

تبدأ أسماء عوامل النسخ القاعدية بـ “TFII” (هذا هو عامل النسخ لـ RNA polymerase II) ويتم تحديدها بالأحرف A –J. تقع عوامل النسخ بشكل منهجي في مكانها في قالب الحمض النووي ، حيث يعمل كل عامل على زيادة استقرار مجمع ما قبل الإنجاز والمساهمة في توظيف RNA polymerase II.

تتضمن عمليات إحضار بوليميرا RNA الأول والثالث إلى قالب الحمض النووي مجموعات أقل تعقيدًا من عوامل النسخ ، لكن الموضوع العام هو نفسه. النسخ حقيقيات النوى هو عملية منظمة بإحكام تتطلب مجموعة متنوعة من البروتينات للتفاعل مع بعضها البعض ومع حبلا الحمض النووي. على الرغم من أن عملية النسخ في حقيقيات النوى تنطوي على استثمار أيضي أكبر من بدائيات النوى ، إلا أنها تضمن أن تقوم الخلية بنسخ ما قبل mRNAs التي تحتاجها لتخليق البروتين.

Everyday Connection for AP® Courses

During human embryonic development, a transcription factor encoded by the SRY gene starts a chain of events, causing the embryo to develop male sex characteristics. This gene is on the Y chromosome in humans and many other mammals. A deletion or mutation of the SRY gene can cause the human embryo to not develop into a male even though the individual has an XY genotype, a condition called Swyer syndrome.

  1. A mutation that abolished activity of SF1 would increase the effect of a SRY mutation, making the person more feminine.
  2. A mutation that abolished activity of SF1 would cancel out a mutation in SRY, so if both mutations occur together male sex characteristics would develop normally.
  3. A mutation in the SRY protein that abolished activity would result in abnormal development of male sex characteristics but a mutation of SF1 would not.
  4. Both a mutation in the SRY protein and a mutation in SF1 that abolished activity would result in a lack of development of male sex characteristics.

اتصال التطور

The Evolution of Promoters

The evolution of genes may be a familiar concept. Mutations can occur in genes during DNA replication, and the result may or may not be beneficial to the cell. By altering an enzyme, structural protein, or some other factor, the process of mutation can transform functions or physical features. However, eukaryotic promoters and other gene regulatory sequences may evolve as well. For instance, consider a gene that, over many generations, becomes more valuable to the cell. Maybe the gene encodes a structural protein that the cell needs to synthesize in abundance for a certain function. If this is the case, it would be beneficial to the cell for that gene’s promoter to recruit transcription factors more efficiently and increase gene expression.

Scientists examining the evolution of promoter sequences have reported varying results. In part, this is because it is difficult to infer exactly where a eukaryotic promoter begins and ends. Some promoters occur within genes others are located very far upstream, or even downstream, of the genes they are regulating. However, when researchers limited their examination to human core promoter sequences that were defined experimentally as sequences that bind the preinitiation complex, they found that promoters evolve even faster than protein-coding genes.

It is still unclear how promoter evolution might correspond to the evolution of humans or other higher organisms. However, the evolution of a promoter to effectively make more or less of a given gene product is an intriguing alternative to the evolution of the genes themselves. 1

  1. core promoters that bind the preinitiation complex
  2. core promoters that occur within genes
  3. promoters that occur far upstream of the gene
  4. promoters that occur downstream of a gene

Promoter Structures for RNA Polymerases I and III

In eukaryotes, the conserved promoter elements differ for genes transcribed by RNA polymerases I, II, and III. RNA polymerase I transcribes genes that have two GC-rich promoter sequences in the -45 to +20 region. These sequences alone are sufficient for transcription initiation to occur, but promoters with additional sequences in the region from -180 to -105 upstream of the initiation site will further enhance initiation. Genes that are transcribed by RNA polymerase III have upstream promoters or promoters that occur within the genes themselves.

Eukaryotic Elongation and Termination

Following the formation of the preinitiation complex, the polymerase is released from the other transcription factors, and elongation is allowed to proceed as it does in prokaryotes with the polymerase synthesizing pre-mRNA in the 5' to 3' direction. As discussed previously, RNA polymerase II transcribes the major share of eukaryotic genes, so this section will focus on how this polymerase accomplishes elongation and termination.

Although the enzymatic process of elongation is essentially the same in eukaryotes and prokaryotes, the DNA template is more complex. When eukaryotic cells are not dividing, their genes exist as a diffuse mass of DNA and proteins called chromatin. The DNA is tightly packaged around charged histone proteins at repeated intervals. These DNA–histone complexes, collectively called nucleosomes, are regularly spaced and include 146 nucleotides of DNA wound around eight histones like thread around a spool.

For polynucleotide synthesis to occur, the transcription machinery needs to move histones out of the way every time it encounters a nucleosome. This is accomplished by a special protein complex called FACT , which stands for “facilitates chromatin transcription.” This complex pulls histones away from the DNA template as the polymerase moves along it. Once the pre-mRNA is synthesized, the FACT complex replaces the histones to recreate the nucleosomes.

The termination of transcription is different for the different polymerases. Unlike in prokaryotes, elongation by RNA polymerase II in eukaryotes takes place 1,000–2,000 nucleotides beyond the end of the gene being transcribed. This pre-mRNA tail is subsequently removed by cleavage during mRNA processing. On the other hand, RNA polymerases I and III require termination signals. Genes transcribed by RNA polymerase I contain a specific 18-nucleotide sequence that is recognized by a termination protein. The process of termination in RNA polymerase III involves an mRNA hairpin similar to rho-independent termination of transcription in prokaryotes.


محتويات

Eukaryotes have three nuclear RNA polymerases, each with distinct roles and properties. [3] [4]

اسم موقع المنتج
RNA Polymerase I (Pol I, Pol A) النواة larger ribosomal RNA (rRNA) (28S, 18S, 5.8S)
RNA Polymerase II (Pol II, Pol B) نواة messenger RNA (mRNA), most small nuclear RNAs (snRNAs), small interfering RNA (siRNAs) and microRNA (miRNA).
RNA Polymerase III (Pol III, Pol C) nucleus (and possibly the nucleolus-nucleoplasm interface) transfer RNA (tRNA), other small RNAs (including the small 5S ribosomal RNA (5s rRNA), snRNA U6, signal recognition particle RNA (SRP RNA) and other stable short RNAs

RNA polymerase I (Pol I) catalyses the transcription of all rRNA genes except 5S. [3] [4] These rRNA genes are organised into a single transcriptional unit and are transcribed into a continuous transcript. This precursor is then processed into three rRNAs: 18S, 5.8S, and 28S. The transcription of rRNA genes takes place in a specialised structure of the nucleus called the nucleolus, [5] where the transcribed rRNAs are combined with proteins to form ribosomes. [6]

RNA polymerase II (Pol II) is responsible for the transcription of all mRNAs, some snRNAs, siRNAs, and all miRNAs. [3] [4] Many Pol II transcripts exist transiently as single strand precursor RNAs (pre-RNAs) that are further processed to generate mature RNAs. [1] For example, precursor mRNAs (pre-mRNAs) are extensively processed before exiting into the cytoplasm through the nuclear pore for protein translation.

RNA polymerase III (Pol III) transcribes small non-coding RNAs, including tRNAs, 5S rRNA, U6 snRNA, SRP RNA, and other stable short RNAs such as ribonuclease P RNA. [7]

RNA Polymerases I, II, and III contain 14, 12, and 17 subunits, respectively. [8] All three eukaryotic polymerases have five core subunits that exhibit homology with the β, β’, α I , α II , and ω subunits of E. coli RNA polymerase. An identical ω-like subunit (RBP6) is used by all three eukaryotic polymerases, while the same α-like subunits are used by Pol I and III. The three eukaryotic polymerases share four other common subunits among themselves. The remaining subunits are unique to each RNA polymerase. The additional subunits found in Pol I and Pol III relative to Pol II, are homologous to Pol II transcription factors. [8]

Crystal structures of RNA polymerases I [9] and II [10] provide an opportunity to understand the interactions among the subunits and the molecular mechanism of eukaryotic transcription in atomic detail.

The carboxyl terminal domain (CTD) of RPB1, the largest subunit of RNA polymerase II, plays an important role in bringing together the machinery necessary for the synthesis and processing of Pol II transcripts. [11] Long and structurally disordered, the CTD contains multiple repeats of heptapeptide sequence YSPTSPS that are subject to phosphorylation and other posttranslational modifications during the transcription cycle. These modifications and their regulation constitute the operational code for the CTD to control transcription initiation, elongation and termination and to couple transcription and RNA processing. [11]

The initiation of gene transcription in eukaryotes occurs in specific steps. [1] First, an RNA polymerase along with general transcription factors binds to the promoter region of the gene to form a closed complex called the preinitiation complex. The subsequent transition of the complex from the closed state to the open state results in the melting or separation of the two DNA strands and the positioning of the template strand to the active site of the RNA polymerase. Without the need of a primer, RNA polymerase can initiate the synthesis of a new RNA chain using the template DNA strand to guide ribonucleotide selection and polymerization chemistry. [1] However, many of the initiated syntheses are aborted before the transcripts reach a significant length (

10 nucleotides). During these abortive cycles, the polymerase keeps making and releasing short transcripts until it is able to produce a transcript that surpasses ten nucleotides in length. Once this threshold is attained, RNA polymerase passes the promoter and transcription proceeds to the elongation phase. [1]

Eukaryotic promoters and general transcription factors Edit

Pol II-transcribed genes contain a region in the immediate vicinity of the transcription start site (TSS) that binds and positions the preinitiation complex. This region is called the core promoter because of its essential role in transcription initiation. [12] [13] Different classes of sequence elements are found in the promoters. For example, the TATA box is the highly conserved DNA recognition sequence for the TATA box binding protein, TBP, whose binding initiates transcription complex assembly at many genes.

Eukaryotic genes also contain regulatory sequences beyond the core promoter. These cis-acting control elements bind transcriptional activators or repressors to increase or decrease transcription from the core promoter. Well-characterized regulatory elements include enhancers, silencers, and insulators. These regulatory sequences can be spread over a large genomic distance, sometimes located hundreds of kilobases from the core promoters. [1]

General transcription factors are a group of proteins involved in transcription initiation and regulation. [1] These factors typically have DNA-binding domains that bind specific sequence elements of the core promoter and help recruit RNA polymerase to the transcriptional start site. General transcription factors for RNA polymerase II include TFIID, TFIIA, TFIIB, TFIIF, TFIIE, and TFIIH. [1] [14] [15]

Assembly of preinitiation complex Edit

The transcription, a complete set of general transcription factors and RNA polymerase need to be assembled at the core promoter to form the

2.5 million dalton preinitiation complex. [16] For example, for promoters that contain a TATA box near the TSS, the recognition of TATA box by the TBP subunit of TFIID initiates the assembly of a transcription complex. The next proteins to enter are TFIIA and TFIIB, which stabilize the DNA-TFIID complex and recruit Pol II in association with TFIIF and additional transcription factors. TFIIB serves as the bridge between the TATA-bound TBP and polymerase and helps place the active center of the polymerase in the correct position to initiate transcription. One of the last transcription factors to be recruited to the preinitiation complex is TFIIH, which plays an important role in promoter melting and escape. [17]

Promoter melting and open complex formation Edit

For pol II-transcribed genes, and unlike bacterial RNA polymerase, promoter melting requires hydrolysis of ATP and is mediated by TFIIH. [17] TFIIH is a ten-subunit protein, including both ATPase and protein kinase activities. [18] While the upstream promoter DNA is held in a fixed position by TFIID, TFIIH pulls downstream double-stranded DNA into the cleft of the polymerase, driving the separation of DNA strands and the transition of the preinitiation complex from the closed to open state. TFIIB aids in open complex formation by binding the melted DNA and stabilizing the transcription bubble.

Abortive initiation Edit

Once the initiation complex is open, the first ribonucleotide is brought into the active site to initiate the polymerization reaction in the absence of a primer. [1] This generates a nascent RNA chain that forms a hetero-duplex with the template DNA strand. However, before entering the elongation phase, polymerase may terminate prematurely and release a short, truncated transcript. This process is called abortive initiation. [19] Many cycles of abortive initiation may occur before the transcript grows to sufficient length to promote polymerase escape from the promoter. Throughout abortive initiation cycles, RNA polymerase remains bound to the promoter and pulls downstream DNA into its catalytic cleft in a scrunching-kind of motion. [19]

Promoter escape Edit

When a transcript attains the threshold length of ten nucleotides, it enters the RNA exit channel. [1] The polymerase breaks its interactions with the promoter elements and any regulatory proteins associated with the initiation complex that it no longer needs. [20] Promoter escape in eukaryotes requires ATP hydrolysis and, in the case of Pol II-phosphorylation of the CTD. Meanwhile, the transcription bubble collapses down to 12-14 nucleotides, providing kinetic energy required for the escape. [1]

After escaping the promoter and shedding most of the transcription factors for initiation, the polymerase acquires new factors for the next phase of transcription: elongation. [21] [22] Transcription elongation is a processive process. Double stranded DNA that enters from the front of the enzyme is unzipped to avail the template strand for RNA synthesis. For every DNA base pair separated by the advancing polymerase, one hybrid RNA:DNA base pair is immediately formed. DNA strands and nascent RNA chain exit from separate channels the two DNA strands reunite at the trailing end of the transcription bubble while the single strand RNA emerges alone.

Elongation factors Edit

Among the proteins recruited to polymerase are elongation factors, thus called because they stimulate transcription elongation. [23] There are different classes of elongation factors. Some factors can increase the overall rate of transcribing, some can help the polymerase through transient pausing sites, and some can assist the polymerase to transcribe through chromatin. [24] One of the elongation factors, P-TEFb, is particularly important. [25] P-TEFb phosphorylates the second residue (Ser-2) of the CTD repeats (YSPTSPS) of the bound Pol II. P-TEFb also phosphorylates and activates SPT5 and TAT-SF1. SPT5 is a universal transcription factor that helps recruit 5'-capping enzyme to Pol II with a CTD phosphorylated at Ser-5. TAF-SF1 recruits components of the RNA splicing machinery to the Ser-2 phosphorylated CTD. P-TEFb also helps suppress transient pausing of polymerase when it encounters certain sequences immediately following initiation. [25]

Transcription fidelity Edit

Transcription fidelity is achieved through multiple mechanisms. RNA polymerases select correct nucleoside triphosphate (NTP) substrate to prevent transcription errors. Only the NTP which correctly base pairs with the coding base in the DNA is admitted to the active center. [26] [27] RNA polymerase performs two known proof reading functions to detect and remove misincorporated nucleotides: pyrophosphorylytic editing and hydrolytic editing. [1] The former removes the incorrectly inserted ribonucleotide by a simple reversal of the polymerization reaction, while the latter involves backtracking of the polymerase and cleaving of a segment of error-containing RNA product. Elongation factor TFIIS (InterPro: IPR006289 TCEA1, TCEA2, TCEA3) stimulates an inherent ribonuclease activity in the polymerase, allowing the removal of misincorporated bases through limited local RNA degradation. [28] Note that all reactions (phosphodiester bond synthesis, pyrophosphorolysis, phosphodiester bond hydrolysis) are performed by RNA polymerase by using a single active center. [29]

Pausing, poising, and backtracking Edit

Transcription elongation is not a smooth ride along double stranded DNA , as RNA polymerase undergoes extensive co-transcriptional pausing during transcription elongation. [30] [31] In general, RNA polymerase II does not transcribe through a gene at a constant pace. Rather it pauses periodically at certain sequences, sometimes for long periods of time before resuming transcription. [32] This pausing is especially pronounced at nucleosomes, and arises in part through the polymerase entering a transcriptionally incompetent backtracked state. [30] The duration of these pauses ranges from seconds to minutes or longer, and exit from long-lived pauses can be promoted by elongation factors such as TFIIS. [33]

This pausing is also sometimes used for proofreading here the polymerase backs up, erases some of the RNA it has already made and has another go at transcription. [1] In extreme cases, for example, when the polymerase encounters a damaged nucleotide, it comes to a complete halt. More often, an elongating polymerase is stalled near the promoter. [32] Promoter-proximal pausing during early elongation is a commonly used mechanism for regulating genes poised to be expressed rapidly or in a coordinated fashion. Pausing is mediated by a complex called NELF (negative elongation factor) in collaboration with DSIF (DRB-sensitivity-inducing factor containing SPT4/SPT5). [34] The blockage is released once the polymerase receives an activation signal, such as the phosphorylation of Ser-2 of CTD tail by P-TEFb. Other elongation factors such as ELL and TFIIS stimulate the rate of elongation by limiting the length of time that polymerase pauses. [1]

RNA processing Edit

Elongating polymerase is associated with a set of protein factors required for various types of RNA processing. [1] mRNA is capped as soon as it emerges from the RNA-exit channel of the polymerase. After capping, dephosphorylation of Ser-5 within the CTD repeats may be responsible for dissociation of the capping machinery. Further phosphorylation of Ser-2 causes recruitment of the RNA splicing machinery that catalyzes the removal of non-coding introns to generate mature mRNA. [1] Alternative splicing expands the protein complements in eukaryotes. Just as with 5’-capping and splicing, the CTD tail is involved in recruiting enzymes responsible for 3’-polyadenylation, the final RNA processing event that is coupled with the termination of transcription. [1]

The last stage of transcription is termination, which leads to the dissociation of the complete transcript and the release of RNA polymerase from the template DNA.The process differs for each of the three RNA polymerases. [35] The mechanism of termination is the least understood of the three transcription stages.

Factor-dependent Edit

The termination of transcription of pre-rRNA genes by polymerase Pol I is performed by a system that needs a specific transcription termination factor. [3] The mechanism used bears some resemblance to the rho-dependent termination in prokaryotes. [36] Eukaryotic cells contain hundreds of ribosomal DNA repeats, sometimes distributed over multiple chromosomes. Termination of transcription occurs in the ribosomal intergenic spacer region that contains several transcription termination sites upstream of a Pol I pausing site. Through a yet unknown mechanism, the 3’-end of the transcript is cleaved, generating a large primary rRNA molecule that is further processed into the mature 18S, 5.8S and 28S rRNAs.

As Pol II reaches the end of a gene, two protein complexes carried by the CTD, CPSF (cleavage and polyadenylation specificity factor) and CSTF (cleavage stimulation factor), recognize the poly-A signal in the transcribed RNA. [35] Poly-A-bound CPSF and CSTF recruit other proteins to carry out RNA cleavage and then polyadenylation. Poly-A polymerase adds approximately 200 adenines to the cleaved 3’ end of the RNA without a template. [35] The long poly-A tail is unique to transcripts made by Pol II.

In the process of terminating transcription by Pol I and Pol II, the elongation complex does not dissolve immediately after the RNA is cleaved. The polymerase continues to move along the template, generating a second RNA molecule associated with the elongation complex. [1] Two models have been proposed to explain how termination is achieved at last. [35] The allosteric model states that when transcription proceeds through the termination sequence, it causes disassembly of elongation factors and/or an assembly of termination factors that cause conformational changes of the elongation complex. [36] [37] The torpedo model suggests that a 5' to 3' exonuclease degrades the second RNA as it emerges from the elongation complex. Polymerase is released as the highly processive exonuclease overtakes it. It is proposed that an emerging view will express a merge of these two models. [37]

Factor-independent Edit

RNA polymerase III can terminate transcription efficiently without the involvement of additional factors. The Pol III termination signal consists of a stretch of thymines (on the nontemplate strand) located within 40bp downstream from the 3' end of mature RNAs. [35] The poly-T termination signal pauses Pol III

The regulation of gene expression in eukaryotes is achieved through the interaction of several levels of control that acts both locally to turn on or off individual genes in response to a specific cellular need and globally to maintain a chromatin-wide gene expression pattern that shapes cell identity. [1] [38] Because eukaryotic genome is wrapped around histones to form nucleosomes and higher-order chromatin structures, the substrates for transcriptional machinery are in general partially concealed. [1] Without regulatory proteins, many genes are expressed at low level or not expressed at all. Transcription requires displacement of the positioned nucleosomes to enable the transcriptional machinery to gain access of the DNA. [39]

All steps in the transcription are subject to some degree of regulation. [1] Transcription initiation in particular is the primary level at which gene expression is regulated. Targeting the rate-limiting initial step is the most efficient in terms of energy costs for the cell. Transcription initiation is regulated by cis-acting elements (enhancers, silencers, isolators) within the regulatory regions of the DNA, and sequence-specific trans-acting factors that act as activators or repressors. [1] Gene transcription can also be regulated post-initiation by targeting the movement of the elongating polymerase. [40]

Global control and epigenetic regulation Edit

The eukaryotic genome is organized into a compact chromatin structure that allows only regulated access to DNA. The chromatin structure can be globally "open" and more transcriptionally permissive, or globally "condensed" and transcriptionally inactive. The former (euchromatin) is lightly packed and rich in genes under active transcription. The latter (heterochromatin) includes gene-poor regions such as telomeres and centromeres but also regions with normal gene density but transcriptionally silenced. Transcription can be silenced by histone modification (deacetylation and methylation), RNA interference, and/or DNA methylation. [41]

The gene expression patterns that define cell identity are inherited through cell division. [1] This process is called epigenetic regulation. DNA methylation is reliably inherited through the action of maintenance methylases that modify the nascent DNA strand generated by replication. [1] In mammalian cells, DNA methylation is the primary marker of transcriptionally silenced regions. Specialized proteins can recognize the marker and recruit histone deacetylases and methylases to re-establish the silencing. Nucleosome histone modifications could also be inherited during cell division, however, it is not clear whether it can work independently without the direction by DNA methylation. [1]

Gene-specific activation Edit

The two main tasks of transcription initiation are to provide RNA polymerase with an access to the promoter and to assemble general transcription factors with polymerase into a transcription initiation complex. Diverse mechanisms of initiating transcription by overriding inhibitory signals at the gene promoter have been identified. [1] Eukaryotic genes have acquired extensive regulatory sequences that encompass a large number of regulator-binding sites and spread overall kilobases (sometimes hundreds of kilobases) from the promoter–-both upstream and downstream. [1] The regulator binding sites are often clustered together into units called enhancers. Enhancers can facilitate highly cooperative action of several transcription factors (which constitute enhanceosomes). Remote enhancers allow transcription regulation at a distance. Insulators situated between enhancers and promoters help define the genes that an enhancer can or cannot influence.

Eukaryotic transcriptional activators have separate DNA-binding and activating functions. [1] Upon binding to its cis-element, an activator can recruit polymerase directly or recruit other factors needed by the transcriptional machinery. An activator can also recruit nucleosome modifiers that alter chromatin in the vicinity of the promoter and thereby help initiation. Multiple activators can work together, either by recruiting a common or two mutually dependent components of the transcriptional machinery, or by helping each other bind to their DNA sites. [1] These interactions can synergize multiple signaling inputs and produce intricate transcriptional responses to address cellular needs.

Gene-specific repression Edit

Eukaryotic transcription repressors share some of the mechanisms used by their prokaryotic counterparts. For example, by binding to a site on DNA that overlaps with the binding site of an activator, a repressor can inhibit binding of the activator. But more frequently, eukaryotic repressors inhibit the function of an activator by masking its activating domain, preventing its nuclear localization, promoting its degradation, or inactivating it through chemical modifications. [1] Repressors can directly inhibit transcription initiation by binding to a site upstream of a promoter and interacting with the transcriptional machinery. Repressors can indirectly repress transcription by recruiting histone modifiers (deacetylases and methylases) or nucleosome remodeling enzymes that affect the accessibility of the DNA. [1] Repressing histone and DNA modifications are also the basis of transcriptional silencing that can spread along the chromatin and switch off multiple genes. [42]

Elongation and termination control Edit

The elongation phase starts once assembly of the elongation complex has been completed, and progresses until a termination sequence is encountered. [1] The post-initiation movement of RNA polymerase is the target of another class of important regulatory mechanisms. For example, the transcriptional activator Tat affects elongation rather than initiation during its regulation of HIV transcription. [43] In fact, many eukaryotic genes are regulated by releasing a block to transcription elongation called promoter-proximal pausing. [44] Pausing can influence chromatin structure at promoters to facilitate gene activity and lead to rapid or synchronous transcriptional responses when cells are exposed to an activation signal. [32] Pausing is associated with the binding of two negative elongation factors, DSIF (SPT4/SPT5) and NELF, to the elongation complex. Other factors can also influence the stability and duration of the paused polymerase. [45] Pause release is triggered by the recruitment of the P-TEFb kinase. [40]

Transcription termination has also emerged as an important area of transcriptional regulation. Termination is coupled with the efficient recycling of polymerase. [46] The factors associated with transcription termination can also mediate gene looping and thereby determine the efficiency of re-initiation.

When transcription is arrested by the presence of a lesion in the transcribed strand of a gene, DNA repair proteins are recruited to the stalled RNA polymerase to initiate a process called transcription-coupled repair. [47] Central to this process is the general transcription factor TFIIH that has ATPase activity. TFIIH causes a conformational change in the polymerase, to expose the transcription bubble trapped inside, in order for the DNA repair enzymes to gain access to the lesion. [48] Thus, RNA polymerase serves as damage-sensing protein in the cell to target repair enzymes to genes that are being actively transcribed.

Eukaryotic transcription is more complex than prokaryotic transcription. For instance, in eukaryotes the genetic material (DNA), and therefore transcription, is primarily localized to the nucleus, where it is separated from the cytoplasm (in which translation occurs) by the nuclear membrane. This allows for the temporal regulation of gene expression through the sequestration of the RNA in the nucleus, and allows for selective transport of mature RNAs to the cytoplasm. Bacteria do not have a distinct nucleus that separates DNA from ribosome and mRNA is translated into protein as soon as it is transcribed. The coupling between the two processes provides an important mechanism for prokaryotic gene regulation. [1]

At the level of initiation, RNA polymerase in prokaryotes (bacteria in particular) binds strongly to the promoter region and initiates a high basal rate of transcription. No ATP hydrolysis is needed for the close-to-open transition, promoter melting is driven by binding reactions that favor the melted conformation. Chromatin greatly impedes transcription in eukaryotes. Assembly of large multi-protein preinitiation complex is required for promoter-specific initiation. Promoter melting in eukaryotes requires hydrolysis of ATP. As a result, eukaryotic RNA polymerases exhibit a low basal rate of transcription initiation. [42]

In vertebrates, the majority of gene promoters contain a CpG island with numerous CpG sites. [49] When many of a gene's promoter CpG sites are methylated the gene becomes silenced. [50] Colorectal cancers typically have 3 to 6 driver mutations and 33 to 66 hitchhiker or passenger mutations. [51] However, transcriptional silencing may be of more importance than mutation in causing progression to cancer. For example, in colorectal cancers about 600 to 800 genes are transcriptionally silenced by CpG island methylation (see regulation of transcription in cancer). Transcriptional repression in cancer can also occur by other epigenetic mechanisms, such as altered expression of microRNAs. [52] In breast cancer, transcriptional repression of BRCA1 may occur more frequently by over-expressed microRNA-182 than by hypermethylation of the BRCA1 promoter (see Low expression of BRCA1 in breast and ovarian cancers).


Eukaryotic mRNA

Credit: Kelvinsong (CC-BY-3.0)
Eukaryotic genes may often contain introns (non-coding sequences) that are spliced out from the exons (coding sequences). This complexity permits for increased variety of gene products. Mature eukaryotic mRNAs conatins a 5&prime-methyl-Guanine followed by an untranslated leader sequence ( 5&prime-UTR ), the coding sequences ( cds ), a 3&prime-untranslated region ( 3&prime-UTR ) and a long stretch of Adenines (polyA tail).


Expression is most easily measured with RNA since nucleic acid manipulation is fairly simple with 4 different nucleotides. In eukaryotes, the messenger RNA (mRNA) intermediate that is transcribed from DNA contains a polyA tail that is used to separate these messages from other types of RNA that are abundant within cells (like ribosomal RNA). Through the use of an enzyme called النسخ العكسي (RT) and primers composed of deoxy-Thymidines ( oligo-dT or dT18), mRNA can be converted into a single strand of DNA that is complimentary to the mRNA. This complimentary DNA is called cDNA . cDNA is very stable compared to the highly labile mRNA and is used for subsequent processing.


Eukaryotic transcription

Transcription in eukaryotes: A brief view
Transcription is the process by which single stranded RNA is synthesized by double stranded DNA. Transcription in eukaryotes and prokaryotes has many similarities while at the same time both showing their individual characteristics due to the differences in organization. RNA Polymerase (RNAP or RNA Pol) is different in prokaryotes and eukaryotes. Coupled transcription is seen in prokaryotes but not in Eukaryotes. In eukaryotes the pre-RNA should be spliced first to be translated.
In Eukaryotic transcription, synthesis of RNA occurs in the 3’→5’ direction. The 3’ end is more reactive due to the hydroxide group. 5’ end containing phosphate groups meanwhile, is not very reactive when it comes to adding new nucleotides. In Eukaryotes, the whole genome is not transcribed at once. Only a part of the genome is transcribed which also acts as the first, principle stage of genetic regulation.
Eukaryotes have five nuclear polymerases:
• RNA Polymerase I: This produces rRNA (23S, 5.8S, and 18S) which are the major components in a ribosome. This also produces pre-rRNA in yeasts.
• RNA Polymerase II: Helps in the production of mRNA (messenger RNA), snRNA (small, nuclear RNA), miRNA. This is the most studied type and requires several transcription factors for its binding
• RNA Polymerase III: This synthesizes tRNA (transfer RNA), 5S rRNA and other small RNAs required in the cytosol and nucleus.
• RNA Polymerase IV: Synthesizes siRNA (small interfering RNA) in plants.
• RNA Polymerase V: This is the least studied polymerase and synthesizes siRNA-directed heterochromatin in plants.
Eukaryotic transcription can be broadly divided into 4 stages:
• Pre-Initiation
• Initiation
• Elongation
• Termination
Transcription is an elaborate process which cells use to copy the genetic information stored in DNA into RNA. This pre-RNA is modified into mRNA before being transcribed to proteins. Transcription is the first step to utilizing the genetic information in a cell. Both Eukaryotes and Prokaryotes employ this process with the basic phases remaining the same. However eukaryotic transcription is more complex indicating the changes transcription has undergone towards perfection during evolution.


ملخص القسم

Transcription in eukaryotes involves one of three types of polymerases, depending on the gene being transcribed. RNA polymerase II transcribes all of the protein-coding genes, whereas RNA polymerase I transcribes rRNA genes, and RNA polymerase III transcribes rRNA, tRNA, and small nuclear RNA genes. The initiation of transcription in eukaryotes involves the binding of several transcription factors to complex promoter sequences that are usually located upstream of the gene being copied. The mRNA is synthesized in the 5' to 3' direction, and the FACT complex moves and reassembles nucleosomes as the polymerase passes by. Whereas RNA polymerases I and III terminate transcription by protein- or RNA hairpin-dependent methods, RNA polymerase II transcribes for 1,000 or more nucleotides beyond the gene template and cleaves the excess during pre-mRNA processing.


شاهد الفيديو: بناء تصنيع البروتين في الخلية: النسخ والترجمةافضل شرح (شهر فبراير 2023).