Transkription ist die DNA-gesteuerte RNA

Transkription ist die DNA-gesteuerte
RNA-Synthese: Eine nähere
Betrachtung
Messenger-RNA, der Informationsüberträger von der DNA zur
Proteinsynthese-Maschinerie, wird vom Matrizenstrang eines
Gens transkribiert. Enzyme, die als RNA-Polymera-sen
bezeichnet werden, trennen die beiden DNA-Stränge lokal
und hängen die RNA-Nucleotide entsprechend den Regeln der
Basenpaarung aneinander. Genauso wie die DNA-Polymerasen
bei der DNA-Replikation können RNA-Polymerasen Nucleotide
auch nur an das 3'-Ende des wachsenden Polymers anheften.
Ein RNA-Molekül wächst also von 5' nach 3'. Spezifische
Nucleotidsequenzen auf der DNA markieren Initiation
(Beginn) und Termination (Ende) der Transkription eines Gens.
Die gesamte DNA-Sequenz von Hunderten oder Tausenden von
Nucleotiden
einschließlich
ihrer
Initiationsund
Terminationssequenzen, die in ein einziges RNA-Molekül
transkribiert werden, nennt man Transkriptionseinheit
(Abbildung 16.7).
Bei Eukaryoten enthält jede Transkriptionseinheit jeweils nur
ein Gen; die mRNA codiert nur die Synthese eines einzelnen
Polypeptids. Bei Prokaryoten kann eine Transkriptionseinheit
mehrere Gene enthalten, die Proteine verwandter Funktion
codieren - beispielsweise Enzyme, die aufeinanderfolgende
Schritte eines Biosyntheseweges katalysieren. In diesem Fall
werden durch Start- und Stopcodons diejenigen Abschnitte der
mRNA abgegrenzt, die jeweils ein Protein codieren.
Bakterien besitzen einen Typ von RNA-Polymerase, der nicht
nur die mRNA, sondern auch alle anderen RNA-Klas-sen
herstellt, die an der Proteinsynthese beteiligt sind (und die im
nächsten Abschnitt besprochen werden). Im Gegensatz dazu
sind die Eukaryoten mit drei verschiedenen RNA-Polymerasen
ausgestattet. Eine davon ist auf mRNA-Syn-these spezialisiert
und wird als RNA-Polymerase II bezeichnet. Im Zellkern einer
menschlichen Zelle befinden sich etwa 40000 Moleküle der
RNA-Polymerase II.
Die drei Einzelschritte der Transkription sind Bindung der
Polymerase und Initiation. Elongation und Termination. Wir
werden nun diese Vorgänge genauer besprechen.
Bindung der RNA-Polymerase und Initiation der
Transkription
Die RNA-Polymerasen binden an Bereiche der DNA, die als
Promotoren bezeichnet werden (Abbildung 16.8). Ein Promotor
besteht aus einer Initiationsregion, an der die Tran skription
(RNA-Synthese) beginnt, und einigen Dutzend Nucleotiden
stromaufwärts (in Richtung des 5'-Endes des DNANichtmatrizenstrangs; englisch: upstream). Damit die RNAPolymerase den Promotor erkennt, muss dieser bestimmte
Motive besitzen. So erkennt die RNA-Polymerase II der
Eukaryoten eine Promotorregion, die man als TATA-Box
bezeichnet. Sie hat ihren Namen von einer Basensequenz, die
viel Thymin (T) und Adenin (A) enthält. TATA-Boxen liegen
etwa 25 Nucleotide stromaufwärts von der Initationsstelle.
Die RNA-Polymerase II kann alleine weder einen Promotor
erkennen noch an ihn binden. Weitere Proteine, die man als
Transkriptionsfaktoren bezeichnet, helfen der RNAPolymerase bei ihrer Suche nach Promotorregionen auf dem
DNA-Molekül (siehe Abbildung 16.8). Einen Typ von
Transkriptionsfaktoren stellen Proteine dar, die zuerst am
16.8 Promotoren und die Initiation der Transkription.
Die RNA-Polymerase bindet an speziellen Regionen der
DNA, die man Promotoren nennt. Bei Eukaryoten sind
Promotoren meist etwa 100 Nucleotide lang. Sie bestehen aus
der eigentlichen Initiationsstelle und einigen DNAAbschnitten, an die Proteine binden, welche bei der Initiation
der Transkription mithelfen. Die RNA-Polymerase II
beispielsweise, das Enzym, das bei Eukaryoten die mRNAs
synthetisiert, bindet an einen Promotor, der eine TATA-Box
besitzt, ein kurzes DNA-Stück aus Thy-min(T)- und
Adenin(A)-Basen, das etwa 25 Nucleotide stromaufwärts
von der Initiationsstelle liegt, a) Eine RNA-Polymerase kann
den Promotor nicht alleine erkennen. Ein weiteres Protein, ein
Transkriptionsfaktor, erkennt die TATA-Box und bindet noch
vor der RNA-Polymerase an die DNA; dieser Komplex wird
wiederum von der RNA-Polymerase erkannt.
b) Wenn sich die RNA-Polymerase an die Promotorregion
anheftet,
c) assoziiert sie sich mit anderen Transkriptionsfaktoren,
bevor sie die
RNA-Synthese beginnt (nur einer dieser zusätzlichen
Transkriptionsfak
toren, ein Initiationsfaktor, ist hier dargestellt).
Promotor andocken müssen, bevor die RNAPolymerase dort binden kann. Anscheinend erkennt die
RNA-Polymerase II den Komplex aus einem solchen
Protein und der DNA als Bindungsstelle. Hat die RNAPolymerase aber am Promotor gebunden, so beginnt sie, die
beiden DNA-Stränge der Doppelhelix an der
Initiationsstelle aufzutrennen, und die Transkription startet.
Verlängerung (Elongation) des RNA-Strangs
Wenn die RNA-Polymerase II über die DNA hinwegläuft, so
entspiralisiert sie Windung für Windung die Doppelhelix, trennt
die beiden Einzelstränge und legt ungefähr zehn Basen zur
Paarung mit RNA-Nucleotiden frei (siehe Abbildung 16.7). Das
Enzym fügt an das 3'-Ende des wachsenden RNA-Moleküls
Nucleotide an, während es über die Doppelhelix wandert. Im
Kielwasser der fortschreitenden RNA-Synthese löst sich das
RNA-Molekül von seiner DNA-Matrize ab. Die Transkription
verläuft mit einer Geschwindigkeit von rund 60 Nucleotiden
pro Sekunde. Ein einzelnes Gen kann gleichzeitig von mehreren
Molekülen der RNA-Polymerase transkribiert werden, die wie
Lastwagen in einem Konvoi hintereinander über die DNA
fahren. Jedes Polymerasemolekül zieht einen wachsenden
RNA-Strang hinter sich her, wobei die Länge des Strangs
anzeigt, wie weit sich die Polymerase von der Initiationsstelle entfernt hat. Das Zusammenwirken vieler Polymerase-Moleküle bei der simultanen Transkription eines
einzigen Genes vergrößert die Zahl der in einem
bestimmten Zeitraum gebildeten mRNA-Moleküle und
erlaubt der Zelle, ein bestimmtes Protein in großen
Mengen herzustellen.
Termination der Transkription
Die Transkription setzt sich so lange fort, bis die RNA-Polymerase eine Terminationsstelle auf der DNA erreicht. Es ist eine
bestimmte Basensequenz, die der RNA-Polymerase das
Signal zum Stop der Anlagerung von Nucleotiden an die
wachsende RNA-Kette und zur Freisetzung des RNA-Moleküls
gibt. Bei Eukaryoten ist die gebräuchlichste Terminationssequenz AATAAA.
Bei Bakterien stehen die mRNAs schon dann zur Translation
bereit, wenn sie noch an der DNA-Matrize hängen. Im
Gegensatz dazu werden Transkriptionsprodukte der Eukaryoten
noch weiterverarbeitet (prozessiert), bevor sie den Zellkern als
fertige mRNA-Moleküle verlassen. Wir werden die
Besprechung der RNA-Prozessierung noch verschieben, bis Sie
die Vorgänge während der Translation näher kennengelernt
haben.