Biologie für die Hauptfächer I

Prokaryoten haben keine membranumschlossenen Kerne. Daher können die Prozesse der Transkription, Translation und des mRNA-Abbaus alle gleichzeitig ablaufen. Die intrazelluläre Ebene eines bakteriellen Proteins kann durch mehrere Transkriptions- und Translationsereignisse, die gleichzeitig auf derselben DNA-Vorlage auftreten, schnell amplifiziert werden. Die prokaryotische Transkription deckt häufig mehr als ein Gen ab und produziert polycistronische mRNAs, die mehr als ein Protein spezifizieren.

Unsere Diskussion hier wird die Transkription veranschaulichen, indem dieser Prozess in Escherichia coli, einer gut untersuchten Bakterienart, beschrieben wird. Obwohl einige Unterschiede zwischen der Transkription in E. coli und der Transkription in Archaeen bestehen, kann ein Verständnis der E. coli-Transkription auf praktisch alle Bakterienarten angewendet werden.

Prokaryotische RNA-Polymerase

Prokaryoten verwenden dieselbe RNA-Polymerase, um alle ihre Gene zu transkribieren. In E. coli besteht die Polymerase aus fünf Polypeptid-Untereinheiten, von denen zwei identisch sind. Vier dieser Untereinheiten, bezeichnet α, α, β und β‘ umfassen das Polymerase-Kernenzym. Diese Untereinheiten bauen sich jedes Mal zusammen, wenn ein Gen transkribiert wird, und sie zerlegen sich, sobald die Transkription abgeschlossen ist. Jede Untereinheit hat eine einzigartige Rolle; Die beiden α-Untereinheiten sind notwendig, um die Polymerase auf der DNA zusammenzubauen; die β-Untereinheit bindet an das Ribonukleosidtriphosphat, das Teil des entstehenden „kürzlich geborenen“ mRNA-Moleküls wird; und das β ‚ bindet den DNA-Schablonenstrang. Die fünfte Untereinheit σ ist nur an der Transkriptionsinitiation beteiligt. Es verleiht transkriptionelle Spezifität, so dass die Polymerase beginnt, mRNA von einer geeigneten Initiationsstelle zu synthetisieren. Ohne sie würde das Kernenzym von zufälligen Stellen transkribieren und mRNA-Moleküle produzieren, die Protein-Kauderwelsch enthalten. Die Polymerase, die aus allen fünf Untereinheiten besteht, wird Holoenzym genannt (ein Holoenzym ist eine biochemisch aktive Verbindung, die aus einem Enzym und seinem Coenzym besteht).

Prokaryotische Promotoren

Abbildung 1. Die σ-Untereinheit der prokaryotischen RNA-Polymerase erkennt Konsensussequenzen, die in der Promotorregion vor dem Transkriptionsstartpunkt gefunden wurden. Die σ-Untereinheit dissoziiert von der Polymerase, nachdem die Transkription initiiert wurde.

Ein Promotor ist eine DNA-Sequenz, an die die Transkriptionsmaschinerie bindet und die Transkription initiiert. In den meisten Fällen existieren Promotoren vor den Genen, die sie regulieren. Die spezifische Sequenz eines Promotors ist sehr wichtig, da sie bestimmt, ob das entsprechende Gen ständig, gelegentlich oder selten transkribiert wird. Obwohl Promotoren zwischen prokaryotischen Genomen variieren, sind einige Elemente konserviert. An den -10- und -35-Regionen stromaufwärts der Initiationsstelle gibt es zwei Promotor-Konsensussequenzen oder Regionen, die über alle Promotoren und über verschiedene Bakterienarten hinweg ähnlich sind (Abbildung 1).

Die Konsensussequenz -10, die als -10-Region bezeichnet wird, ist TATAAT. Die -35-Sequenz, TTGACA, wird von σ erkannt und gebunden. Sobald diese Wechselwirkung hergestellt ist, binden die Untereinheiten des Kernenzyms an die Stelle. Die AT-reiche -10-Region erleichtert das Abwickeln der DNA-Schablone, und es werden mehrere Phosphodiesterbindungen hergestellt. Die Transkriptionsinitiationsphase endet mit der Produktion abortiver Transkripte, bei denen es sich um Polymere von ungefähr 10 Nukleotiden handelt, die hergestellt und freigesetzt werden.

Elongation und Termination in Prokaryoten

Die Transkriptions-Elongationsphase beginnt mit der Freisetzung der σ-Untereinheit aus der Polymerase. Die Dissoziation von σ ermöglicht es dem Kernenzym, entlang der DNA-Schablone vorzugehen und mRNA in der 5 ‚bis 3‘ -Richtung mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 40 Nukleotiden pro Sekunde zu synthetisieren. Bei fortschreitender Dehnung wird die DNA kontinuierlich vor dem Kernenzym abgewickelt und dahinter zurückgespult (Abbildung 2). Die Basenpaarung zwischen DNA und RNA ist nicht stabil genug, um die Stabilität der mRNA-Synthesekomponenten aufrechtzuerhalten. Stattdessen fungiert die RNA-Polymerase als stabiler Linker zwischen dem DNA-Template und den entstehenden RNA-Strängen, um sicherzustellen, dass die Dehnung nicht vorzeitig unterbrochen wird.

Abbildung 2. Klicken Sie für ein größeres Bild. Während der Dehnung verfolgt die prokaryotische RNA-Polymerase entlang der DNA-Schablone, synthetisiert mRNA in 5 ‚bis 3‘ -Richtung und wickelt die DNA beim Lesen ab und zurück.

Prokaryotische Terminationssignale

Sobald ein Gen transkribiert ist, muss die prokaryotische Polymerase angewiesen werden, sich von der DNA-Schablone zu dissoziieren und die neu hergestellte mRNA freizusetzen. Je nachdem, welches Gen transkribiert wird, gibt es zwei Arten von Terminationssignalen. Einer ist proteinbasiert und der andere ist RNA-basiert. Die Rho-abhängige Terminierung wird durch das Rho-Protein gesteuert, das sich hinter der Polymerase an der wachsenden mRNA-Kette entlang bewegt. Gegen Ende des Gens trifft die Polymerase auf eine Reihe von G-Nukleotiden auf der DNA-Schablone und bleibt stehen. Infolgedessen kollidiert das Rho-Protein mit der Polymerase. Die Interaktion mit rho setzt die mRNA aus der Transkriptionsblase frei.

Die Rho-unabhängige Termination wird durch spezifische Sequenzen im DNA-Template-Strang gesteuert. Wenn sich die Polymerase dem Ende des zu transkribierenden Gens nähert, trifft sie auf eine Region, die reich an CG–Nukleotiden ist. Die mRNA faltet sich auf sich selbst zurück und die komplementären C–G-Nukleotide binden zusammen. Das Ergebnis ist eine stabile Haarnadel, die bewirkt, dass die Polymerase zum Stillstand kommt, sobald sie beginnt, eine Region zu transkribieren, die reich an AT–Nukleotiden ist. Die komplementäre U-A-Region des mRNA-Transkripts bildet nur eine schwache Wechselwirkung mit der Template-DNA. Dies, gekoppelt mit der blockierten Polymerase, induziert genug Instabilität für das Kernenzym, um sich zu lösen und das neue mRNA-Transkript freizusetzen.

Nach Beendigung ist der Transkriptionsprozess abgeschlossen. Zum Zeitpunkt der Beendigung wäre das prokaryotische Transkript bereits verwendet worden, um mit der Synthese zahlreicher Kopien des codierten Proteins zu beginnen, da diese Prozesse gleichzeitig ablaufen können. Die Vereinheitlichung von Transkription, Translation und sogar mRNA-Abbau ist möglich, weil alle diese Prozesse in der gleichen 5 ‚bis 3‘ Richtung ablaufen und weil es keine membranöse Kompartimentierung in der prokaryotischen Zelle gibt (Abbildung 3). Im Gegensatz dazu schließt das Vorhandensein eines Kerns in eukaryotischen Zellen die gleichzeitige Transkription und Translation aus.

Abbildung 3. Mehrere Polymerasen können ein einzelnes bakterielles Gen transkribieren, während zahlreiche Ribosomen gleichzeitig die mRNA-Transkripte in Polypeptide übersetzen. Auf diese Weise kann ein spezifisches Protein schnell eine hohe Konzentration in der Bakterienzelle erreichen.

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