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In der ersten Phase der Transkription bindet die RNA-Polymerase an den Promotor. Der Promotor ist eine Basensequenz (z.B. TATA-Box), die als Startpunkt fungiert und der Polymerase mitteilt, dass der darauffolgende Gen-Bereich "abgeschrieben" werden soll. Damit das ablaufen kann, muss zunächst die Doppelhelix der DNA entschraubt werden. Die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen werden getrennt und der nächste Schritt kann folgen. Die ElongationBei der Elongation wird dann die entsprechende DNA-Sequenz in mRNA übertragen. mRNA ist die Abkürzung für Messenger Ribonukleinsäure, sie wird im Deutschen auch Boten-RNA genannt. Gebildet wird diese mithilfe des Proteins RNA-Polymerase. Sie bewegt sich von 3´nach 5´auf dem DNA-Strang und synthetisiert einen, zu diesem DNA-Strang komplementären, mRNA-Strang durch die Anlagerung von Nukleotiden. Dieser Strang hat entsprechend eine 5´/3´-Richtung. Im Unterschied zu der DNA wird in der mRNA eine andere Base verwendet. Die DNA beinhaltet die Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin. Bei der Synthese der RNA wird statt Thymin die Base Uracil verwendet, die dann zwei Wasserstoffbrückenbindungen mit Adenin eingeht. Die TerminationWenn die RNA-Polymerase die entsprechende Sequenz abgelesen und den komplementären mRNA-Strang synthetisiert hat, trifft sie auf eine sogenannte Terminatorsequenz. Durch diese, die im Regelfall eine Nukleotidsequenz mit einer Vielzahl an Guanin- und Cytosin-Basen ist, beendet die RNA-Polymerase ihre Tätigkeit und der mRNA-Strang löst sich ab. Damit endet dann auch die Transkription. Weiterverwendung der mRNAWie es nun mit der mRNA weitergeht, hängt davon ab, ob der Vorgang bei Prokaryoten (z.B. Einzeller ohne Zellkern) oder Eukaryoten (Organismen mit Zellkern, wie z.B. der Mensch) abläuft. Bei den Prokaryoten ist es so, dass die mRNA direkt an die Ribosomen weitergeleitet werden kann und die Translation (Umwandeln in Aminosäureketten) beginnt umgehend. Bei den Eukaryoten hingegen muss die mRNA erst noch bearbeitet werden. Sie besteht in der sogenannten "unreifen" Version aus den Exons und Introns. Damit die mRNA für die Ribosomen nutzbar ist, müssen die Introns, die nicht für die Translation notwendig sind, herausgetrennt und die Exons miteinander verbunden werden. Auf den Exons befinden sich die essentiellen Genabschnitte für die Proteinbiosynthese. Dieser Vorgang wird Splicen genannt. Die mRNA, die dann nur noch aus den Exons besteht, wird "reife" mRNA genannt. Schlussendlich wird dann an das 5´Ende der reifen mRNA mit einer Guanin-Kappe versehen und erhält einen Poly-Adenin-Schwanz, die gemeinsam für die Transportfähigkeit und Lebensdauer der mRNA verantwortlich sind. Nun weißt Du, wie die DNA-Transkription und die Synthese der mRNA ablaufen. Teste Dein Wissen an unseren Übungsaufgaben. Dabei wünschen wir Dir viel Spaß und Erfolg!
Bild: “Schematische Darstellung der DNA-Replikation.” von Mariana Ruiz. Lizenz: Gemeinfrei Um den genetischen Informationsgehalt der DNA in Proteine umzusetzen, erfolgt zunächst die Transkription, während der ein Transkript oder eine Abschrift der DNA mittels messenger RNA (mRNA) erstellt wird, die bei der Translation (engl./lat. Übersetzung) über eine Art Adapter namens transfer RNA (tRNA) nach der Basentriplett-Codierung in eine Aminosäuresequenz bzw. ein Protein übersetzt wird. Bis in die 70er Jahre dachte man, die Transkription der DNA in RNA und der Informationsfluss vom Gen zum Protein verlaufe nur in diese eine Richtung. Mit der Entdeckung von Retroviren stellte sich jedoch heraus, dass über ein Enzym namens reverse Transkriptase auch ein Virus sein RNA-Erbgut in die DNA einschleusen kann. Der Mechanismus heißt reverse Transkription und läuft beispielsweise über Bildung von Telomersequenzen bei der Verlängerung von Telomeren am Ende des Chromatins. Mehr zu den Retroviren erfahren Sie in einem weiteren Beitrag. Genexpression: Transkription, Processing, TranslationAuf der DNA finden sich die Informationen zur Herstellung aller Proteine, die die Zelle benötigt. Diese befinden sich auf Abschnitten, die Strukturgene genannt werden. Da nicht jede Zelle zu jeder Zeit jedes Protein benötigt, sorgen Kontrollelemente für eine geregelte Expression der Strukturgene. Die Genexpression oder Proteinbiosynthese von Eukaryonten beinhaltet die Teilschritte Transkription (Erstellung eines RNA-Transkripts, also einer Abschrift, in Form von mRNA), Processing bzw. Prozessierung (eine Modifikation der mRNA) und Translation (Übersetzung der Basensequenz der mRNA in eine Aminosäuresequenz, das nach weiterer Modifikation das fertige Protein ergibt). Bei Prokaryonten entfällt das Processing. Genexpression I: Transkription der DNABild: “Schematische Darstellung der beiden DNA-Stränge während der Transkription und des entstehenden RNA-Transkripts” von . Lizenz: Gemeinfrei Die Transkription ist der erste Schritt der Proteinbiosynthese auf dem Weg vom Gen zum Protein. Wird in der Zelle ein Protein benötigt, so wird zunächst der entsprechende kodierende Abschnitt auf der DNA im Zellkern abgelesen und es wird eine Kopie, ein Transkript, angefertigt. Die Erstellung dieses Transkripts heißt Transkription. Sie erfolgt in drei Schritten: Initiation, Elongation und Termination. Schritt 1: Vorbereitung der Transkription – InitiationUm ein Transkript eines spezifischen Gens anzufertigen, wird anders als bei der Replikation kein Primer benötigt, denn als Startpunkt dient eine spezifische, dem zu transkribierenden Abschnitt vorgelagerte DNA-Sequenz, eine Promotorsequenz. Sie besteht aus charakteristischen Sequenzmotiven, z.B. -10 TATAAT, das TATA-Box genannt wird. Das voranstehende -10 bedeutet, dass sich dieser Abschnitt 10 Basenpaare vor dem abzulesenden Gen befindet. Eukaryontische RNA-Polymerasen benötigen zur Erkennung eines Promotors Hilfsproteine, die Transkriptionsfaktoren. Die RNA-Polymerase II, die hnRNA synthetisiert, braucht dafür die Transkriptionsfaktoren TFIIA, TFIIB usw. Der TFIID enthält ein TATA-Box binding protein (TBP), mit dem es an den Promotor bindet und zusammen mit anderen Transkriptionsfaktoren und der RNA-Polymerase den Initiationskomplex bildet. Der prokaryontischen RNA-Polymerase hilft eine σ-Untereinheit die Promotorsequenz zu erkennen. Um die Synthese zu ermöglichen, entwindet die Helicase den voranliegenden Abschnitt wie bei der Replikation, sodass vor ihr eine Transkriptionsblase entsteht; Topoisomerasen stabilisieren die DNA-Entwindung und single strand binding proteins (ssb) sorgen dafür, dass die Transkriptionsblase offen bleibt. Schritt 2: Synthese der RNA – Elongation der TranskriptionNachdem die RNA-Polymerase ein etwa 10 Basen langes Oligonukleotid synthetisiert hat, löst sich die σ-Untereinheit und die Elongation wird eingeleitet. Die DNA-abhängige RNA-Polymerase liest den DNA-Matrizenstrang in 3‘-5‘-Richtung ab und synthetisiert aus den Substraten ATP, UTP, GTP und CTP das RNA-Transkript in 5‘-3‘-Richtung. Der Synthesemechanismus ist wie bei der Replikation ein nukleophiler Angriff mit Knüpfung einer Phosphorsäure-Esterbindung. Prokaryonten verfügen über eine RNA-Polymerase, Eukaryonten über vier: drei (I-III) im Zellkern und eine weitere in den Mitochondrien. Sie erstellen in Prokaryonten ein Transkript aus messenger RNA (mRNA), in Eukaryonten erstellt die RNA-Polymerase II zunächst ein Primärtranskript aus heteronukleärer RNA (hnRNA). Mehr Informationen zu verschiedenen RNAs lesen Sie in unserem Lecturio-Magazin. Bis das Transkript fertig ist, entsteht für kurze Zeit eine Hybridhelix aus DNA und komplementärer RNA. Schritt 3: Beendigung der Transkription – TerminationDas Ende des zu transkribierenden Abschnitts ist wieder durch eine bestimmte Basenabfolge markiert, den Terminator. Dieser enthält eine pallindromische Sequenz, die in beiden Leserichtungen, also sowohl auf der Matrix-DNA als auch auf der entstehenden RNA, in beiden Leserichtungen dieselbe Basenabfolge ergibt (z.B. 5’ CCATGG 3‘). Basen am Anfang und am Ende des CG-reichen Palindroms können sich paaren und es bilden sich spontan Haarnadelschleifen, welche die Bindung zwischen RNA und DNA lockern, sodass sich die RNA von der DNA-Matrize und später der RNA-Polymerase löst. In einem weiteren Terminations-Mechanismus wird zusätzlich zur Terminator-Sequenz das Rho-(ρ-) Protein zur Hilfe genommen. Bei der ρ-abhängigen Termination umschließt es die RNA und bewegt sich in Richtung RNA-Polymerase, mit der es in Wechselwirkung treten kann und die sie über ATP-Hydrolyse von der DNA-Matrize lösen kann. Bei Prokaryonten verläuft die Transkription im gleichen Zellkompartiment wie die Translation und die mRNA ist das „reife“, fertige Transkript. Es kann direkt als Vorlage dienen und so kann die prokaryontische Translation beginnen, bevor die Transkription beendet ist. In Eukaryonten hingegen muss die hnRNA noch zur fertigen mRNA prozessiert werden und vom Zellkern ins Zytoplasma zu den Ribosomen gelangen. Regulation der GenexpressionDamit die Zelle auf situative Bedürfnisse reagieren kann und ihre Proteinproduktion den äußeren Gegebenheiten anpassen kann, gibt es verschiedene Regulationsmechanismen, über welche die Transkription eines Gens gesteuert wird. Das geschieht beispielsweise über Enhancer, DNA-Sequenzen, die Promotor-Regionen vorgelagert sind und durch spezifische Ligandenbindung die Transkription beeinflussen. Eine Art On-/Off-Mechanismus für bestimmte Gene bietet das Lac-Operon, über das in Escherichia coli nur in Anwesenheit von Lactose das Lactose-abbauende Protein Lactase produziert wird. Genexpression II: Posttranskriptionales Processing der hnRNAWährend des Processings, dessen Voraussetzungen durch Rekrutierung bestimmter Faktoren schon vor Beendigung der Transkription geschaffen werden, erfährt die eukaryontische hnRNA mindestens drei Modifikationen:
Darüber hinaus können einzelne Abschnitte der hnRNA oder mRNA gezielt verändert werden (RNA-Editing). Bild: “Übersicht über die Prozesse der eukaryotischen Genexpression: Auf dem Weg vom Gen – codiert auf der DNA – bis hin zum fertigen Protein spielt die RNA eine entscheidende Rolle. Sie dient als Informationsträger zwischen DNA und Ribosom, der in mehreren Schritten verändert wird” von . Lizenz: CC BY-SA 2.0 de Genexpression III: Translation der mRNA in AminosäurenBei der Translation wird die Basenabfolge der mRNA in Aminosäuren übersetzt und diese Aminosäuren werden zu einem Polypeptid verknüpft. Die Translation ist der letzte Schritt der Expression eines Gens zu einem Protein. Der genetische CodeUm mittels vier verschiedener Basen 20 proteinogene Aminosäuren herstellen zu können, müssen sie in einem Code kombiniert werden: Immer 3 Basen bilden ein Basentriplett, das Codon. So gibt es 4³ = 64 Möglichkeiten, die 20 Aminosäuren zu enkodieren, und diese 64 Triplets bilden den genetischen Code.
Die Wobble-Theorie (engl. wobble – wackeln) beschreibt den Umstand, dass zwischen der dritten Base des Codons und der dazu komplementären ersten Base des Anticodons der tRNA mehr als eine Basenpaarung möglich ist. Zum Beispiel paart sich Inosin (I) der tRNA mit Uracil (U), Adenin (A) und Cytosin (C) des mRNA-Tripletts. So sind es die ersten beiden Basen, die hauptsächlich bestimmend für die Aminosäure sind. Die Anzahl der nötigen tRNAs, die aufgrund ihrer Wobble-Flexibilität für mehrere Basentripletts einen Adapter bieten, sinkt auf 31. Für Fehler, die die dritte Codonposition betreffen, ist der genetische Code sehr tolerant, ebenso für die erste Position. Am wichtigsten ist die mittlere Codonposition, die wichtige Eigenschaften für die Sekundär- und Tertiärstruktur der korrespondierenden Aminosäure enthält: Das U an zweiter Stelle kodiert für hydrophobe, das A dort für hydrophile Aminosäuren. Benutzung der CodesonneIn Prüfungen wird oft die Kenntnis des genetischen Codes unter Zuhilfenahme der „Codesonne“, die vorgelegt wird, abgefragt. Oft liegt ein mRNA-Abschnitt vor (Vergewissern Sie sich, dass er in 5‘-3‘-Richtung notiert wurde.); wenn ein DNA-Abschnitt vorliegt, entspricht Thymin (T) dem Uracil (U) der mRNA. Bild: “Genetische Code-Sonne: Die Codierung der Aminosäuren (außen) durch die Basentripletts auf der mRNA ist von innen (5′) nach außen (3′) zu lesen.” von . Lizenz: Gemeinfrei Um zu erfahren, für welche Aminosäuren ein mRNA-Abschnitt kodiert, suchen Sie sich das 5‘-Ende der mRNA (Translation immer von 5‘ nach 3‘) und markieren sich die Basentripletts, also immer drei Basen (A, C, G, U), die ein Codon bilden. Die Codesonne hat in ihrer Mitte ebenfalls ein 5‘, dort wählen Sie den ersten Buchstaben Ihres Tripletts, gehen von dort aus zum zweiten und zum Dritten. So übersetzen Sie nacheinander alle Basentripletts der Ihnen vorliegenden Struktur. Beispiel: AUG kodiert für die Aminosäure Met (Methionin).
Wird nach korrespondierender tRNA, also dem Anticodon, gefragt, denken Sie daran, dass die tRNA komplementär zur mRNA, also in 3‘-5‘-Richtung dem mRNA-Codon (das in 5‘-3‘-Richtung vorliegt) anliegt. Da aber eine Basensequenz immer in 5‘-3‘-Richtung angegeben wird, müssen Sie die Basen der tRNA in dieser Folge ablesen. Beispiel: 5’ AUG 3‘. Darüber notieren Sie die komplementären Basen 3‘ UAC 5‘ und notieren dann noch einmal in der korrekten Ableseform 5‘ CAU 3‘. Das Werkzeug für die Transkription: Transfer-RNA (tRNA)Die DNA enthält einen Bauplan für 31 verschiedene tRNAs, die von der RNA-Polymerase III synthetisiert wird. Nach posttranskriptionaler Modifikation hat sie folgende Eigenschaften:
Die tRNA hat also die Funktion eines Adapters. Ablauf der TranslationSchritt 0: Vorbereitung – Beladung der tRNAs mit AminosäurenDie tRNAs weisen in ihrer Struktur bereits ein bestimmtes Basentriplett, das Anticodon, auf. Da das Anticodon für eine bestimmte Aminosäure steht, muss die tRNA mit genau dieser Aminosäure beladen werden. Dafür sorgen Aminoacyl-tRNA-Syntethasen. Dazu wird zunächst die spezifische Aminosäure mittels Verknüpfung eines ATP aktiviert; Pyrophosphat wird freigesetzt und ein AMP bleibt, das Produkt heißt Aminoacyladenylat. Im nächsten Schritt wird dieses AMP wieder abgespalten und die Aminosäure mit dem AMP am 3‘-Ende der tRNA verestert. Die aminosäurebeladene tRNA heißt Aminoacyl-tRNA und ist bereit für die Translation. Schritt 1: Bildung des 80-S-Ribosoms – Initiation der TranslationDie Aminoacyl-tRNA (bei der Initiation die Initiator-Methionyl-tRNA) bildet zusammen mit dem Energieträger GTP und einem Hilfsprotein (bei der Initiation der Initiationsfaktor eIF2, bei der Elongation der Elongationsfaktor eEF1-α) einen ternären (aus drei Teilen bestehend) Komplex. Dieser bindet an die kleine ribosomale 40S-Untereinheit, mit der er den 43S-Präinitiationskomplex bildet. Das eukaryontische Ribosom besteht aus ribosomaler RNA (rRNA) und Proteinen. Seine zwei Untereinheiten, die große 60S- und die kleine 40S-Untereinheit, ergeben zusammen ein 80S-Ribosom (S steht für Svedberg-Einheiten, die nicht addiert werden) und lagern nur zur Translation zusammen, sonst liegen sie im Zytosol einzeln vor. Prokaryontische 70S-Ribosomen bestehen aus einer großen 50S- und einer kleinen 30S-Untereinheit. Bei der Translation binden oft direkt mehrere Ribosomen an eine mRNA und bilden so ein Polysom. Die reife mRNA wird vom Initiationsfaktor eIF4F am ihrem 5’Cap erkannt und gebunden. Ein Bestandteil dieses Initiationsfaktors, eIF4G, verbindet dann über eIF3 mRNA und Präinitiationskomplex zum 48S-Initiationskomplex. Dieser wandert entlang der mRNA bis zum AUG-Triplett, dem Startcodon, an dem eIF2 das GTP hydrolisiert und sich mit den anderen Initiationsfaktoren ablöst. Das eIF2 hat im aktiven Zustand GTP gebunden; nach der Hydrolyse des GTP wird der Austauschfaktor eIF2B benötigt, um den inaktiven eIF2-GDP-Komplex wieder in einen aktiven eIF2-GTP-Komplex zu überführen, der erneut bei einer Initiation mitwirken kann. Hat die Starter-tRNA an das Startcodon AUG auf der mRNA gebunden, bindet auch die große ribosomale 60S-Untereinheit mit Hilfe des eIF5B an den 48S-Initiationskomplex. Die Translation verläuft vom 5‘ zum 3‘-Ende der mRNA. Das nun vollständige 80S-Ribosom verfügt über drei Bindungsstellen für tRNA. Als erstes kommt die A (Aminoacyl) – Stelle oder Aktzeptorstelle, an der während der Elongation Aminoacyl-tRNA gebunden wird, dann die P (Peptidyl) – Stelle, wo die Peptidyl-tRNA bindet, und die E (Exit) – Stelle, wo die deacetylierte tRNA vor ihrer Freisetzung gebunden wird. Die Starter-Methionin-tRNA ist zur Initiation in der P-Stelle gebunden, A- und E-Stelle sind leer. Schritt 2: Proteinsynthese – Elongation der TranslationIn der freien A-Stelle befindet sich das nächste Basentriplett nach dem Starter-Codon, dessen korrespondierende Aminoacyl-tRNA einen Komplex mit dem Elongationsfaktor eEF-1α bildet. eEF-1α ist, wie das aus der Initiation bekannte eIF2, ein GTP als Energieträger. Unter Hydrolyse dieses GTP bindet der Aminoacyl-tRNA-eEF-1α-Komplex an die A-Stelle. Dann löst sich das eEF-1α, und das Austauschprotein eEF-1β ersetzt das GDP durch GTP, wodurch der Elongationsfaktor eEF-1α für einen neuen Zyklus wiederhergestellt ist. Bild: “Bacterial DNA transcribed into mRNA and then translated into protein” von Joan L. Slonczewski, John W. Foster. Lizenz: CC BY-SA 3.0 Nun sind die A- und die P-Stelle des Ribosoms mit tRNA besetzt, die E-Stelle ist leer. Als nächstes überträgt die ribosomale Peptidyltransferase unter Ausbildung einer Peptidbindung die Aminosäure der tRNA von der P-Stelle (als erstes die Starter-Aminosäure Methionin) auf die Aminosäure der A-Stelle. So bleibt Methionin immer am Anfang des entstehenden Peptids. Das Peptid wächst vom Aminoterminus zum Carboxyterminus. Nach Knüpfung der Peptidbindung wandert die Peptidyl-tRNA von der A-Stelle auf die P-Stelle und das Ribosom wandert drei Nukleotide weiter in Richtung 3‘-Ende der mRNA. Dies geschieht wieder durch Hydrolyse eines GTP durch den Elongationsfaktor eEF2, der Translokase und G-Protein ist. Jetzt befindet sich also das wachsende Polypeptid mit einer tRNA auf der P-Stelle, die A-Stelle ist wieder frei und auf der E-Stelle befindet sich die „leere“ tRNA, die wieder abdiffundiert und in den zellulären tRNA-Speicher zurückkehrt. Dieser Zyklus wiederholt sich, bis auf der mRNA ein Stopp-Codon erscheint. Schritt 3: Freisetzung des Proteins – Termination der TranslationErscheint eines der drei Stopp-Codons (UAA, UAG, UGA), endet die Translation. Keine tRNA bindet an die Stopp-Codons, stattdessen bindet der Terminationsfaktor eRF1 die A-Stelle des Ribosoms. Die Peptidyltransferase setzt nun keine Aminosäure, sondern ein Wassermolekül an die Peptidyl-tRNA. Das löst die Bindung zwischen tRNA und Polypeptid und das Polypeptid diffundiert ins Zytosol, wo es weiterverarbeitet wird. Das Ribosom entlässt mRNA und tRNA und zerfällt in seine beiden Untereinheiten und ist sofort wieder einsatzfähig. Beliebte Prüfungsfragen zu Translation und TranskriptionDie Lösungen befinden sich unterhalb der Quellen. Welches der folgenden Nukleotide ist nicht vermehrt Bestandteil der RNA? Welche der folgenden Aussagen zum posttranskriptionalen Processing der hnRNA ist korrekt?
Das Basentriplett AUG codiert bei der Transkription für
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Wo findet die transkription statt
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