Mikrofotografie probíhající transkripce genu ribozomální RNA ilustrující rostoucí primární transkripty. „Začátek“ označuje 3′ konec templátového vlákna DNA, kde začíná syntéza nové RNA; „konec“ označuje 5′ konec, kde jsou primární transkripty téměř dokončeny.
Transkripce je syntéza RNA pod vedením DNA. Obě sekvence nukleových kyselin používají stejný jazyk a informace se jednoduše přepisují neboli kopírují z jedné molekuly do druhé. Sekvence DNA je enzymaticky kopírována RNA polymerázou za vzniku komplementárního nukleotidového řetězce RNA, nazývaného messengerová RNA (mRNA), protože přenáší genetickou zprávu z DNA ke strojům buňky syntetizujícím bílkoviny. Jedním z významných rozdílů mezi sekvencí RNA a DNA je přítomnost U neboli uracilu v RNA namísto T neboli thyminu v DNA. V případě DNA kódující bílkoviny je transkripce prvním krokem, který obvykle vede k expresi genů, a to vytvořením meziproduktu mRNA, což je věrný přepis instrukcí genu pro stavbu bílkovin.
Úsek DNA, který je přepsán do molekuly RNA, se nazývá transkripční jednotka. Transkripční jednotka, která je překládána do bílkovin, obsahuje sekvence, které kromě kódování sekvence, jež je překládána do bílkovin, řídí a regulují syntézu bílkovin. Regulační sekvence, která se nachází před kódující sekvencí neboli 5′, se nazývá 5′ nepřekládaná oblast (5’UTR), a sekvence, která se nachází za kódující sekvencí neboli 3′, se nazývá 3′ nepřekládaná oblast (3’UTR).
Transkripce má některé mechanismy pro kontrolu kopírování, ale je jich méně a jsou méně účinné než kontrolní mechanismy pro kopírování DNA; proto má transkripce nižší věrnost kopírování než replikace DNA.
Stejně jako při replikaci DNA probíhá transkripce ve směru 5′ → 3′. Přepisuje se pouze jedno ze dvou vláken DNA. Toto vlákno se nazývá templátové, protože poskytuje předlohu pro uspořádání sekvence nukleotidů v přepisu RNA. RNA polymeráza čte templátové vlákno DNA ve směru 3′ → 5′ a nové vlákno RNA je syntetizováno ve směru 5’→ 3′. RNA polymeráza se naváže na 5′ konec genu (promotor) na templátovém řetězci DNA a putuje směrem k 3′ konci. S výjimkou skutečnosti, že thyminy v DNA jsou v RNA zastoupeny jako uracily, bude mít nově syntetizované vlákno RNA stejnou sekvenci jako kódující (netemplátové) vlákno DNA. Z tohoto důvodu vědci při zmínce o směrovosti genů na DNA obvykle hovoří o kódujícím vláknu DNA, které má stejnou sekvenci jako výsledná RNA, nikoli o templátovém vláknu.
U eukaryot vyžaduje RNA polymeráza, a tedy zahájení transkripce, přítomnost základní promotorové sekvence v DNA. Promotory jsou oblasti DNA, které podporují transkripci a které se u eukaryot nacházejí na -30, -75 a -90 párech bází před místem začátku transkripce (zkráceně TSS). Jádrové promotory jsou sekvence uvnitř promotoru, které jsou nezbytné pro zahájení transkripce. RNA polymeráza je schopna se navázat na jádrové promotory v přítomnosti různých specifických transkripčních faktorů[citace potřebná].
Nejcharakterizovanějším typem jádra promotoru u eukaryot je krátká sekvence DNA známá jako TATA box, která se nachází 25-30 párů bází před TSS. [Potřebná citace] TATA box jako jádrový promotor je vazebným místem pro transkripční faktor známý jako TATA-vazebný protein (TBP), který je sám podjednotkou jiného transkripčního faktoru, nazývaného transkripční faktor II D (TFIID). Poté, co se TFIID prostřednictvím TBP naváže na TATA box, se kolem TATA boxu v několika fázích spojí dalších pět transkripčních faktorů a RNA polymeráza a vytvoří preiniciační komplex. Jeden transkripční faktor, transkripční faktor II H, má dvě složky s helikázovou aktivitou, a podílí se tak na oddělování protilehlých vláken dvouvláknové DNA za vzniku počáteční transkripční bubliny. Samotný preiniciační komplex však pohání pouze nízkou nebo základní rychlost transkripce. Za modulaci rychlosti transkripce jsou zodpovědné další proteiny známé jako aktivátory a represory spolu s případnými přidruženými koaktivátory nebo korepresory [citace potřebná].
Jednoduché schéma iniciace transkripce. RNAP = RNA polymeráza
Na rozdíl od replikace DNA nepotřebuje transkripce k zahájení primer. RNA polymeráza se jednoduše naváže na DNA a spolu s dalšími kofaktory rozvine DNA a vytvoří iniciační bublinu, takže RNA polymeráza má přístup k jednořetězcovému templátu DNA.
U bakterií začíná transkripce vazbou RNA polymerázy na promotor v DNA. RNA polymeráza je základní enzym skládající se z pěti podjednotek: 2 podjednotek α, 1 podjednotky β, 1 podjednotky β‘ a 1 podjednotky ω. Na začátku iniciace je jádrový enzym spojen s faktorem sigma (číslo 70), který pomáhá při hledání vhodných -35 a -10 párů bází za promotorovými sekvencemi.
Iniciace transkripce je u eukaryot a archeí mnohem složitější, hlavní rozdíl spočívá v tom, že eukaryotické polymerázy nerozpoznávají přímo své základní promotorové sekvence. U eukaryot zprostředkovává vazbu RNA polymerázy a zahájení transkripce soubor proteinů nazývaných transkripční faktory. Teprve po připojení určitých transkripčních faktorů k promotoru se k němu váže RNA polymeráza. Dokončená sestava transkripčních faktorů a RNA polymerázy se váže k promotoru a nazývá se iniciační komplex transkripce.
U prokaryot se RNA polymeráza naváže na mRNA a vytvoří „uzavřený komplex“. Tento komplex se rozbalí a vytvoří otevřený komplex, který má roztavenou DNA od -12 do +2.
Jednoduché schéma prodlužování transkripce
Jedno vlákno DNA, tzv. templátové vlákno (nebo nekódující vlákno), se používá jako předloha pro syntézu RNA. Při přepisu prochází polymeráza RNA templátovým vláknem a využívá komplementarity párování bází s templátem DNA k vytvoření kopie RNA. Ačkoli RNA polymeráza prochází templátovým vláknem od 3′ → 5′, jako referenční bod se obvykle používá kódující (netemplátové) vlákno, takže se říká, že transkripce probíhá od 5′ → 3′. Vzniká tak molekula RNA od 5′ → 3′, přesná kopie kódujícího vlákna (s tím rozdílem, že thyminy jsou nahrazeny uracily a nukleotidy jsou tvořeny ribózovým (5uhlíkatým) cukrem, zatímco DNA má ve své cukr-fosfátové páteři deoxyribózu (o jeden atom kyslíku méně)).
Na rozdíl od replikace DNA může transkripce mRNA zahrnovat více RNA polymeráz na jednom templátu DNA a více kol transkripce (amplifikace určité mRNA), takže z jedné kopie genu může vzniknout mnoho molekul mRNA. Tento krok zahrnuje také mechanismus korektury, který může nahradit nesprávně začleněné báze.
Prokaryotická elongace začíná „abortivním iniciačním cyklem“. Během tohoto cyklu RNA polymeráza syntetizuje fragmenty mRNA dlouhé 2-12 nukleotidů. To pokračuje, dokud nedojde k přeskupení faktoru σ, což má za následek vznik transkripčního elongačního komplexu (který dává pohyblivou stopu 35 bp). Faktor σ se uvolní dříve, než je syntetizováno 80 nukleotidů mRNA.
Jednoduché schéma ukončení transkripce
Bakterie používají pro ukončení transkripce dvě různé strategie: při transkripci nezávislé na Rho se transkripce RNA zastaví, když nově syntetizovaná molekula RNA vytvoří vlásenkovou smyčku bohatou na G-C, po níž následuje řada U, čímž se oddělí od templátu DNA. Při „Rho-dependentním“ typu terminace proteinový faktor zvaný „Rho“ destabilizuje interakci mezi templátem a mRNA, čímž uvolní nově syntetizovanou mRNA z elongačního komplexu.
Ukončování transkripce u eukaryot je méně známé. Zahrnuje štěpení nového transkriptu, po kterém následuje na templátu nezávislé přidání As na jeho nový 3′ konec v procesu zvaném polyadenylace.
Měření a detekce transkripce
Transkripci lze měřit a zjišťovat různými způsoby:
(* Tyto metody měří celkové hladiny RNA, které se často liší)
Aktivní transkripční jednotky jsou shlukovány v jádře v oddělených místech nazývaných „transkripční továrny“. Taková místa lze zviditelnit poté, co se zapojeným polymerázám umožní prodloužit transkripty ve značených prekurzorech (Br-UTP nebo Br-U) a značená nascentní RNA se imunoznačí. Transkripční továrny lze také lokalizovat pomocí fluorescenční in situ hybridizace nebo označit protilátkami namířenými proti polymerázám. V nukleoplasmě buňky HeLa se nachází ~ 10 000 faktorů, mezi nimiž je ~ 8 000 faktorů polymerázy II a ~ 2 000 faktorů polymerázy III. Každá továrna polymerázy II obsahuje ~8 polymeráz. Protože většina aktivních transkripčních jednotek je spojena pouze s jednou polymerázou, bude každá továrna spojena s ~8 různými transkripčními jednotkami. Tyto jednotky mohou být spojeny prostřednictvím promotorů a/nebo enhancerů, přičemž smyčky tvoří „mrak“ kolem továrny.
Molekulu, která umožňuje realizovat genetický materiál v podobě bílkoviny, poprvé předpokládali Jacob a Monod. Syntéza RNA pomocí RNA polymerázy byla in vitro prokázána několika laboratořemi do roku 1965; RNA syntetizovaná těmito enzymy však měla vlastnosti, které naznačovaly existenci dalšího faktoru potřebného ke správnému ukončení transkripce.
V roce 1972 Walter Fiers jako první skutečně prokázal existenci terminujícího enzymu.
Roger D. Kornberg získal v roce 2006 Nobelovu cenu za chemii „za studium molekulárních základů eukaryotické transkripce“.
Schéma reverzní transkripce
Některé viry (např. HIV, původce AIDS) mají schopnost přepisu RNA do DNA. Virus HIV má genom RNA, který se duplikuje do DNA. Výsledná DNA se může spojit s genomem DNA hostitelské buňky. Hlavní enzym zodpovědný za syntézu DNA z RNA předlohy se nazývá reverzní transkriptáza. V případě HIV je reverzní transkriptáza zodpovědná za syntézu komplementárního vlákna DNA (cDNA) k virovému genomu RNA. Přidružený enzym, ribonukleáza H, štěpí vlákno RNA a reverzní transkriptáza syntetizuje komplementární vlákno DNA a vytváří strukturu dvojité šroubovice DNA. Tato cDNA je integrována do genomu hostitelské buňky prostřednictvím dalšího enzymu (integrázy), což způsobí, že hostitelská buňka vytvoří virové proteiny, které se znovu složí do nových virových částic. Následně hostitelská buňka projde programovanou buněčnou smrtí (apoptózou).
Některé eukaryotické buňky obsahují enzym s aktivitou reverzní transkripce zvaný telomeráza. Telomeráza je reverzní transkriptáza, která prodlužuje konce lineárních chromozomů. Telomeráza nese RNA templát, ze kterého syntetizuje opakující se sekvence DNA neboli „junk“ DNA. Tato opakující se sekvence „junk“ DNA je důležitá, protože při každé duplikaci lineárního chromozomu dochází k jeho zkrácení. U „junk“ DNA na koncích chromozomů se při zkracování eliminuje některá opakující se neboli junk sekvence, nikoli sekvence DNA kódující bílkoviny, která je dále od konců chromozomů. Telomeráza se často aktivuje v nádorových buňkách, aby umožnila nádorovým buňkám duplikovat své genomy bez ztráty důležité sekvence DNA kódující proteiny. Aktivace telomerázy může být součástí procesu, který umožňuje rakovinným buňkám stát se nesmrtelnými.