Ekspresja informacji genetycznej: transkrypcja i translacja
DNA gromadzi informację genetyczną komórek, która określa, najprościej rzecz ujmując, jakie w istocie są. Skoro gromadzi te informacje, muszą one być w jakiś sposób odczytane, a następnie użyte w praktyce. Wykorzystywane są do syntezy białek pełniących w komórkach rozmaite funkcje, np. budulcowe, regulatorowe itp. Proces takiego „wykorzystania” DNA do produkcji białek nosi miano ekspresji informacji genetycznej. Składają się nań transkrypcja (synteza RNA na podstawie DNA) i translacja (synteza białka). Proces ten pierwotnie badano w odniesieniu do komórek prokariotycznych, gdyż wykazują się one łatwą hodowlą, szybkim wzrostem i niewielkimi (w porównaniu do komórek eukariotycznych) cząsteczkami DNA.
Zwracam uwagę na to, że do pełnego zrozumienia poniższego tekstu niezbędna jest znajomość budowy DNA i RNA. W artykule tym będę czasem zwracał uwagę na poszczególne, ważne cechy budowy DNA czy RNA, jednak mimo to przedmiotem tego opracowania nie jest budowa wspomnianych kwasów nukleinowych.
Transkrypcja
Jest to pierwszy etap ekspresji informacji genetycznej. Jak już wspomniałem polega on na zsyntetyzowaniu cząsteczki kwasu rybonukleinowego, dokładniej matrycowego RNA (mRNA), gdyż DNA nie jest bezpośrednio „tłumaczony” na sekwencję aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. Zsyntetyzowana nić mRNA jest komplementarna do nici matrycowej DNA. Należy zwrócić uwagę na fakt, że w procesie transkrypcji bierze udział jedynie fragment DNA obejmujący gen, leżący tylko na jednej z nici. Jest to tzw. nić transkrybowana. Druga nić nie bierze udziału w procesie ekspresji danego genu.
Transkrypcja jest możliwa dzięki istnieniu i działalności enzymów - polimeraz RNA zależnych od DNA. Proces zaczyna się od powiązania polimerazy z promotorem - swoistym odcinkiem DNA stanowiącym sygnał do rozpoczęcia transkrypcji w tym właśnie miejscu. Po związaniu polimerazy z promotorem następuje przesunięcie jej w pozycję pierwszego nukleotydu genu ulegającego ekspresji. W tym miejscu rozpoczyna się synteza RNA, od końca 5`, do końca 3`. Trwa ona do momentu natrafienia przez polimerazę, na sekwencję nukleotydów DNA stanowiącą sygnał do przerwania transkrypcji. W tym miejscu następuje odłączenie polimerazy, oraz koniec syntezy DNA. Ten etap jest niemalże identyczny w przypadku komórek prokariotycznych i eukariotycznych. Komórki eukariotyczne odznaczają się bardziej złożoną budową, zatem spodziewamy się, że i procesy w nich zachodzące będą bardziej skomplikowane. Jedną z różnic jest choćby to, że w komórkach prokariotycznych występuje tylko jedna polimeraza RNA, gdzie tymczasem w komórkach eukariotycznych trzy:
I - odpowiada za transkrypcję genów rRNA
II - odpowiada za transkrypcję genów, które kodują białka
III - odpowiada za transkrypcję genów tRNA, oraz jednego z rodzajów rRNA.
Inną różnicą jest to, że mRNA w przypadku ekspresji w komórce prokariotycznej jest praktycznie od razu gotowy do następnego etapu, jakim jest translacja. Mówimy, że taki mRNA jest policistronowy (cząsteczka mRNA zawiera kopie kilku genów, które leżą kolejno za sobą). Natomiast w przypadku komórek eukariotycznych, kwestia ta nie jest tak prosta. Należy zacząć od tego, że w genach komórek eukariotycznych, mamy do czynienia z dwoma rodzajami odcinków. Są to eksony i introny. Eksony są odcinkami kodującymi, czyli wykorzystywanymi do syntezy np. białek. Introny z kolei to odcinki nie kodujące, nazywane niekiedy `pieszczotliwie' śmieciowym DNA. O dziwo czasem liczba nukleotydów stanowiących introny przewyższa liczbę nukleotydów będących eksonami. Ostatnimi czasy pojawiają się nawet przesłanki, że `śmieciowy DNA' nie jest do końca śmieciowy i pełni pewne funkcję. Zainteresowanych tym tematem odsyłam do książek i internetu (Gogle nie gryzie ;). Wracając do tematu… Transkrypt mRNA, w swojej strukturze zawiera zarówno eksony jak i introny. Nazywamy go pre-mRNA. Do translacji wymagane są jedynie eksony, zatem introny należy `wyrzucić', a pozostałe po tej `operacji' eksony ułożyć w odpowiedniej kolejności, tak aby struktura białka była prawidłowa. Nosi to nazwę obróbki potranskrypcyjnej. Ową `operację' polegającą na wycinaniu intronów a następnie składaniu eksonów, określamy mianem splicingu. Na tym jednak nie koniec. Zostają mianowicie zmodyfikowane oba końce pre-mRNA. Na końcu 5` zostaje dodana specjalna `czapeczka', która ma za zadanie ułatwienie wiązania małej podjednostce rybosomu, zaś na końcu 3` sekwencja 150-200 nukleotydów adeninowych (tak zmodyfikowany koniec 3` nazwano `ogonem poli'), co ma za zadanie uchronienie cząsteczki mRNA przed działaniem groźnych dla niej enzymów - endonukleaz RNA (rozkładają one RNA). Transkrypcja w przypadku komórek prokariotycznych zachodzi bezpośrednio w cytoplazmie, u komórek eukariotycznych z kolei synteza pre-mRNA oraz obróbka potranskrypcyjna zachodzi w jądrze komórkowym, skąd gotowy do translacji mRNA wędruje do cytoplazmy.
Translacja
W przebiegu tego procesu możemy umownie wyróżnić trzy, następujące po sobie etapy: inicjację, elongację, oraz terminację. Translacja zachodzi w cytoplazmie, a dokładniej na rybosomach. Wymaga ona nakładów energii, gdyż aminokwasy obecne w komórce nie są aktywne i nie wykazują bezpośredniego powinowactwa do mRNA. Jednak coś musi je `wyłowić' z cytoplazmy i przetransportować do rybosomu, gdzie zachodzi synteza łańcucha białkowego (struktury I - rzędowej białka). Rolę tę spełnia tRNA (transportowy RNA). Ma on wolny koniec 3`, do którego przyłączane są wysokoenergetycznym wiązaniem kowalencyjnym aminokwasy (dokładniej do kompleksu aminoacylo-tRNA). Syntetazy amnioacylo-tRNA są enzymami odpowiedzialnymi za katalizowanie tej reakcji. W jej wyniku powstaje kompleks aminoacylo-tRNA. Rodzajów tych enzymów w komórce jest tyle, ile jest rodzajów aminokwasów. Sprawia to, iż są one specyficzne, co oznacza, że przyłączają konkretny aminokwas, do konkretnej cząsteczki tRNA. Z tego z kolei wynika, że cząsteczki tRNA również wykazują się specyficznością. Dzieje się tak, ponieważ w ich budowie możemy wyróżnić pętlę, na której znajdują się trzy nukleotydy - jest to antykodon, komplementarny do odpowiedniej sekwencji nukleotydów w łańcuchu mRNA (jak wiemy trzy nukleotydy, czyli kodon, na mRNA kodują jeden aminokwas). Cząsteczka aminoacylo-tRNA wraz z przyłączonym aminokwasem, łączy się wiązaniami wodorowymi, z komplementarną do antykodonu sekwencją nukleotydów mRNA. W czasie translacji mRNA jest otoczone przez dwie podjednostki rybosomu. Przesuwający się w rybosomie mRNA pozwala na odszukanie przez aminoacylo-tRNA odpowiedniej sekwencji w kierunku od końca 5`, do końca 3`. momencie gdy poszczególne cząsteczki kompleksu tRNA znajdują się obok siebie, aminokwasy, związane na ich końcach, łączą się ze sobą wiązaniami peptydowymi. Bierze w tym udział jedna z cząsteczek rRNA (rybosomalnego RNA), wchodząca w skład dużej podjednostki rybosomu. Po zakończeniu syntezy, rybosom ulega rozpadowi na dwie podjednostki, mRNA i łańcuch polipeptydowy. Nie należy zapominać również o tym, że translacja jest dość skomplikowanym procesem, w którym biorą udział również białka regulacyjne, oraz białka będące czynnikami translacyjnymi. Był to ogólnikowy opis translacji. Przyjrzyjmy się jej teraz dokładniej, z perspektywy umownego podziału na etapy.
Inicjacja
Inicjacja jest pierwszym etapem translacji. Sprawą priorytetową jest odpowiednie ustawienie ramki odczytu z dokładnością do jednego nukleotydu. Jej złe ustawienie spowodowałoby niepoprawne odczytanie wszystkich genów, a w rezultacie zsyntetyzowanie nieprawidłowego białka. Trójką startową jest trójka nukleotydów AUG, i to od niej zaczyna się synteza polipeptydu. Oczywiście, chyba tradycyjnie już, przebieg inicjacji jest nieco odmienny w przypadku komórek prokariotycznych i eukariotycznych.
mRNA komórek prokariotycznych, ma przed stratową trójką AUG sekwencję, pozwalającą mu na związanie się z mniejszą podjednostką rybosomu. Dzięki temu ramka odczytu ustawia się poprawnie. Później następuje przyłączenie tRNA z formylometioniną, która jest po prostu zmodyfikowaną odpowiednio metioniną. Ostatnim etapem inicjacji jest przyłączenie dużej podjednostki rybosomu. Teraz, gdy mRNA jest już otoczony przez kompletny rybosom, może dojść do następnego etapu - elongacji.
Najpierw jednak należałoby się zając opisem inicjacji w komórkach eukariotycznych. Tutaj nie dochodzi w pierwszej kolejności do połączenia się mRNA z małą podjednostką rybosomu. Czyni to metionylo-tRNA. Dopiero później podłącza się mRNA w pobliżu końca 5`. Przesuwa się on do momentu, w którym metionylo-tRNA odszuka trójkę startową AUG. Teraz do zakończenia inicjacji brakuje już tylko połączenia z dużą podjednostką rybosomu, po czym może nastąpić elongacja.
Elongacja
mRNA jest już połączone z rybosomem, ramka odczytu jest już ustawiona poprawnie. Następnym krokiem, jak nietrudno się domyślić jest wydłużenie łańcucha połączonych ze sobą wiązaniem peptydowym aminokwasów, czyli elongacja. Aby aminokwasy zdołały połączyć się wiązaniem peptydowym, muszą być ułożone w przestrzeni w odpowiedni sposób. Ewolucja jak widać poradziła sobie z tym `problemem'. Otóż rybosom posiada trzy specyficzne miejsca służące do wiązania aminoacylo-tRNA. Są nimi:
• Aminoacylowe (A)
• Peptydowe (P)
• Miejsce wyjścia (E)
Jak już wspomniałem wcześniej, mRNA przesuwa się w obrębie rybosomu, a co za tym idzie przemieszcza się przez kolejne miejsca wiązania aminoacylo-tRNA. W miejscu A dochodzi do wiązania nowych aminoacylo-tRNA, w miejscu P - peptydylo-tRNA (jest to tRNA z dołączonym do niego łańcuchem polipeptydowym), zaś w miejscu E następuje odłączenie wolnego już tRNA i jego powrót do cytoplazmy w celu poszukiwania następnej cząsteczki danego aminokwasu. W momencie, kiedy w dwóch pozycjach w rybosomie obok siebie, w pozycji A i P, znajdują się dwie cząsteczki tRNA z aminokwasami, wiązanie pomiędzy aminokwasem i tRNA ulega rozerwaniu, a wiązanie peptydowe pomiędzy tymi dwoma aminokwasami ulega utworzeniu. Po związaniu dwóch aminokwasów ze sobą, mRNA przesuwa się o długość trzech nukleotydów, tRNA z pozycji P przesuwa się do pozycji E i opuszcza rybosom. tRNA z pozycji A przesuwa się do pozycji P (jest teraz związany nie z pojedynczym aminokwasem, a z zsyntetyzowanym już fragmentem łańcucha polipeptydowego). Natomiast do pozycji A trafia `następny w kolejce' tRNA (związany z aminokwasem), którego kodon jest komplementarny do trójki nukleotydów obecnie znajdującej się na wysokości miejsca A. Elongacja trwa nadal według tego schematu do momentu, w którym w pozycji A znajdzie się kodon kończący translację - trójka STOP. Jest to zarazem początek następnego etapu - terminacji.
Terminacja
W cytoplazmie nie znajdziemy tRNA komplementarnego do trójki STOP. W jego miejsce wchodzi specjalne białko, czego następstwem jest rozpad rybosomu na mniejszą i większą podjednostkę, oraz uwolnienie mRNA i polipeptydu. Pomimo tego, że mRNA nie jest trwałą cząsteczką, możliwe jest zsyntetyzowanie na jego bazie kilku cząsteczek białek. Istnieje taka możliwość, gdyż mRNA może być jednocześnie związany z kilkoma rybosomami. Kompleks taki nazywamy polirybosomem. Kompleks ten występuje zarówno w komórkach prokariotycznych, jak i eukariotycznych. Łańcuch polipeptydowy już w trakcie translacji formuje się w struktury II, III i IV-rzędowe (struktura I-rzędowa to po prostu łańcuch połączonych ze sobą aminokwasów, zatem jej utworzenie podczas translacji jest oczywiste). Nie oznacza to jednak zawsze, że białko jest już aktywne. Czasem wymaga dopracowania przez np. przyłączenie reszt lipidu, cukru, modyfikację długości łańcucha lub po prostu musi trafić tam, gdzie ma spełniać swoje funkcje - np. do jądra.
Tu kończy się ekspresja informacji genetycznej. Prześledziliśmy całą `procedurę' tworzenia się białek, cząsteczek które pełnią niezliczone funkcje w komórkach, od genu zapisanego w materiale genetycznym - DNA do struktury powstałej dzięki sporej liczbie innych cząsteczek. Czymś fascynującym jest różnorodność procesów zachodzących w komórkach. Zachęcam do dalszego zgłębiania zagadnień tej dziedziny biologii. ;)
Mam nadzieję, że nie uraził nikogo nieco `luźny' język, którym to opracowanie zostało napisane. Myślę, że osoby zaznajomione z tą dziedziną wiedzy, będą wiedziały o co w tym wszystkim chodzi, a może (taką mam przynajmniej nadzieję) osobom nie do końca rozumiejącym te zagadnienia pomoże on w lepszym ich zrozumieniu.