In diesem und den folgenden Abschnitten werden wir einige Aspekte der Übertragung von Informationen über die DNA-Nukleotidsequenz auf die RNA-Ebene betrachten, den Prozess, der für die Synthese aller Arten von zellulären RNAs in Pro- und Eukaryonten verantwortlich ist. Eine überwältigende Anzahl von bahnbrechenden Arbeiten, in denen die Transkription untersucht wurde - die Art der entsprechenden Reaktionen und ihrer Substrate, der enzymatische Apparat, die Signal-Nukleotidsequenzen, die bestimmen, welche Bereiche der DNA transkribiert werden sollen, und einige Methoden zur Verarbeitung der Transformation von primären Transkripten in reife RNA-Moleküle - wurden an prokaryontischen Systemen durchgeführt. Parallele genetische und biochemische Experimente ermöglichten es, die an der Transkription beteiligten Enzyme und den Mechanismus dieses Prozesses selbst zu untersuchen. Gleichzeitig waren die Bemühungen, die Transkriptions- und Regulierungsapparate in Eukaryonten zu untersuchen, sehr schwierig und viel weniger erfolgreich, vor allem weil die Komponenten ihres Transkriptionsapparates - DNA in Form von Chromatin und RNA-Polymerase - schlecht charakterisiert waren. Darüber hinaus war die Art der Transkriptionseinheiten unbekannt, und es war unmöglich, sie mit genetischen Methoden zu bestimmen.
Mit dem Aufkommen der molekularen Klonierungsverfahren änderte sich die Situation dramatisch. Nun werden viele Gene, die verschiedene Arten von Transkriptionseinheiten umfassen, isoliert, sequenziert und sogar entsprechend modifiziert, um ihre Funktionen zu untersuchen. Darüber hinaus ermöglichte die Verwendung einiger moderner Ansätze, den Transkriptionsapparat verschiedener Organismen von der Hefe bis zum Menschen auf eine neue Art und Weise zu betrachten. Wir meinen die Methoden der DNA-Injektion in Säugerzellkulturen und sogar in Zellen des gesamten tierischen Organismus, die zusammen mit traditionellen Methoden zur Untersuchung gereinigter Transkriptionssysteme in vitro eingesetzt werden. Gleichzeitig wurden Fortschritte bei der Etablierung der Chromatinstruktur und der Eigenschaften von eukaryontischen RNA-Polymerasen erzielt. Detaillierte Daten über die Struktur der Gene, den Mechanismus der Transkription und direkt damit zusammenhängende post-transkriptionelle Ereignisse, die bei der Synthese von RNA in Eukaryonten auftreten.
RNA-Synthese auf der DNA-Matrix
Ein zweikettiges DNA-Molekül ist eine physiologische Matrix für die Synthese aller zellulären RNAs. Auch wenn das Genom, wie bei einigen Viren, durch einzelsträngige DNA repräsentiert wird, wird diese vor der Transkription notwendigerweise in eine zweisträngige Replikationsform umgewandelt. Jede der beiden Ketten genomischer DNA kann transkribiert werden, aber nur eine von ihnen dient normalerweise als Matrix für die Transkription eines einzelnen Gens. In einigen Fällen werden jedoch alle mRNAs aus derselben Kette transkribiert. Sehr selten ist die Transkription auf beiden Ketten am gleichen Ort, so dass die resultierenden Ketten von RNAs komplementär zueinander sind; vielleicht hat diese Methode der Transkription einen besonderen regulatorischen Wert.
Die Nukleotid-Vorläufer für die Synthese von RNA sind vier Ribonukleosid-5'-Triphosphate: ATP, GTP, UTP und CTP. Viele rnAs enthalten modifizierte Nukleotide, aber Veränderungen in den Basen und Ribosieresten treten nach der Polymerisation, d.h. nach der Transkription auf. RNA-Polymerasen können jedoch andere Ribonukleosid-5'-Triphosphate als die vier verwenden, vorausgesetzt, dass die modifizierten Basen eine Paarungsfähigkeit aufweisen, die mit der von Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil vergleichbar ist.
RNA-Polymerasen katalysieren die Reaktion der Zugabe einer 3'-OH-Nukleotidgruppe am wachsenden Ende der Kette zum a-Phosphat des nächsten Ribonukleosid-5'-Triphosphats. Die Wiederholung dieser Reaktion führt zu einer allmählichen Verlängerung der RNA-Kette. Die Bildung jeder neuen Phosphodiesterbindung geht einher mit der Freisetzung von anorganischem Pyrophosphat; die schnelle Hydrolyse von Pyrophosphat zu anorganischem Phosphat in vivo macht die Reaktion der Phosphodiesterbindung energetisch vorteilhaft.
Die Transkription ist ähnlich wie die Replikation in dem Sinne, dass sie auch eine DNA-Matrix erfordert. Die Reihenfolge der Nukleotidaddition wird durch komplementäre Paarung von Basen bestimmt. Damit sich jedes der folgenden Nukleosidtriphosphate mit einer matrixtranskribierten Base paaren kann, muss die DNA-Helix während der Transkription mit DNA-Polymerase abgewickelt werden. Die wachsende Kette der RNA bleibt an das Enzym gebunden und gepaart mit ihrem wachsenden Ende an die 20-30 Nukleotidlänge der Matrixkette; der Rest der Kette ist weder an das Enzym noch an die DNA gebunden. Während die Transkription weitergeht, werden die temporär divergierenden DNA-Ketten wieder vereint und die ursprüngliche Duplexstruktur wiederhergestellt. Somit ist die Transkription ein konservativer Prozess, bei dem die Doppelhelix der DNA erhalten bleibt und die synthetisierte RNA-Kette getrennt wird. Im Gegensatz dazu ist die DNA-Replikation semikonservativ, da beide Ketten des ursprünglichen Duplexes auf zwei Tochterhelixen verteilt sind. Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen DNA-Replikation und DNA-Transkription besteht darin, dass die Replikation nicht ohne Primer beginnen kann, und die Einleitung der RNA-Synthese mit RNA-Polymerase ist de novo, beginnend mit dem Ribonukleosidtriphosphat, das dem ersten Nukleotid in der RNA-Kette entspricht.
Fortsetzung folgt..