Transkription ist die Synthese von RNA von einer DNA-Matrize, der erste Schritt der Genexpression. In Eukaryoten durchläuft das primäre Transkript eine umfangreiche Prozessierung, um funktionelle RNA-Moleküle zu produzieren. Transkripte können durch RNA-Sequenzierung analysiert und durch reverse Transkriptions-PCR amplifiziert werden.
RNA-Polymerasen
Prokaryoten haben eine einzelne RNA-Polymerase, ein Multi-Untereinheiten-Enzym, das alle RNA-Typen synthetisiert. Das Kernenzym besteht aus Alpha-, Beta- und Beta-Prime-Untereinheiten und assoziiert mit einem Sigma-Faktor, der Promotorsequenzen erkennt. Der Sigma-70-Faktor erkennt Standard-Bakterienpromotoren mit -10- und -35-Konsensussequenzen.
Eukaryoten haben drei nukleäre RNA-Polymerasen. Die RNA-Polymerase I transkribiert ribosomale RNA-Gene im Nukleolus. Die RNA-Polymerase II transkribiert proteinkodierende Gene zur Produktion von mRNA und vielen nicht-kodierenden RNAs, wobei ihre große C-terminale Domäne Heptad-Wiederholungen enthält, die während der Transkription phosphoryliert werden. Die RNA-Polymerase III transkribiert kleine RNAs, einschließlich tRNA, 5S-rRNA und snRNA.
Transkriptionsinitiation
Die Transkription beginnt an Promotorsequenzen, die die RNA-Polymerase zur korrekten Startstelle leiten. In Eukaryoten benötigt die RNA-Polymerase II die Assemblierung allgemeiner Transkriptionsfaktoren am Kernpromotor. TFIID, das TATA-bindende Protein enthält, erkennt die TATA-Box, und andere Faktoren rekrutieren Pol II. Der Mediatorkomplex integriert regulatorische Signale von Enhancer-gebundenen Transkriptionsfaktoren. Es folgt die Promotor-Freisetzung, wobei die CTD an Serin 5 durch TFIIH phosphoryliert wird, was Pol II aus dem Initiationskomplex freisetzt.
Elongation
Während der Elongation bewegt sich die RNA-Polymerase entlang des Matrizenstrangs und synthetisiert RNA in 5’-3’-Richtung. Das aktive Zentrum fügt Ribonukleotide komplementär zur Matrize hinzu, wobei der wachsende RNA-Strang einen temporären Hybrid mit der DNA-Matrize bildet. Die Transkriptionsblase bewegt sich mit der Polymerase, wobei die DNA dahinter wieder aufgewickelt und davor entwunden wird. Während der Elongation wird die CTD an Serin 2 phosphoryliert, was RNA-Prozessierungsfaktoren rekrutiert. Pausieren und Rückwärtsbewegung können auftreten und bieten regulatorische Kontrollpunkte.
Termination
Die Terminationsmechanismen unterscheiden sich zwischen den Polymerasen. Die bakterielle RNA-Polymerase terminiert an Haarnadelstrukturen, die den Elongationskomplex destabilisieren, oder durch den Rho-Faktor, der den Komplex aktiv dissoziiert. Die RNA-Polymerase I terminiert an spezifischen, von Terminatoren erkannten Sequenzen. Die Termination der RNA-Polymerase II ist an die Polyadenylierung gekoppelt, wobei die Spaltung der Prä-mRNA die Transkriptfreisetzung auslöst. Die RNA-Polymerase III terminiert an einer Abfolge von Thyminresten in der Matrize.
5’-Capping
Das 5’-Ende von Pol-II-Transkripten wird co-transkriptionell modifiziert. Eine 7-Methylguanosin-Kappe wird in umgekehrter Orientierung durch eine 5’-5’-Triphosphatbindung hinzugefügt. Das Capping-Enzym wird an die phosphorylierte CTD rekrutiert. Die Kappe schützt das Transkript vor 5’-Exonukleasen, verbessert die Translation durch Bindung von eIF4E und erleichtert den nukleären Export. Die Kappe ist auch für effizientes Spleißen und Polyadenylierung wichtig.
RNA-Spleißen
Die meisten eukaryotischen Gene enthalten Introns, die aus der Prä-mRNA entfernt werden müssen. Das Spleißen wird durch das Spleißosom katalysiert, einem dynamischen Komplex aus fünf snRNPs und zahlreichen Proteinen. Die Reaktion umfasst zwei Transesterifizierungsschritte. Erstens greift die 2’-Hydroxylgruppe des Verzweigungspunkt-Adenosins die 5’-Spleißstelle an und bildet ein Lariat-Zwischenprodukt. Zweitens greift die freie 3’-Hydroxylgruppe des 5’-Exons die 3’-Spleißstelle an, verbindet die Exons und setzt das Lariat-Intron frei.
Alternatives Spleißen ermöglicht es einem einzelnen Gen, mehrere mRNA-Varianten zu produzieren. Über 95 % der menschlichen Gene unterliegen alternativem Spleißen, was das Proteom enorm erweitert. Das Spleißen wird durch Enhancer- und Silencer-Sequenzen reguliert, die SR-Proteine bzw. hnRNPs binden.
3’-Prozessierung
Die Prä-mRNA wird an der Polyadenylierungsstelle gespalten, und ein Poly-A-Schwanz von 100 bis 250 Adeninresten wird durch die Poly-A-Polymerase hinzugefügt. Der Spaltungs- und Polyadenylierungsspezifitätsfaktor erkennt das AAUAAA-Polyadenylierungssignal, während der Spaltungsstimulationsfaktor an stromabwärts gelegene GU-reiche Elemente bindet. Die Spaltungsfaktoren I und II führen die endonukleolytische Spaltung durch. Das Poly-A-bindende Protein beschichtet den Schwanz, schützt die mRNA vor Abbau und fördert die Translation.
