Bakterijska transkripcija

Bakterijska transkripcija je proces u kojem se segment bakterijske DNK kopira u novosintetizirani lanac informacijske RNK (iRNK) uz korištenje enzima RNK-polimeraza.

Transkripcija je proces kopiranja DNK u RNK, obično iRNK.

Proces se odvija u tri glavna koraka: inicijacija, elongacija i terminacija; a krajnji rezultat je lanac iRNK koji je komplementaran jednom lancu DNK. Općenito, transkribirani region obuhvata više od jednog gena.^[1] U stvari, mnogi prokariotski geni se javljaju u operonima, koji su niz gena koji rade zajedno da kodiraju isti protein ili genski proizvod i kontrolira ih jedan promotor.^[2] Bakterijska RNK-polimeraza sastoji se od četiri podjedinice i kada se spoji peta podjedinica, nazvana σ-faktor, polimeraza može prepoznati specifične vezujuće sekvence u DNK, zvane promotori.^[3] Vezivanje σ-faktora za promotor je prvi korak u inicijaciji. Jednom kada se σ-faktor oslobodi iz polimeraze, nastavlja se elongacija.^[4] Polimeraza nastavlja niz dvolančanu DNK, odmotavajući je i sintetizirajući novi lanac iRNK, sve dok ne dođe do mjesta završetka. Postoje dva mehanizma raskida koja su detaljnije razmotrena u nastavku. Završetak je potreban na određenim mjestima da bi se pojavila odgovarajuća ekspresija gena.^[5] Ekspresija gena određuje koliko genskog proizvoda, kao što je protein, proizvodi gen.^[2] Transkripciju vrši RNK-polimeraza, ali je njena specifičnost kontrolirana specifičnom sekvencom DNK-vezujućim proteinima koji se nazivaju transkripcijski faktori. Transkripcijski faktori rade na prepoznavanju specifičnih sekvenci DNK i na osnovu potreba ćelija, promovišu ili inhibiraju dodatnu transkripciju.^[6] Slično ostalim taksonima, bakterije doživljavaju nalete transkripcije.^{[7]:125[8][9][10][11][12][13]} Rad Jonesovog tima u Jones et al 2014 objašnjava neke od osnovnih uzroka pucanja i druge varijabilnosti, uključujući stabilnost rezultirajuće iRNK,^[7] jačinu promocije kodirane u relevantnom promotoru^[9] i trajanje transkripcije zbog jačine TF-vezujućeg mjesta.^{[9][10][11][12][13]} Također su otkrili da se bakterijski TF-ovi zadržavaju prekratko za TF-ske‍ '​ karakteristike vezivanja kako bi se objasnila kontinuirana transkripcija rafala.^[8]

Bakterijska transkripcija se razlikuje od eukariotske transkripcije na nekoliko načina. Kod bakterija, transkripcija i translacija se mogu odvijati istovremeno u ćelijskoj citoplazmi, dok se kod eukariota transkripcija dešava u jedru, a translacija se dešava u citoplazmi.^[14] Postoji samo jedan tip bakterijske RNK-polimeraze dok eukarioti imaju tri tipa.^[2] Bakterije imaju σ-faktor koji detektuje i vezuje se za promotorska mjesta, ali eukariotima nije potreban σ-faktor. Umjesto toga, imaju transkripcijske faktore koji omogućavaju prepoznavanje i vezivanje promotorskih mjesta.^[2]

Sve u svemu, transkripcija unutar bakterija je visoko reguliran proces koji je kontroliran integracijom mnogih signala u datom trenutku. Bakterije se u velikoj mjeri oslanjaju na transkripciju i translaciju kako bi generirali proteine koji im pomažu da specifično reagiraju na okolinu.^[4]

RNK-polimeraza

RNK polimeraza sastoji se od jezgre i holoenzimske strukture. Srž enzima sadrži katalitska svojstva RNK-polimeraze i sastoji se od podjedinica ββ′α2ω. Ova konzervirana kod svih vrsta bakterija. Holoenzim se sastoji od specifične komponente poznate kao sigma faktor. Sigma faktor pomaže u prepoznavanju promotora, pravilnom postavljanju RNK-polimeraze i početku odmotavanja na početnom mjestu. Nakon što sigma faktor izvrši svoju potrebnu funkciju, on se disocira, dok katalitički dio ostaje na DNK i nastavlja transkripciju.^[4] Dodatno, RNK-polimeraza sadrži jezgro iona Mg+ koji pomaže enzimu sa svojim katalitskim svojstvima . RNK-polimeraza djeluje tako što katalizira nukleofilni napad 3’ OH RNK na alfa fosfat komplementarne molekule NTP, kako bi se stvorio rastući lanac RNK iz šablonskog lanca DNK. Nadalje, RNK-polimeraza također pokazuje aktivnosti egzonukleaze, što znači da ako se otkrije nepravilno uparivanje baza, može izrezati pogrešne baze i zamijeniti ih odgovarajućom, ispravnom.^[15]

Inicijacija

Za pokretanje transkripcije potrebni su promotorski regioni, specifični nukleotidi konsenzusne sekvence koji određuju σ-faktoru na RNK-polimerazi, gdje da se veže za DNK.^[1] Promotori se obično nalaze 15 do 19 baza međusobno udaljene i najčešće se nalaze uzvodno od gena koje kontroliraju.^[1][2] RNK-polimeraza se sastoji od četiri podjedinice, koje uključuju dvije alfe, a beta i beta prost (α, α, β i β'). Peta podjedinica, sigma (nazvana σ-faktor), prisutna je samo tokom inicijacije i odvaja se prije elongacije. Svaka podjedinica ima ulogu u inicijaciji transkripcije, a σ-faktor mora biti prisutan da bi se inicijacija dogodila. Kada je prisutan sav σ-faktor, RNK-polimeraza je u svom aktivnom obliku i naziva se holoenzim. Kada se σ-faktor odvoji, on je u obliku jezgarne polimeraze.^[1][4] σ-faktor prepoznaje promotorske sekvence na –35 i –10 regijama i transkripcija počinje na početnom mjestu (+1). Sekvenca regije –10 je TATAAT, a regije –35 je TTGACA.^[1]

• σ-faktor se vezuje za –35 promotorsku regiju. U ovom trenutku, holoenzim se naziva zatvoreni kompleks jer je DNK još uvijek dvolančana (povezana vodikovim vezama).^[4]
• Kada se σ-faktor veže, preostale podjedinice polimeraze se vežu za to mjesto. Visoka koncentracija veza adenin-timin u regiji –10 olakšava odmotavanje DNK. U ovom trenutku holoenzim se naziva "otvoreni kompleks".^[16] Ovaj otvoreni kompleks se također naziva transkripcijski balon.^[14] Samo jedan lanac DNK, nazvan šablonski lanac (koji se također naziva i nekodirajući lanac ili besmislen/antismislen lanac), se transkribuje .^[2]
• Transkripcija počinje i proizvode se kratke "abortivne" nukleotidne sekvence duge približno 10 parova baza. Ove kratke sekvence su nefunkcionalni dijelovi RNK koji se proizvode i zatim oslobađaju.^[1] Općenito, ova nukleotidna sekvenca se sastoji od oko dvanaest baznih parova i pomaže u doprinosu stabilnosti RNK-polimeraza, tako da je u stanju nastaviti duž lanca DNK.^[15]
• σ-faktor je potreban za pokretanje transkripcije, ali nije potreban za nastavak transkripcije DNK. σ-faktor se odvaja od jezgrenog enzima i elongacija se nastavlja. Ovo signalizira kraj faze inicijacije i holoenzim je sada u obliku jezgrene polimeraze.^[4]

Abortivni ciklusi se javljaju prije oslobađanja sigma faktora

Regija promotora je glavni regulator transkripcije. Promotorske regije regulišu transkripciju svih gena unutar bakterija. Kao rezultat njihovog uključivanja, sekvenca baznih parova unutar regije promotora je značajna; što je promotorska regija sličnija konsenzusnoj sekvenci, to će se čvršće RNK-polimeraza moći vezati. Ovo vezivanje doprinosi stabilnosti faze transkripcijske elongacije i sveukupno rezultira efikasnijim funkcionisanjem. Osim toga, RNK-polimeraza i σ-faktori su u ograničenoj opskrbi unutar bilo koje bakterijske ćelije. Shodno tome, ova ograničenja utiču na vezivanje σ-faktora za promotor. Sve promotorske regije sadrže sekvence koje se smatraju nekonsenzusnim i to pomaže u distribuciji σ-faktora u cijelom genomu.^[17]

Elongacija

Tokom elongacije, RNK-polimeraza klizi niz dvolančanu DNK, odmotavajući je i transkribirajući (kopirajući) njenu nukleotidnu sekvencu u novosintetiziranu RNK. Kretanje RNK-DNK kompleksa je bitno za katalitski mehanizam RNK-polimeraze. Uz to, RNK-polimeraza povećava ukupnu stabilnost ovog procesa, djelujući kao veza između lanaca RNK i DNK.^[18] Novi nukleotidi koji su komplementarni lancu šablona DNK dodaju se na 3' kraj lanca RNK.^[4] Novoformirani lanac RNK je praktički identičan lancu koji kodira DNK (smisleni lanac ili lanac bez šablona), osim što ima timin koji zamjenjuje uracil u okosnici šećera riboze, umjesto kičme šećera deoksiriboze. Pošto nukleozid-trifosfat (NTP) treba da se vežu za OH- molekulu na 3' kraju RNK, transkripcija se uvijek dešava u smjeru 5' do 3'. Četiri NTP-a su adenozin-5'-trifosfat (ATP), gvanozid-5'-trifosfat (GTP), uridin-5'-trifosfat (UTP), i citidin-5'-trifosfat (CTP).^[16] Vezivanje NTP-ova na 3' kraj transkripta RNK obezbjeđuje energiju potrebnu za ovu sintezu.^[2] NTP-ovi su također molekule za proizvodnju energije koji obezbjeđuju gorivo koje pokreće hemijske reakcije u ćeliji.^[4]

Više RNK-polimeraza može biti aktivno odjednom, što znači da se mnogo lanaca iRNK može proizvesti vrlo brzo.^[2] RNK-polimeraza se kreće niz DNK brzo pri približno 40 baza u sekundi. Zbog brze prirode ovog procesa, DNK se neprestano odmotava ispred RNK-polimeraze, a zatim se premotava kada se RNK-polimeraza dalje kreće.^[1][18] Polimeraza ima mehanizam korekture koji ograničava greške na oko 1/10.000 transkribovanih nukleotida.^[19] RNK-polimeraza ima nižu vjernost (tačnost) i brzinu od DNK-polimeraze.^[2] DNK-polimeraza ima veoma različit mehanizam korekture koji uključuje eksonukleaznu aktivnost, što doprinosi većoj vjernosti. Posljedica greške tokom sinteze RNK je obično bezopasna, pri čemu bi greška u sintezi DNK mogla biti štetna.^[2]

Promotorska sekvenca određuje učestalost transkripcije svog odgovarajućeg gena.^[1]

Terminacija

Da bi došlo do odgovarajuće ekspresije gena, transkripcija se mora zaustaviti na određenim mjestima. Dva mehanizma prekida su dobro poznata:

• Intrinzična (unutrašnja) terminacija (takođe nazvana Rho-nezavisna terminacija): Specifične nukleotidne sekvence DNK signaliziraju RNK-polimerazi da prestane. Slijed je obično palindromska sekvenca koja uzrokuje petlju lanca što zaustavlja RNK-polimerazu.^[16] Općenito, ovaj tip terminacije slijedi istu standardnu proceduru. Doći će pauza zbog poliuridinske sekvence koja omogućava formiranje ukosnica. Ova ukosnica će pomoći u formiranju zarobljenog kompleksa, koji će na kraju uzrokovati disocijaciju RNK-polimeraze od lanca šablona DNK i zaustaviti transkripciju.^[15]
• Rho-ovisni termini: ρ faktor (rho faktor) je protein terminatora koji se veže za lanac RNK i prati iza polimeraze tokom elongacije.^[5] Jednom kada se polimeraza približi kraj gena koji transkribuje, nailazi na seriju G nukleotida što uzrokuje zastoj,^[1] koji omogućava rho faktoru da sustigne RNK-polimerazu. Rho protein zatim povlači RNK-transkript iz šablona DNK i novosintetizirana iRNK se oslobađa, završavajući transkripciju.^[1][5] Rho faktor je proteinski kompleks koji također prikazuje helikaznu aktivnosti (sposobna je da odmota niti nukleinske kiseline). On će se vezati za DNK u regijama bogatim citozinom i kada RNK-polimeraza naiđe na nju, formiraće se zarobljeni kompleks koji će uzrokovati disocijaciju svih uključenih molekula i završiti transkripciju, tj terminaciju.^[15]

Završetak transkripcije DNK u bakterijama može biti zaustavljen određenim mehanizmima u kojima će RNKpolimeraza ignorirati terminacijsku sekvencu dok se ne postigne sljedeći. Ovaj fenomen je poznat kao antiterminacija i koriste ga određeni bakteriofagi.^[20]