Em formação

A tradução pode ocorrer sem transcrição?


Esta questão é voltada principalmente para vírus com ssRNA, a transcrição é necessária, para o RNA da fita + ve? Se sim, por quê?


Estou assumindo que a questão é se, em vírus de RNA + ve de base única, a tradução do RNA de fita positiva pode ocorrer antes da transcrição.

Em primeiro lugar, existem muitas famílias diferentes de vírus e é provável que haja contra-exemplos para tudo o que eu disser aqui. No entanto, com aquele passageiro:

  1. Geralmente nos referimos à replicação de vírus de RNA por RNA polimerase dependente de RNA, em vez de transcrição. eu não sou consciente de qualquer vírus de RNA que possui uma RNA polimerase que reconhece promotores e transcreve genes específicos. Esses vírus tendem a se replicar no citoplasma e, portanto, não têm acesso à RNA polimerase do hospedeiro.

  2. Tem que haver replicação, e isso tende a ser conservador, ao invés de semi-conservador. Com isso, quero dizer que, quando as fitas negativas são geradas, elas atuam como modelos para muitas fitas positivas, que são necessárias para as partículas de vírus.

  3. No caso de picornavírus, como a poliomielite, a tradução pode ocorrer antes da replicação. Como é comum com pequenos vírus de RNA, há um único local de iniciação para a tradução - no caso da poliomielite, uma poliproteína é produzida, que é subsequentemente clivada em polipeptídeos individuais. O diagrama abaixo é da entrada da Wikipedia sobre poliovírus e é reproduzido aqui sob o Creative Commons licença.

[Nidia H De Jesus (imagem e legenda) - De Jesus NH (2007). "Epidemias à erradicação: a história moderna da poliomielite". Virol. J. 4: 70. DOI: 10.1186 / 1743-422X-4-70. PMID 17623069. O ciclo de vida celular do poliovírus. É iniciada pela ligação de um poliovírus à macromolécula CD155 da superfície celular, que funciona como o receptor (1). O desprendimento do RNA viral é mediado pela desestabilização dependente do receptor do capsídeo do vírus (2). A clivagem da proteína viral VPg é realizada por uma fosfodiesterase celular, e a tradução do RNA viral ocorre por um mecanismo cap-independente (mediado por IRES) (3). O processamento proteolítico da poliproteína viral produz proteínas estruturais e não estruturais maduras (4). O RNA de sentido positivo serve como molde para a síntese de fita negativa complementar, produzindo assim um RNA de fita dupla (forma replicativa, RF) (5). A iniciação de muitas fitas positivas de uma única fita negativa produz o intermediário replicativo parcialmente de fita simples (RI) (6). As moléculas de RNA de sentido positivo recentemente sintetizadas podem servir como modelos para tradução (7) ou se associar a precursores de capsídeo para sofrer encapsidação e induzir a clivagem de maturação de VP0 (8), que em última análise gera vírions progênie. A lise da célula infectada resulta na liberação de vírions descendentes infecciosos (9).]


O material genético é armazenado na forma de DNA na maioria dos organismos. Em humanos, o núcleo de cada célula contém 3 × 10 9 pares de bases de DNA distribuídos em 23 pares de cromossomos, e cada célula possui duas cópias do material genético. Isso é conhecido coletivamente como o genoma humano. O genoma humano contém cerca de 30.000 genes, cada um dos quais codifica uma proteína.

Grandes trechos de DNA no genoma humano são transcritos, mas não codificam para proteínas. Essas regiões são chamadas íntrons e constituem cerca de 95% do genoma. A sequência de nucleotídeos do genoma humano é agora conhecida com um grau razoável de precisão, mas ainda não entendemos por que grande parte dela não é codificada. Parte desse DNA não codificador controla a expressão gênica, mas o propósito de grande parte dele ainda não foi compreendido. Este é um assunto fascinante que certamente avançará rapidamente nos próximos anos.

o Dogma Central da Biologia Molecular afirma que DNA faz RNA faz proteínas (Figura 1).

Figura 1 | O Dogma Central da Biologia Molecular: DNA faz RNA faz proteínas

O processo pelo qual o DNA é copiado para o RNA é chamado de transcrição, e aquele pelo qual o RNA é usado para produzir proteínas é chamado de tradução.

Replicação de DNA

Cada vez que uma célula se divide, cada uma de suas fitas duplas de DNA se divide em duas fitas simples. Cada uma dessas fitas simples atua como um modelo para uma nova fita de DNA complementar. Como resultado, cada nova célula tem seu próprio genoma completo. Este processo é conhecido como Replicação de DNA. A replicação é controlada pelo emparelhamento Watson-Crick das bases na fita modelo com os trifosfatos de desoxinucleosídeos de entrada e é dirigida por enzimas de DNA polimerase. É um processo complexo, especialmente em eucariotos, envolvendo uma série de enzimas. Uma versão simplificada da replicação do DNA bacteriano é descrita na Figura 2.

Figura 2 | Replicação de DNA em bactérias Representação simplificada da replicação de DNA em bactérias.

A biossíntese de DNA prossegue na direção 5 ° C para 3 °. Isso torna impossível para a DNA polimerases sintetizar as duas fitas simultaneamente. Uma parte da dupla hélice deve primeiro se desenrolar, e isso é mediado por helicase enzimas.

O filamento principal é sintetizado continuamente, mas o filamento oposto é copiado em rajadas curtas de cerca de 1000 bases, conforme o modelo do filamento posterior torna-se disponível. Os fios curtos resultantes são chamados Fragmentos de Okazaki (após seus descobridores, Reiji e Tsuneko Okazaki). As bactérias têm pelo menos três DNA polimerases distintas: Pol I, Pol II e Pol III é a Pol III que está amplamente envolvida no alongamento da cadeia. Estranhamente, as polimerases de DNA não podem iniciar a síntese de DNA de novo, mas requerem um primer curto com um grupo 3 & prime-hidroxila livre. Isso é produzido na fita retardada por uma RNA polimerase (chamada DNA primase) que é capaz de usar o molde de DNA e sintetizar um pequeno pedaço de RNA com cerca de 20 bases de comprimento. Pol III pode então assumir, mas eventualmente encontra um dos fragmentos curtos de RNA previamente sintetizados em seu caminho. Nesse ponto, Pol I assume o controle, usando sua atividade de exonuclease 5 ° a 3 ° para digerir o RNA e preencher a lacuna com DNA até atingir um trecho contínuo de DNA. Isso deixa uma lacuna entre a extremidade 3 & prime do DNA recém-sintetizado e a extremidade 5 & prime do DNA previamente sintetizado por Pol III. A lacuna é preenchida pela DNA ligase, uma enzima que faz uma ligação covalente entre um 5 & prime-fosfato e um grupo 3 & prime-hidroxila (Figura 3). O início da replicação do DNA na fita principal é mais complexo e é discutido em detalhes em textos mais especializados.

Figura 3 | DNA polimerases na replicação do DNA Representação simplificada da ação das DNA polimerases na replicação do DNA em bactérias.

Erros na replicação do DNA

A replicação do DNA não é perfeita. Erros ocorrem na replicação do DNA, quando a base incorreta é incorporada à fita crescente de DNA. Isto leva a incompatível pares de bases, ou emparelhamentos errados. As polimerases de DNA têm atividade de revisão, e enzimas de reparo de DNA evoluíram para corrigir esses erros. Ocasionalmente, os pares incorretos sobrevivem e são incorporados ao genoma na próxima rodada de replicação. Essas mutações podem não ter consequências, podem resultar na morte do organismo, podem resultar em doença genética ou câncer ou podem dar ao organismo uma vantagem competitiva sobre seus vizinhos, o que leva à evolução por seleção natural.

Transcrição

A transcrição é o processo pelo qual o DNA é copiado (transcrito) para mRNA, que carrega as informações necessárias para a síntese de proteínas. A transcrição ocorre em duas grandes etapas. Primeiro, o RNA pré-mensageiro é formado, com o envolvimento de enzimas RNA polimerase. O processo depende do emparelhamento de bases Watson-Crick, e a fita simples de RNA resultante é o complemento reverso da sequência de DNA original. O RNA pré-mensageiro é então "editado" para produzir a molécula de mRNA desejada em um processo denominado Splicing de RNA.

Formação de RNA pré-mensageiro

O mecanismo de transcrição tem paralelos com o da replicação do DNA. Tal como acontece com a replicação do DNA, o desenrolamento parcial da dupla hélice deve ocorrer antes que a transcrição possa ocorrer, e são as enzimas da RNA polimerase que catalisam esse processo.

Ao contrário da replicação do DNA, em que ambas as fitas são copiadas, apenas uma das fitas é transcrita. A fita que contém o gene é chamada de senso fita, enquanto a fita complementar é a anti-sentido vertente. O mRNA produzido na transcrição é uma cópia da fita sense, mas é a fita antisense que é transcrita.

Os ribonucleosídeos trifosfatos (NTPs) se alinham ao longo da fita de DNA antisense, com o emparelhamento de bases de Watson-Crick (pares A com U). A RNA polimerase une os ribonucleotídeos para formar uma molécula de RNA pré-mensageiro que é complementar a uma região da fita de DNA antisense. A transcrição termina quando a enzima RNA polimerase atinge um trio de bases que é lido como um sinal de "parada". A molécula de DNA se enrola novamente para formar a dupla hélice.

Figura 4 | Transcrição Representação simplificada da formação de RNA pré-mensageiro (laranja) a partir de DNA de fita dupla (azul) na transcrição.

Splicing de RNA

O RNA pré-mensageiro assim formado contém íntrons que não são necessários para a síntese de proteínas. O RNA pré-mensageiro é picado para remover os íntrons e criar RNA mensageiro (mRNA) em um processo chamado splicing de RNA (Figura 5).

Figura 5 | Processamento de RNA Os íntrons são processados ​​do RNA pré-mensageiro para dar RNA mensageiro (mRNA).

Splicing alternativo

No splicing alternativo, os exons individuais são spliced ​​ou incluídos, dando origem a vários produtos diferentes de mRNA possíveis. Cada produto de mRNA codifica para uma isoforma de proteína diferente, essas isoformas de proteína diferem em sua sequência de peptídeo e, portanto, em sua atividade biológica. Estima-se que até 60% dos produtos de genes humanos passam por splicing alternativo. Vários mecanismos diferentes de splicing alternativo são conhecidos, dois dos quais são ilustrados na Figura 6.

Figura 6 | Splicing alternativo Existem vários mecanismos diferentes de splicing alternativo - um exon de cassete pode ser incluído ou excluído do RNA final (parte superior), ou dois exons de cassete podem ser mutuamente exclusivos (parte inferior).

O splicing alternativo contribui para a diversidade de proteínas - um único transcrito de gene (RNA) pode ter milhares de padrões de splicing diferentes e, portanto, codificará para milhares de proteínas diferentes: um proteoma diverso é gerado a partir de um genoma relativamente limitado. O splicing é importante na regulação genética (a alteração do padrão de splicing em resposta às condições celulares altera a expressão da proteína). Talvez não seja surpreendente, os padrões de splicing anormais podem levar a estados de doença, incluindo câncer.

Transcrição reversa

Na transcrição reversa, o RNA é "transcrito reversamente" em DNA. Esse processo, catalisado por enzimas de transcriptase reversa, permite que retrovírus, incluindo o vírus da imunodeficiência humana (HIV), usem o RNA como seu material genético. As enzimas de transcriptase reversa também encontraram aplicações em biotecnologia, permitindo aos cientistas converter RNA em DNA para técnicas como PCR.

Tradução

O mRNA formado na transcrição é transportado para fora do núcleo, para o citoplasma, para o ribossomo (a fábrica de síntese de proteínas da célula). Aqui, ele direciona a síntese de proteínas. O RNA mensageiro não está diretamente envolvido na síntese de proteínas - o RNA de transferência (tRNA) é necessário para isso. O processo pelo qual o mRNA direciona a síntese de proteínas com a ajuda do tRNA é denominado tradução.

O ribossomo é um complexo muito grande de moléculas de RNA e proteínas. Cada trecho de três bases de mRNA (tripleto) é conhecido como um códon, e um códon contém as informações para um aminoácido específico. À medida que o mRNA passa pelo ribossomo, cada códon interage com o anticódon de uma molécula de RNA de transferência específica (tRNA) por emparelhamento de bases de Watson-Crick. Esta molécula de tRNA carrega um aminoácido em seu terminal 3 & prime, que é incorporado à cadeia de proteína em crescimento. O tRNA é então expelido do ribossomo. A Figura 7 mostra as etapas envolvidas na síntese de proteínas.

Figura 7 | As moléculas de tradução (a) e (b) tRNA ligam-se aos dois locais de ligação do ribossomo, e por ligação de hidrogênio ao mRNA (c) uma ligação peptídica se forma entre os dois aminoácidos para formar um dipeptídeo, enquanto a molécula de tRNA é deixada sem carga (d) a molécula de tRNA sem carga deixa o ribossomo, enquanto o ribossomo move um códon para a direita (o dipeptídeo é translocado de um local de ligação para o outro) (e) outra molécula de tRNA se liga (f) uma ligação peptídica se forma entre os dois aminoácidos para formar um tripeptídeo (g) a molécula de tRNA não carregada deixa o ribossomo.

RNA de transferência

O RNA de transferência adota uma estrutura terciária bem definida que é normalmente representada em duas dimensões como uma forma de trevo, como na Figura 7. A estrutura do tRNA é mostrada em mais detalhes na Figura 8.

Figura 8 | Estruturas bidimensionais do tRNA (RNA de transferência) Em alguns tRNAs, o braço DHU tem apenas três pares de bases.

Cada aminoácido tem seu próprio tRNA especial (ou conjunto de tRNAs). Por exemplo, o tRNA para fenilalanina (tRNAPhe) é diferente daquele para histidina (tRNAHis). Cada aminoácido é ligado ao seu tRNA através do grupo 3 & prime-OH para formar um éster que reage com o grupo α-amino do aminoácido terminal da cadeia protéica em crescimento para formar uma nova ligação amida (ligação peptídica) durante a síntese de proteínas (Figura 9). A reação de ésteres com aminas é geralmente favorável, mas a taxa de reação é muito aumentada no ribossomo.

Figura 9 | Síntese de proteínas Reação da cadeia polipeptídica em crescimento com a extremidade 3 & principal do tRNA carregado. O aminoácido é transferido da molécula de tRNA para a proteína.

Cada molécula de RNA de transferência tem uma estrutura terciária bem definida que é reconhecida pela enzima aminoacil tRNA sintetase, que adiciona o aminoácido correto à extremidade 3 & principal do tRNA não carregado. A presença de nucleosídeos modificados é importante na estabilização da estrutura do tRNA. Algumas dessas modificações são mostradas na Figura 10.

Figura 10 | Bases modificadas em estruturas de tRNA de algumas das bases modificadas encontradas em tRNA.

O código genético

O código genético é quase universal. É a base da transmissão da informação hereditária pelos ácidos nucléicos em todos os organismos. Existem quatro bases no RNA (A, G, C e U), portanto, existem 64 códigos tripletos possíveis (4 3 = 64). Em teoria, apenas 22 códigos são necessários: um para cada um dos 20 aminoácidos naturais, com a adição de um códon de início e um códon de parada (para indicar o início e o fim de uma sequência de proteína). Muitos aminoácidos têm vários códigos (degeneração), de modo que todos os 64 códigos triplos possíveis sejam usados. Por exemplo, Arg e Ser têm 6 códons cada um, enquanto Trp e Met têm apenas um. Não existem dois aminoácidos com o mesmo código, mas os aminoácidos cujas cadeias laterais têm propriedades físicas ou químicas semelhantes tendem a ter sequências de codões semelhantes, e. as cadeias laterais de Phe, Leu, Ile, Val são todas hidrofóbicas e Asp e Glu são ambos ácidos carboxílicos (ver Figura 11). Isso significa que, se o tRNA incorreto for selecionado durante a tradução (devido ao pareamento incorreto de uma única base na interface códon-anticódon), o aminoácido incorreto provavelmente terá propriedades semelhantes às da molécula de tRNA pretendida. Embora a proteína resultante tenha um aminoácido incorreto, ela tem grande probabilidade de ser funcional. Os organismos mostram "tendência de códon" e usam certos códons para um determinado aminoácido mais do que outros. Por exemplo, o uso de códons em humanos é diferente daquele em bactérias, às vezes pode ser difícil expressar uma proteína humana em bactérias porque o tRNA relevante pode estar presente em uma concentração muito baixa.

Figura 11 | O código genético - atribuições de códons tripletos para os 20 aminoácidos. Além de codificar para metionina, AUG é usado como um códon de início, iniciando a biossíntese de proteínas

Um exercício de uso do código genético

Uma fita de DNA genômico (fita A, fita codificadora) contém a seguinte leitura de sequência de 5 & prime- a 3 & prime-:

Esta fita formará o seguinte duplex:

A sequência de bases na outra fita de DNA (fita B) escrita 5 & prime- a 3 & prime- é, portanto,

A sequência de bases no mRNA transcrita da fita A do DNA escrita 5 & prime- a 3 & prime- é

A sequência de aminoácidos codificada pelo mRNA acima é

No entanto, se a fita B de DNA for a fita codificadora, a sequência de mRNA será:

e a sequência de aminoácidos será:

A hipótese Wobble

Uma inspeção cuidadosa de todos os códons disponíveis para um determinado aminoácido revela que a variação é maior na terceira posição (por exemplo, os códons para alanina são GCU, GCC, GCA e GCG). Crick e Brenner propuseram que uma única molécula de tRNA pode reconhecer códons com diferentes bases na extremidade 3 & prime devido à formação de pares de bases não Watson-Crick com a terceira base na interação códon-anticódon. Esses pares de bases não padrão são diferentes em forma de A · U e G · C e o termo hipótese de oscilação indica que um certo grau de flexibilidade ou "oscilação" é permitido nesta posição no ribossomo. Nem todas as combinações são exemplos possíveis de emparelhamentos "permitidos" são mostrados na Figura 12.

Figura 12 | Estruturas de pares de bases oscilantes encontradas no RNA

A capacidade das bases do DNA de formar pares de bases oscilantes, bem como pares de bases Watson-Crick, pode resultar em incompatibilidades de pares de bases que ocorrem durante a replicação do DNA. Se não forem reparados por enzimas de reparo de DNA, essas incompatibilidades podem levar a doenças genéticas e câncer.


Transcrição Procariótica

Iniciação da Transcrição em Procariontes

Os procariotos não têm núcleos fechados por membrana. Portanto, os processos de transcrição, tradução e degradação do mRNA podem ocorrer simultaneamente. O nível intracelular de uma proteína bacteriana pode ser rapidamente amplificado por vários eventos de transcrição e tradução ocorrendo simultaneamente no mesmo molde de DNA. A transcrição procariótica freqüentemente cobre mais de um gene e produz mRNAs policistrônicos que especificam mais de uma proteína.

Nossa discussão aqui exemplificará a transcrição, descrevendo este processo em Escherichia coli, uma espécie bacteriana bem estudada. Embora existam algumas diferenças entre a transcrição em E. coli e transcrição em archaea, uma compreensão de E. coli a transcrição pode ser aplicada a virtualmente todas as espécies bacterianas.

RNA polimerase procariótica

Os procariontes usam a mesma RNA polimerase para transcrever todos os seus genes. No E. coli, a polimerase é composta por cinco subunidades polipeptídicas, duas das quais são idênticas. Quatro dessas subunidades, denotadas α, α, β, e β′ Compreende a polimerase enzima central. Essas subunidades se agrupam toda vez que um gene é transcrito e se desmontam quando a transcrição é concluída. Cada subunidade tem uma função única, as duas α-subunidades são necessárias para montar a polimerase no DNA do β-subunidade se liga ao ribonucleosídeo trifosfato que se tornará parte da nascente molécula de mRNA "recém-nascida" e a β′ Liga a fita modelo de DNA. A quinta subunidade, σ, está envolvido apenas na iniciação da transcrição. Ele confere especificidade transcricional de modo que a polimerase começa a sintetizar mRNA a partir de um local de iniciação apropriado. Sem σ, a enzima central seria transcrita a partir de locais aleatórios e produziria moléculas de mRNA que especificariam o jargão protéico. A polimerase composta por todas as cinco subunidades é chamada de holoenzima.

Promotores procarióticos

Figura 1. A subunidade σ da RNA polimerase procariótica reconhece as sequências de consenso encontradas na região do promotor a montante da visão do início da transcrição. A subunidade σ se dissocia da polimerase após o início da transcrição.

UMA promotor é uma sequência de DNA à qual a maquinaria de transcrição se liga e inicia a transcrição. Na maioria dos casos, os promotores existem a montante dos genes que regulam. A sequência específica de um promotor é muito importante porque determina se o gene correspondente é transcrito o tempo todo, algumas vezes ou raramente. Embora os promotores variem entre os genomas procarióticos, alguns elementos são conservados. Nas regiões -10 e -35 a montante do local de iniciação, existem dois promotores consenso sequências ou regiões que são semelhantes em todos os promotores e em várias espécies bacterianas (Figura 1).

A sequência de consenso -10, chamada de região -10, é TATAAT. A sequência -35, TTGACA, é reconhecida e ligada por σ. Uma vez que essa interação é feita, as subunidades da enzima central ligam-se ao local. A região -10 rica em A – T facilita o desenrolamento do molde de DNA, e várias ligações fosfodiéster são feitas. A fase de iniciação da transcrição termina com a produção de transcritos abortivos, que são polímeros de aproximadamente 10 nucleotídeos que são produzidos e liberados.

Alongamento e terminação em procariontes

A fase de alongamento da transcrição começa com a liberação do σ subunidade da polimerase. A dissociação de σ permite que a enzima central prossiga ao longo do molde de DNA, sintetizando mRNA na direção 5 ′ a 3 ′ a uma taxa de aproximadamente 40 nucleotídeos por segundo. À medida que o alongamento prossegue, o DNA é continuamente desenrolado à frente da enzima central e rebobinado atrás dela (Figura 2). O emparelhamento de bases entre DNA e RNA não é estável o suficiente para manter a estabilidade dos componentes da síntese de mRNA. Em vez disso, a RNA polimerase atua como um ligante estável entre o molde de DNA e as fitas nascentes de RNA para garantir que o alongamento não seja interrompido prematuramente.

Figura 2. Clique para ampliar a imagem. Durante o alongamento, a RNA polimerase procariótica segue ao longo do molde de DNA, sintetiza mRNA na direção 5 ′ a 3 ′ e desenrola e retrocede o DNA à medida que é lido.

Sinais de terminação procariótica

Uma vez que um gene é transcrito, a polimerase procariótica precisa ser instruída a se dissociar do molde de DNA e liberar o mRNA recém-formado. Dependendo do gene que está sendo transcrito, existem dois tipos de sinais de terminação. Um é baseado em proteínas e o outro é baseado em RNA. Rescisão dependente de Rho é controlada pela proteína rho, que segue atrás da polimerase na crescente cadeia de mRNA. Perto do final do gene, a polimerase encontra uma sequência de nucleotídeos G no molde de DNA e ele para. Como resultado, a proteína rho colide com a polimerase. A interação com rho libera o mRNA da bolha de transcrição.

Terminação independente de Rho é controlado por sequências específicas na fita modelo de DNA. À medida que a polimerase se aproxima do final do gene que está sendo transcrito, ela encontra uma região rica em nucleotídeos C – G. O mRNA se dobra sobre si mesmo e os nucleotídeos C – G complementares se ligam. O resultado é um estável grampo isso faz com que a polimerase pare assim que começa a transcrever uma região rica em nucleotídeos A – T. A região U – A complementar do transcrito do mRNA forma apenas uma interação fraca com o DNA molde. Isso, juntamente com a polimerase paralisada, induz instabilidade suficiente para a enzima do núcleo se separar e liberar o novo transcrito de mRNA.

Após a rescisão, o processo de transcrição está completo. No momento em que ocorre o término, o transcrito procariótico já teria sido usado para iniciar a síntese de numerosas cópias da proteína codificada porque esses processos podem ocorrer simultaneamente. A unificação da transcrição, tradução e mesmo degradação do mRNA é possível porque todos esses processos ocorrem na mesma direção 5 ′ para 3 ′ e porque não há compartimentação membranosa na célula procariótica (Figura 3). Em contraste, a presença de um núcleo em células eucarióticas impede a transcrição e tradução simultâneas.

Figura 3. Múltiplas polimerases podem transcrever um único gene bacteriano enquanto numerosos ribossomos traduzem simultaneamente os transcritos de mRNA em polipeptídeos. Dessa forma, uma proteína específica pode atingir rapidamente uma alta concentração na célula bacteriana.

Visite esta animação do BioStudio para ver o processo de transcrição procariótica.

Questões Práticas

Qual subunidade do E. coli a polimerase confere especificidade à transcrição?

As regiões -10 e -35 dos promotores procarióticos são chamadas de sequências de consenso porque ________.

  1. eles são idênticos em todas as espécies bacterianas
  2. eles são semelhantes em todas as espécies bacterianas
  3. eles existem em todos os organismos
  4. eles têm a mesma função em todos os organismos

Pré-RNA e mRNA

Após a transcrição, eucariótico pré-mRNAs devem passar por várias etapas de processamento antes de serem traduzidos. Os tRNAs e rRNAs eucarióticos (e procarióticos) também sofrem processamento antes de poderem funcionar como componentes na maquinaria de síntese de proteínas.

Processamento de mRNA

O pré-mRNA eucariótico sofre extenso processamento antes de estar pronto para ser traduzido. As etapas adicionais envolvidas na maturação do mRNA eucariótico criam uma molécula com uma meia-vida muito mais longa do que um mRNA procariótico. Os mRNAs eucarióticos duram várias horas, enquanto o típico E. coli O mRNA não dura mais do que cinco segundos.

As três etapas mais importantes do processamento do pré-mRNA são a adição de fatores de estabilização e sinalização nas extremidades 5 'e 3' da molécula e a remoção das sequências intervenientes que não especificam os aminoácidos apropriados.

5 ′ Capping

Um boné é adicionado à extremidade 5 'do transcrito em crescimento por uma ligação de fosfato. Esta adição protege o mRNA da degradação. Além disso, os fatores envolvidos na síntese de proteínas reconhecem a tampa para ajudar a iniciar a tradução pelos ribossomos.

3 ′ cauda poli-A

Uma vez que o alongamento esteja completo, uma enzima chamada polimerase poli-A adiciona uma cadeia de aproximadamente 200 resíduos A, chamada de cauda poli-A para o pré-mRNA. Esta modificação protege ainda mais o pré-mRNA da degradação e sinaliza a exportação dos fatores celulares de que o transcrito precisa para o citoplasma.

Splicing Pré-mRNA

Genes eucarióticos são compostos de exons, que correspondem a sequências de codificação de proteínas (ex-em significa que eles são expressionado), e intexperimentar sequências chamadas íntrons (intron denota seu intfunção de desenvolvimento), que são removidos do pré-mRNA durante o processamento. As sequências de íntrons no mRNA não codificam proteínas funcionais.

Todos os íntrons de um pré-mRNA & # 8217s devem ser removidos completa e precisamente antes da síntese de proteínas. Se o processo errar mesmo por um único nucleotídeo, o quadro de leitura dos exons reunidos mudaria e a proteína resultante seria disfuncional. O processo de remoção de íntrons e reconexão de exons é chamado emenda (Figura 3).

Pergunta Prática

Figura 3. O splicing pré-mRNA envolve a remoção precisa de íntrons do transcrito primário de RNA. O processo de splicing é catalisado por complexos de proteínas chamados spliceossomos, que são compostos de proteínas e moléculas de RNA chamadas snRNAs. Os spliceossomos reconhecem sequências nas extremidades 5 'e 3' do íntron.

Erros no splicing estão implicados em cânceres e outras doenças humanas. Que tipos de mutações podem levar a erros de splicing?


Não, realmente, as vacinas de mRNA não vão afetar o seu DNA

A versão curta: Não há nenhuma maneira plausível de que as vacinas de mRNA alterem seu DNA. Isso violaria basicamente tudo o que sabemos sobre biologia celular.

Recentemente, recebi um fluxo de perguntas sobre como podemos realmente ter certeza de que as vacinas de mRNA não afetarão nosso DNA. Em minha postagem anterior sobre o assunto, escrevi:

Outra preocupação levantada foi a ideia de que o mRNA pode de alguma forma alterar o genoma do hospedeiro. Isso seria realmente muito legal e enorme para a terapia genética (e eu poderia finalmente me dar as asas de morcego gigantes que sempre quis), mas não é assim. Isso é normalmente impossível, exceto se também houver uma enzima transcriptase reversa presente que produz DNA a partir do modelo de RNA, que é como os retrovírus funcionam. Esse risco não existe com nenhuma vacina candidata de mRNA. As vacinas de mRNA agem inteiramente dentro do citosol da célula - elas não chegam perto do núcleo onde está todo o DNA. Essa é realmente uma grande vantagem das vacinas baseadas em RNA sobre as de DNA.

Eu dei essa resposta em grande parte porque senti que a discussão detalhada sobre a transcrição reversa, o tráfico nuclear, a via endocítica e os outros 11 ou mais tópicos avançados de biologia celular que eu teria que invocar para dar uma resposta rigorosa eram muito complexos para ser benéfico para a pessoa comum que deseja saber simplesmente se isso é ou não possível. No entanto, eu tive uma enxurrada de perguntas sobre "e se" relacionadas a retrovírus ou hepadnavírus (hepatite B), e posso garantir que esta resposta não aborda isso, então aqui tentarei responder de forma explícita e com complexidade mínima como eu sou capaz.

Para simplificar a discussão a fim de evitar ter que explicar as fases das bicamadas de fosfolipídios e a composição molecular da nanopartícula lipídica no que se refere à estabilidade (discutida em 1, 2, 3, 4), pedirei aos leitores que considerem certo que o mRNA as vacinas são endocitadas e liberadas (e isso) no citoplasma da célula.

Em primeiro lugar, para que o mRNA afete seu DNA, no mínimo precisamos estabelecer que ele precisaria obter acesso ao DNA em questão. Existem dois compartimentos subcelulares onde isso pode ser realizado. O primeiro é o núcleo, então vamos começar com uma discussão sobre o tráfico de cargas no núcleo. O núcleo da célula é um compartimento isolado com complexos de poros (NPCs) que impõem limites ao tamanho das partículas que podem entrar livremente. O RNA é facilmente transportado à medida que a transcrição ocorre dentro do núcleo, mas os ribossomos necessários para produzir proteínas estão no citosol ou no retículo endoplasmático rugoso. Este processo é mediado por várias proteínas acessórias que você pode ver à esquerda. Observe, no entanto, que não há nenhuma circunstância fisiológica em que seja necessário que o RNA do citosol seja transportado de volta ao núcleo. O RNA é sintetizado dentro do núcleo. Os vírus que têm uma fase nuclear em seu ciclo de replicação precisam ter vários truques para permitir a entrada de sua carga de RNA. Embora o RNA não seja facilmente transportado para as células, as proteínas podem ser. Isso ocorre por meio de uma rede de proteínas chamadas importinas (consulte a figura 5-23C acima). Proteínas contendo uma sequência de aminoácidos chamada sequência de localização nuclear (NLS, existem 2 comuns) são capazes de se ligar às importinas, que podem então transportá-las através do complexo de poro nuclear, conforme mostrado à esquerda. Os vírus de RNA geralmente têm ciclos de replicação que não requerem acesso ao núcleo, mas há algumas exceções. Os vírus da gripe, por exemplo, são vírus de RNA que têm seus genomas associados a ribonucleoproteínas, e essas ribonucleoproteínas expressam sinais de localização nuclear que facilitam a entrada de seu RNA genômico no núcleo. As vacinas de mRNA, por outro lado, não estão associadas a nenhuma proteína. Uma vez dentro do citosol, o mRNA fica nu e exposto ao ambiente hostil de ribossomos e exonucleases que destroem o mRNA em questão de horas (no máximo). Não há mecanismo concebível pelo qual o mRNA pode ser traficado espontaneamente para o núcleo. Por ser feito de nucleotídeos, não pode conter uma sequência de localização nuclear.

O outro compartimento relevante seria a mitocôndria. As mitocôndrias são, na verdade, bactérias vestigiais com seus próprios genomas, e acredita-se que bilhões de anos atrás uma antiga bactéria tentou consumir o ancestral da mitocôndria, mas não tinha maquinário para realmente fazer a digestão e as duas estabeleceram uma relação simbiótica. Since that instance, the mitochondria have been an essential feature of our cell’s biologies. This allowed the mitochondria to develop an extremely reduced genome containing only 37 genes (most of the genes relevant to mitochondrial function are still in the nucleus). Mitochondria have their own ribosomes and even their own genetic code (sort of). There is also a specialized process for the clearance of diseased mitochondria called mitophagy, which is the subject of many excellent reviews e.g. this, this, and this.

The collective conclusion from our understanding of these biological process is that a naked mRNA in the cytosol has no potential to end up in a cellular compartment that contains our own DNA means that, irrespective of the presence or absence of other factors, there is no chance of harm to the DNA from the mRNA vaccine. But still people wanted to ask me about reverse transcriptases so let’s discuss those.

The process of going from RNA to DNA (the exact opposite of what the central dogma of molecular biology dictates) is known as reverse transcription, and it is carried out with an enzyme called a reverse transcriptase (which are a really interesting group of enzymes). In general, reverse transcription is performed by a few different genetic entities: retroviruses, hepadnaviruses, telomeres, e retrotransposons. These are worth defining.

  • Retroviruses are viruses who have an RNA genome, from which they create a DNA copy through reverse transcription that then integrates into the cell of the host (by which I mean, literally inserts itself into the host cell’s genome and becomes a permanent part of it, in the form of a sequence called a provirus) The proviral sequence itself can then be transcribed in the host cell to produce viral proteins and particles that can go on to spread to the next cell. The most famous retrovirus is HIV-1.
  • Hepadnaviruses are DNA viruses which have gapped genomes (there is one complete DNA strand and another partial DNA strand which is linked to a pregenomic RNA), and unlike retroviruses, do not integrate into the genome of the host cell they infect. The most famous example is Hepatitis B virus, for which multiple effective vaccines exist.
  • Telomeres are structures present at the ends of human chromosomes which are maintained by a protein complex called telomerase that uses a reverse transcriptase called TERT to maintain them. The reasons this is necessary are discussed in Figure 9–12 on the left. They are about 5–15 kilobases long normally, and shortening results in arrest of cell growth and replication (senescence), or can even trigger cell death by apoptosis.
  • Retrotransposons are actually the most abundant component of our genome. The human genome contains about 21,000–27,000 genes (the number you get depends on how precisely you define a gene and which source you consult), which span 40–48 million base pairs, but this accounts for only about 1.5% of the 3.2 billion total base pairs. Retrotransposons account for about 2 billion base pairs. There are several kinds of retroelements, which are worth discussing further:

  1. SINEs (short interspersed nuclear elements) which encode short transcripts like tRNAs, and cannot function without a LINE-encoded protein.
  2. LINEs (long interspersed nuclear elements) which encode a reverse transcriptase formed from the ORF1 and pol genes which can copy itself and other LINE and SINE elements into other regions of the genome.
  3. About 5–8% of the human genome is also composed of human endogenous retroviruses, HERVs, which also fall into the category of retrotransposons, more specifically LTR (long terminal repeats) retrotransposons (more on this shortly). HERVs contain 3 genes: gag (“group antigens,” which encodes a polyprotein that is cleaved into the structural proteins of the resultant retrovirus), pol (the reverse transcriptase needed for the virus to replicate), and env (envelope, which encodes the protein that gives the viral particles their shape).
  4. More broadly, the term retroelement refers to genetic sequences that have moved from one region of the genome to another via reverse transcription, and these include retrotransposons, and processed pseudogenes. Processed pseudogenes refer to the sequences of processed mRNA that lack introns that have been inserted via reverse transcription (we know they had to be inserted into the genome via reverse transcription in large part because they lack introns). They are incapable of producing any gene product.
  5. The only retrotransposons that can move through the genome (literally copy their DNA to new sites where it was not initially present) are the LINEs and SINEs, and of these, only a few are able to accomplish this. HERVs are stuck where they are, and processed pseudogenes are as well.

Telomerases evolved as a solution to the end replication problem. Nascent (new) DNA strands are synthesized with a leading strand and a lagging strand because the DNA polymerases have a very restricted directionality in that they must travel 3’ to 5’ with respect to the template strand. This creates a problem because the DNA is oriented antiparallel (the strands are parallel but one strand is oriented in the direction opposite to the other), so to make both strands at the same time, a single DNA polymerase would have to manage to concurrently travel what would be a Sisyphean length for it in opposite directions (imaging trying to simultaneously run east and west for 10 miles). To deal with this dilemma, one of the strands is synthesized as a leading strand with a polymerase traveling down the strand uninterrupted for many nucleotides (formally the term is “processively”), and a lagging strand in which fragments of DNA (called Okazaki fragments) are consistently generated that are complementary to the other strand that get ligated (fused) together. The dilemma is that because our chromosomes are not circular, there will always be a missing fragment once we reach the 3’ end of the chromosome, and thus each replication cycle of the DNA will cause the size of the genome to shrink, eventually with the potential to hit genes important for biological function. This is known as the end replication problem.

To your left you see a telomerase complex with its favorite telomerase RNA. The ends of the chromosome contain structures called telomeres, which are repetitive, short, palindromic sequences that get copied many times, until the gaps between the strands are filled for a length of about 5000 to 15000 nucleotides. The production of telomeric DNA occurs via a large protein complex called telomerase, which makes use of TERT (telomerase reverse transcriptase), a reverse transcriptase that takes an RNA template to make the palindromic DNA sequences. Importantly, cells eventually do lose their telomerase function, which is thought to represent a safeguard against cancer (cells that express telomerase at high levels can continue dividing- and therefore accumulating mutations, some of which might be harmful- indefinitely, and thus in most cells after about 50 divisions, the cells will cease to divide telomerase is notably expressed at high levels in stem cells). In practice, mice which have no functional telomerase will have substantial chromosomal shortening within 3 generations and by the fourth generation end up unable to reproduce. Here now, I have to shatter all your preconceived ideas about how RNA works. When speaking about DNA and RNA, we have a tendency to use the term “strand” which conjures up an image of a thread. The thread is relatively linear, it may curve, but the structure is relatively boring. This is a reasonable approximation of most DNA, as DNA can have basically one of 3 structures called A, B, and Z (there are rarer ones though such as i-motifs, and DNAzymes can do weird things). RNA on the other hand, is a much freer spirit when it comes to structure. RNA folds into complex shapes with all sorts of structural motifs in a manner not dissimilar to proteins, in that the structure of a protein relates directly to its function. What this means is: specific RNAs do specific things depending on how they fold, which depends on their sequence. To your right you can see a detailed diagram of telomerase RNA bound to the telomerase complex. That curvy thing with bars like a ladder and bubbles is the telomerase RNA. TERT, the reverse transcriptase of telomerase, binds the telomerase RNA at the core domain and a region called CR4/CR5. I won’t get into the other components of the complex but you can read in detail about how it works here and here. Immediately below the diagram to your right you can see how telomerase works to extend the 3’ cap of the chromosome through the aid of a repetitive, palindromic RNA sequence: CAAUCCCAAUC, which reproduces on the DNA a repeating “GGGTTA” to form a telomere with a length of about 5,000–15,000 nucleotides. For this to work, a bunch of things have to go right but solely for TERT to be able to recognize telomerase RNA there needs to be: the template for reverse transcription (the palindromic sequence CCCAAU), the pseudoknot domain (the core domain in the diagram), a stem–loop that interacts with TERT (CR4/CR5), and a 3′ element required for RNA stability (CR7). This is a very specific set of constraints and mRNA vaccines would have to be designed to have them (see image above for standard organization of an mRNA vaccine). Ribosomes also have intrinsic mRNA helicase activity that destroys such structures so that they can be read and processed for the synthesis of a protein. Additionally, the mature human telomerase RNA is 451 nucleotides in length. The mRNA from these vaccines is approximately 1200–1300 nucleotides long. It is too large to function as a telomerase RNA in humans (there are some animals which have telomerase RNAs of that size but we are not one of them) and given how precisely the telomerase RNA must fold, it is unlikely to assume the required structures for recognition and binding of the telomerase.

I initially considered discussing in detail the reverse transcriptases of the hepadnaviruses (i.e. hepatitis B) and retroviruses (i.e. HIV and HERVs) but the discussion quickly became inaccessible. Suffice it to say, reverse transcriptases are not capable of picking up any random RNA and generating a DNA from it. They require an RNA sequence to prime the reaction. For retroviruses, there is a tRNA that is stolen from the host cell and packaged into the virion. Furthermore, in the retroviruses, reverse transcription occurs within a nucleocapsid which allows dNTPs (the building blocks of DNA) in, but cannot permit something as large as an entirely separate RNA molecule spanning about 1200 bases. Reverse transcription by hepadnaviruses is similar in principle, requiring a pregenomic RNA segment that is chemically linked to the DNA of the hepadnavirus. Reverse transcription will not occur spontaneously with just any RNA. Even for RT-PCR reactions, the reaction requires the binding of an oligodeoxythymidine sequence to the polyA tail of the mRNA in question. Additionally, there’s a secondary requirement here to be able to “change” the DNA of the host: to actually manipulate it in some way. In the case of the hepadnaviruses this doesn’t really happen. The hepadnavirus genome gets into the nucleus and forms a covalently closed circular DNA with its own associated histones, essentially a small, separate chromosome. It doesn’t touch the host’s DNA. In the case of retroviruses, the DNA gets integrated into the host chromosome, and the effect depends on where it gets integrated. HIV for example has a strong bias for inserting itself into genes, which can be problematic if, for example, the gene produces a protein important for the maintenance of genome integrity (which could lead to cancer if left unchecked). The development of cancer from such a process however, cannot simply occur without many other things going wrong, like for instance a massive death of helper T cells that critically impairs the ability of the immune system to conduct surveillance of cells for evidence of malignancy and kill them, as happens in HIV. Now, should we choose to ignore everything thus far established about how cell biology works, including the need for a primer to initiate the reverse transcriptase reaction, and allow that a retrovirus readily permits integration of the resultant spike protein RBD or entire spike protein gene into the host, this would simply lead to the insertion of a gene that may be able to make the spike protein or just the RBD (depending on where it inserted and whether it could recruit transcriptional machinery), which would only serve to present to the immune system a foreign protein that it has been primed to respond against, and subsequently kill the cell. Also, as they are being delivered by an intramuscular injection, the cells in question would most likely be a muscle cell (which you can lose without loss of any eloquent function) or a dendritic cell (which you could also lose without any loss of significant immunological function).

To conclude, and I really hope this ends it:


Structure and Function of Transcriptional Activators

Because transcription factors are central to the regulation of gene expression, understanding the mechanisms of their action is a major area of ongoing research in cell and molecular biology. The most thoroughly studied of these proteins are transcriptional activators, which, like Sp1, bind to regulatory DNA sequences and stimulate transcription. In general, these factors have been found to consist of two domains: One region of the protein specifically binds DNA the other activates transcription by interacting with other components of the transcriptional machinery (Figure 6.26). Transcriptional activators appear to be modular proteins, in the sense that the DNA binding and activation domains of different factors can frequently be interchanged using recombinant DNA techniques. Such manipulations result in hybrid transcription factors, which activate transcription by binding to promoter or enhancer sequences determined by the specificity of their DNA-binding domains. It therefore appears that the basic function of the DNA-binding domain is to anchor the transcription factor to the proper site on DNA the activation domain then independently stimulates transcription by interacting with other proteins.

Figure 6.26

Structure of transcriptional activators. Transcriptional activators consist of two independent domains. The DNA-binding domain recognizes a specific DNA sequence, and the activation domain interacts with other components of the transcriptional machinery. (more. )

Many different transcription factors have now been identified in eukaryotic cells, as might be expected, given the intricacies of tissue-specific and inducible gene expression in complex multicellular organisms. Molecular characterization has revealed that the DNA-binding domains of many of these proteins are related to one another (Figure 6.27). Zinc finger domains contain repeats of cysteine and histidine residues that bind zinc ions and fold into looped structures (𠇏ingers”) that bind DNA. These domains were initially identified in the polymerase III transcription factor TFIIIA but are also common among transcription factors that regulate polymerase II promoters, including Sp1. Other examples of transcription factors that contain zinc finger domains are the steroid hormone receptors, which regulate gene transcription in response to hormones such as estrogen and testosterone.

Figure 6.27

Families of DNA-binding domains. (A) Zinc finger domains consist of loops in which an α helix and a β sheet coordinately bind a zinc ion. (B) Helix-turn-helix domains consist of three (or in some cases four) helical regions. One helix (more. )

o helix-turn-helix motif was first recognized in prokaryotic DNA-binding proteins, including the E. coli catabolite activator protein (CAP). In these proteins, one helix makes most of the contacts with DNA, while the other helices lie across the complex to stabilize the interaction. In eukaryotic cells, helix-turn-helix proteins include the homeodomain proteins, which play critical roles in the regulation of gene expression during embryonic development. The genes encoding these proteins were first discovered as developmental mutants in Drosófila. Some of the earliest recognized Drosófila mutants (termed homeotic mutants in 1894) resulted in the development of flies in which one body part was transformed into another. For example, in the homeotic mutant called Antennapedia, legs rather than antennae grow out of the head of the fly (Figure 6.28). Genetic analysis of these mutants, pioneered by Ed Lewis in the 1940s, has shown that Drosófila contains nine homeotic genes, each of which specifies the identity of a different body segment. Molecular cloning and analysis of these genes then indicated that they contain conserved sequences of 180 base pairs (called homeoboxes) that encode the DNA-binding domains (homeodomains) of transcription factors. A wide variety of additional homeodomain proteins have since been identified in fungi, plants, and other animals, including humans. Vertebrate homeobox genes are strikingly similar to their Drosófila counterparts in both structure and function, demonstrating the highly conserved roles of these transcription factors in animal development.

Figure 6.28

The Antennapedia mutation. Antennapedia mutant flies have legs growing out of their heads in place of antennae. (A) Head of a normal fly. (B) Head of an Antennapedia mutant. (Courtesy of F. Rudolf Turner, Indiana University.)

Two other families of DNA-binding proteins, leucine zipper and helix-loop-helix proteins, contain DNA-binding domains formed by dimerization of two polypeptide chains. The leucine zipper contains four or five leucine residues spaced at intervals of seven amino acids, resulting in their hydrophobic side chains being exposed at one side of a helical region. This region serves as the dimerization domain for the two protein subunits, which are held together by hydrophobic interactions between the leucine side chains. Immediately following the leucine zipper is a region rich in positively charged amino acids (lysine and arginine) that binds DNA. The helix-loop-helix proteins are similar in structure, except that their dimerization domains are each formed by two helical regions separated by a loop. An important feature of both leucine zipper and helix-loop-helix transcription factors is that different members of these families can dimerize with each other. Thus, the combination of distinct protein subunits can form an expanded array of factors that can differ both in DNA sequence recognition and in transcription-stimulating activities. Both leucine zipper and helix-loop-helix proteins play important roles in regulating tissue-specific and inducible gene expression, and the formation of dimers between different members of these families is a critical aspect of the control of their function.

The activation domains of transcription factors are not as well characterized as their DNA-binding domains. Some, called acidic activation domains, are rich in negatively charged residues (aspartate and glutamate) others are rich in proline or glutamine residues. These activation domains are thought to stimulate transcription by interacting with general transcription factors, such as TFIIB or TFIID, thereby facilitating the assembly of a transcription complex on the promoter. For example, the activation domains of several transcription factors (including Sp1) have been shown to interact with TFIID by binding to TBP-associated factors (TAFs) (Figure 6.29). An important feature of these interactions is that different activators can bind to different general transcription factors or TAFs, providing a mechanism by which the combined action of multiple factors can synergistically stimulate transcription𠅊 key feature of transcriptional regulation in eukaryotic cells.

Figure 6.29

Synergistic action of transcriptional activators. Different transcriptional activators can interact with the general transcription factor TFIID by binding to different TAFs.


Transcrição

Transcription is the process of producing a strand of RNA from a strand of DNA. Similar to the way DNA is used as a template in DNA replication, it is again used as a template during transcription. The information that is stored in DNA molecules is rewritten or ‘transcribed’ into a new RNA molecule.

Sequence of nitrogenous bases and the template strand

Each nitrogenous base of a DNA molecule provides a piece of information for protein production. A strand of DNA has a specific sequence of bases. The specific sequence provides the information for the production of a specific protein.

Through transcription, the sequence of bases of the DNA is transcribed into the reciprocal sequence of bases in a strand of RNA. Through transcription, the information of the DNA molecule is passed onto the new strand of RNA which can then carry the information to where proteins are produced. RNA molecules used for this purpose are known as messenger RNA (mRNA).

A gene is a particular segment of DNA. The sequence of bases in for a gene determines the sequence of nucleotides along an RNA molecule.

Only one strand of a DNA double helix is transcribed for each gene. This strand is known as the ‘template strand’. The same template strand of DNA is used every time that particular gene is transcribed. The opposite strand of the DNA double helix may be transcribed for other genes.

RNA polymerase

An enzyme called ‘RNA polymerase’ is responsible for separating the two strands of DNA in a double helix. As it separates the two strands, RNA polymerase builds a strand of mRNA by adding the complementary nucleotides (A, U, G, C) to the template strand of DNA.

A specific set of nucleotides along the template strand of DNA indicates where the gene starts and where the RNA polymerase should attach and begin unravelling the double helix. The section of DNA or the gene that is transcribed is known as the ‘transcription unit’.

Rather than RNA polymerase moving along the DNA strand, the DNA moves through the RNA polymerase enzyme. As the template strand moves through the enzyme, it is unravelled and RNA nucleotides are added to the growing mRNA molecule.

As the RNA molecule grows it is separated from the template strand. The DNA template strand reforms the bonds with its complementary DNA strand to reform a double helix.

In prokaryotic cells, such as bacteria, once a specific sequence of nucleotides has been transcribed then transcription is completed. This specific sequence of nucleotides is called the ‘terminator sequence’.

Once the terminator sequence is transcribed, RNA polymerase detaches from the DNA template strand and releases the RNA molecule. No further modifications are required for the mRNA molecule and it is possible for translation to begin immediately. Translation can begin in bacteria while transcription is still occurring.

Modification of mRNA in eukaryotic cells

Creating a completed mRNA molecule isn’t quite as simple in eukaryotic cells. Like prokaryotic cells, the end of a transcription unit is signalled by a certain sequence of nucleotides. Unlike prokaryotic cells, however, RNA polymerase continues to add nucleotides after transcribing the terminator sequence.

Proteins are required to release the RNA polymerase from the template DNA strand and the RNA molecule is modified to remove the extra nucleotides along with certain unwanted sections of the RNA strand. The remaining sections are spliced together and the final mRNA strand is ready for translation.

In eukaryotic cells, transcription of a DNA strand must be complete before translation can begin. The two processes are separated by the membrane of the nucleus so they cannot be performed on the same strand at the same time as they are in prokaryotic cells.

Rate of transcription

If a certain protein is required in large numbers, one gene can be transcribed by several RNA polymerase enzymes at one time. This makes it possible for a large number of proteins to be produced from multiple RNA molecules in a short time.


Can translation ever occur without transcription? - Biologia

In transcription, the strand of DNA that is used to synthesize mRNA is known as the template strand. Whereas, the non-template or coding strand matches the sequence of the RNA. However, it doesn’t match it exactly as RNA has uracil (U) instead of thymine (T). The nucleotides of RNA are known as ribonucleotides. These nucleotides bond to the template strand via hydrogen bonds after the DNA molecule opens up. And then those nucleotides are bonded together with a phosphodiester bond just like DNA is bonded.

RNA is an enzyme that synthesizes RNA from the template strand of DNA. And it happens a lot like DNA polymerase, except for the the fact that it does not require a primer before transcription begins Bacteria have a single RNA polymerase, whereas Eukaryotes have three different enzymes.

Initiation of Transcription

Transcription is initiated by the attachment of a protein known as a sigma. The sigma attaches to one strand of the DNA (the template strand) at a very specific location. In bacteria, several sigmas exists and each one initiates the transcription of a specific sequence of DNA (or gene). Once this sigma protein attaches to the DNA molecule, it serves to guide the RNA polymerase down the template strand. The sigma protein recognizes and binds to what is deemed the promoter sequence. The promoter sequence is a specific group of base pairs. Once the sigma binds to the DNA, transcription begins. There are several different sigmas. Each one is unique and initiates the synthesis of a specific gene, or in some cases several different genes. While there are several sigmas, each for different gene complexes, RNA Polymerase is the same molecule that connects to all the different sigmas. RNA Polymerase adds ribonucleotides to the template strand based on complementary base pairing, generating an mRNA.

The sigma protein first opens DNA’s double helix at the promoter section of the DNA strand. Then the template strand of the DNA is threaded through the RNA polymerase. Incoming RNA nucleotides come through a channel in the sigma protein and pairs with the complementary bases of the DNA’s template strand. At this point the RNA polymerase is functional and the begins to work. And once that happens the sigma disconnects from the DNA chain. This defines the beginning of the elongation phase of transcription.

Once the appropriate sigma is attached, RNA Polymerase attaches to the sigma protein. After successful attachment, the sigma guides the DNA into place inside of the RNA Polymerase. As the DNA is thread through the RNA Polymerase, hydrogen bonds are split between the the DNA molecule, by a zipper. Once DNA is inserted in to RNA Polymerase, ribonucleotides enter an entrance portal into the RNA Polymerase and match up with the D-nucleotides based on complementary base pairing. Similar to DNA base pairing, cytosine-containing deoxyribonucleotides (D-cytosine) pair with guanine containing ribonucleotides (R-guanine), D-guanine pairs with R-cytosine, and D-thymine pairs with R-adenine. Different from DNA base pairing, D-adenine pairs with R-uracil. Through another portal in the RNA Polymerase, emerges the developing mRNA. Once a few ribonucleotides are synthesized by RNA Polymerase, the sigma protein is removed. Once the sigma is removed, it can be reused to initiate transcription.

Elongation of Transcription

Elongation in transcription is fairly straight forward. The RNA polymerase zips along the open DNA molecule matching up complementary RNA base pairs from the template strand of the open DNA. After the sigma is removed, RNA Polymerase continues to unzip template and coding strands of the the DNA, and R-nucleotides are bonded via phosphodiester linkages using the code provided by the template strand of DNA. The incoming DNA enters into an intake portal and is unzipped by a zipper. As the DNA passes the zipper, the hydrogen bonds reattach between the coding and template strand and the DNA double helix leaves through an exit portal. Ribonucleotides enter in through another intake portal and are combined via complementary base pairing to the template strand of DNA. The R-nucleotides are bonded together via phosphodiester linkages. Ribonucleotides are continuously added to the 3’ end of the developing RNA strand. The 5’ end of the RNA strand leaves through another exit portal of the RNA Polymerase.

Termination of Transcription

In bacteria, once RNA Polymerase transcribes a specific sequence of ribonucleotides from the DNA template strand, transcription ends (or terminates). When this sequence is synthesized, a section of the RNA bends back on itself forms a short double helix based on complementary base pairing. This forms a RNA hairpin. This hairpin forces the RNA to separate from the DNA and the RNA Polymerase detaches and the opened DNA reattaches based on complementary base pairing

Transcription in Eukaryotes

Fundamentally, transcription in eukaryotes is similar to transcription in prokaryotes with a few exceptions. In bacteria, RNA Polymerase can synthesize any RNA molecule. In eukaryotes, there are three different RNA Polymerases (I, II, and III). RNA Polymerase I is primarily responsible for the synthesis of ribosomal RNA (rRNA), the molecule that makes up ribosomes. Most eukaryotic RNA Polymerase are RNA Polymerase II. RNA Polymerase II is responsible for synthesizing mRNA, making it the only RNA Polymerase capable of transcribing protein-coding genes. RNA Polymerase III is responsible for synthesizing transfer RNA (tRNA). During translation, tRNAs read the messages from the mRNA and link a specific amino acid sequence generating proteins.

Where bacterial transcription is initiated by a sigma protein, RNA Polymerases in eukaryotes require a group of proteins known as basal transcription factors. Like sigma in prokaryotes, once the basal transcription factors attach to the DNA, its respective RNA Polymerase attaches and transcription begins. The elongation process is virtually identical in prokaryotes and eukaryotes. However, termination of transcription differs between prokaryotes and eukaryotes. In eukaryotes, a short sequence in the DNA signals the attachment of an enzyme downstream of active transcription. This enzyme cuts the emerging RNA, leaving the RNA Polymerase.

In eukaryotes, pre-RNA is made up of regions of mRNA that code for amino acids (known as exons) and regions of mRNA that don’t code for amino acids. Before the mRNA can be functional the introns must be removed in a process known as RNA splicing, or post-transcriptional modification.

Post-transcriptional modification of mRNA in eukaryotes

In bacteria, transcription from DNA to mRNA is a direct pathway. However in eukaryotes once mRNA is synthesized by RNA Polymerase II, the mRNA goes through further modification (Fig. 11). The product following transcription is known as a primary transcript (or pre-mRNA). Before mRNA travels outside the nucleus, the mRNA is shortened by cutting out specific sections of mRNA and reattaching the remaining sections back together. This process is known as RNA splicing and the resulting, modified mRNA is known as mature mRNA. Segments of the mRNA that are respliced back together are known as exons (because they exit the nucleus) while the segments of mRNA that are removed from the pre-mRNA are known as introns. The exons (which collectively make up the mature mRNA) leave the nucleus through a nuclear pore and travel to a ribosome in the cytosol and begin the process of translation.

RNA splicing is processed by hybrid protein-RNA complexes known as small nuclear ribonucleoproteins (or snRNPs). RNA splicing begins when a primary snRNP binds to a guanine R-nucleotide (G) adjacent to an uracil R-nucleotide (U) at the 5’ end of the pre-mRNA. This marks the exon-intron boundary. Another secondary snRNP reads from 5’ to 3’ down the mRNA and when it comes in contact with an adenine (A), and it attaches at that point. This point represents the intron-exon boundary. Once the primary and secondary snRNPs are attached other snRNPS attach to those, in a complex known as a spliceosome. Collectively the spliceosome breaks the G-U bond of the primary snRNP and the bond between the adenine (A) of the secondary snRNP and its adjacent R-nucleotide. Since U and A are complementary bases, the spliceosomes places them in close contact with each other, generating an intron loop. Nucleotides of the intron loop are disassembled into their monomers, ribonucleotides, and are recycled for future transcriptional events. Exons are spliced back together generating a mature mRNA.


28.2.6. Enhancer Sequences Can Stimulate Transcription at Start Sites Thousands of Bases Away

The activities of many promoters in higher eukaryotes are greatly increased by another type of cis-acting element called an enhancer. Enhancers' sequences have no promoter activity of their own yet can exert their stimulatory actions over distances of several thousand base pairs. They can be upstream, downstream, or even in the midst of a transcribed gene. Moreover, enhancers are effective when present on either DNA strand (equivalently, in either orientation). Enhancers in yeast are known as upstream activator sequences (UASs).

A particular enhancer is effective only in certain cells. For example, the immunoglobulin enhancer functions in B lymphocytes but not elsewhere. Cancer can result if the relation between genes and enhancers is disrupted. In Burkitt lymphoma and B-cell leukemia, a chromosomal translocation brings the proto-oncogene myc (a transcription factor itself) under the control of a powerful immunoglobin enhancer. The consequent dysregulation of the myc gene is believed to play a role in the progression of the cancer.

Transcription factors and other proteins that bind to regulatory sites on DNA can be regarded as passwords that cooperatively open multiple locks, giving RNA polymerase access to specific genes. The discovery of promoters and enhancers has opened the door to understanding how genes are selectively expressed in eukaryotic cells. The regulation of gene transcription, discussed in Chapter 31, is the fundamental means of controlling gene expression.

Por acordo com a editora, este livro pode ser acessado pelo recurso de pesquisa, mas não pode ser navegado.


Where Does Transcription Occur in a Prokaryotic Cell

Prokaryotic cells are the primitive ones that lack a nucleus. This is the reason why the entire process of protein synthesis in such cells takes place in the cytoplasm. The transcription and translation is done alongside simultaneously. The process is nearly the same as in eukaryotes, but the only difference is the location where it takes place. The eukaryotes have a membrane bound nucleus. Hence, the ribosomes do not reach the mRNA to carry on the translation process. But in the prokaryotes, the ribosome is easily available in the cytoplasm, and hence, both the processes take place simultaneously.

Transcription process in prokaryotes can be divided into three stages – initiation, elongation, and termination. In initiation, the RNA polymerase binds to the sigma factor to form holoenzyme. This enzyme recognizes the promoter region in the DNA to form a closed complex. The RNA then starts proceeding towards the elongation stage. Thus, the RNA transcript increases in length. Then finally, in the termination stage, the RNA polymerase pauses, and the mRNA molecule is terminated from the DNA molecule.

Protein synthesis is an important function of the cell, and hence, an important part of DNA research and studies.

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