RNA-Synthese

Als Transkription (v. lat. trans = jenseits, hinüber + scribere = schreiben) wird in der Genetik die Synthese von RNA anhand einer DNA als Vorlage bezeichnet. Die dabei entstehende RNA lässt sich größtenteils in drei Gruppen einteilen: mRNA (zur Proteinbiosynthese) sowie tRNA und rRNA. Die Transkription ist, wie auch die Translation, ein wesentlicher Teilprozess der Genexpression.

Bei der Transkription wird ein Gen abgelesen und als RNA-Molekül vervielfältigt, das heißt ein spezifischer DNA-Abschnitt dient als Vorlage zur Synthese eines neuen RNA-Strangs. Bei diesem Vorgang werden die Nukleinbasen der DNA (A,T,G,C) in die Nukleinbasen der RNA (A,U,G,C) umgeschrieben. Anstelle des Thymins kommt Uracil und anstelle der Desoxyribose kommt Ribose in der RNA vor.

Der Vorgang der Transkription verläuft bei Eukaryoten und Prokaryoten grundsätzlich gleich. Unterschiede gibt es bei der Steuerung und bei der anschließenden Modifikation. Bei Prokaryoten erfolgt die Steuerung über einen Operator, während bei den Eukaryoten die Regulation über einen Enhancer oder Silencer geregelt werden kann, der jeweils dem Promotor vor- oder nachgeschaltet ist. Weiterhin erfolgt bei Prokaryoten die Transkription im Cytoplasma der Zelle, bei Eukaryoten im Zellkern. Bei Eukaryoten wird außerdem die prä-mRNA während beziehungsweise nach ihrer Synthese noch prozessiert, bevor sie aus dem Zellkern in das Cytoplasma transportiert wird. Nach der Transkription erfolgt im Cytoplasma am Ribosom die Translation der mRNA in ein Protein.

Schritte der Transkription

Schematische Darstellung der beiden DNA-Stränge während der Transkription (sense und antisense) und des entstehenden RNA-Transkripts.

1. Synthese der mRNA:
   Das Enzym RNA-Polymerase setzt sich an eine Promotor genannte DNA-Sequenz (hier genaue Schritte der Initiation). Dann trennt sie die DNA-Doppelhelix durch Lösen der Wasserstoffbrücken in einem kurzen Bereich (bei Escherichia coli immer etwa 17 Basenpaare gleichzeitig) in zwei DNA-Einzelstränge auf. Am codogenen Strang (Abb.: Antisense Strang) der DNA lagern sich durch Basenpaarung komplementäre Ribonukleotide an. Sie werden unter Eliminierung von Pyrophosphat aus den Nukleosidtriphosphaten durch eine Esterbindung zwischen Phosphat und Ribose miteinander verknüpft. Die Ableserichtung der DNA auf dem Matrizenstrang verläuft vom 3'-Ende zum 5'-Ende, die Synthese der komplementären RNA dem entsprechend von 5' nach 3'. Die Öffnung der DNA-Doppelhelix erfolgt nur in einem kurzen Bereich (Transkriptionsblase oder -auge), so dass der bereits synthetisierte Teil der mRNA aus dieser Öffnung heraushängt und zwar mit dem 5'-Ende der mRNA voran. Die RNA-Polymerase benötigt keinen Primer, am Terminator wird die Transkription beendet. Danach wird das mRNA-Transkript entlassen und die Polymerase löst sich von der DNA.
2. Weitere Verarbeitung der mRNA:
   1. Bei Prokaryoten gelangt die mRNA nach dem Kopiervorgang direkt zu den Ribosomen, häufig lagern sich auch bereits Ribosomen an die noch entstehende Kette an und beginnen die Translation, bevor die Transkription beendet ist (Poly-Ribosom-Complex).
   2. Bei Eukaryoten verlässt das RNA-Transkript selbst noch nicht den Zellkern. Die im ersten Teil der Transkription entstandene RNA wird als unreife RNA, prä-mRNA oder hnRNA (heterogene nucleäre RNA) bezeichnet. Sie wird am 5'-Ende durch Capping, am 3'-Ende durch Polyadenylierung (Tailing) und Splicing noch prozessiert. Durch alternatives Splicing können aus demselben DNA-Abschnitt unterschiedliche mRNA-Moleküle entstehen. Die so genannte reife mRNA verlässt durch eine Kernpore den Zellkern und gelangt so ins Cytoplasma, wo sie mit den Ribosomen in Wechselwirkung treten kann.

Synthese der tRNA und der rRNA

Die Transfer-RNA (tRNA) und die ribosomale RNA (rRNA) werden durch zwei andere RNA-Polymerasen an der DNA synthetisiert, die beide nach einem anderen Prinzip als die der RNA-Polymerase II arbeiten. Sie gleichen denen der Prokaryoten, bei denen dieselbe RNA-Polymerase als Katalysator tätig ist. Bei Eukaryoten erfolgt die Synthese der tRNA, der 5S rRNA und der 7SL-RNA durch die RNA-Polymerase III, die Synthese der rRNA und teilweise auch der sn-RNA (small-nuclear RNA) durch die RNA-Polymerase I, die Synthese der m-RNA durch die RNA-Polymerase II.

Beendigung der Transkription

In eukaryotischen Zellen kann die RNA-Polymerase das Ende eines Gens nicht von alleine erkennen, sie braucht dazu Hilfsfaktoren, die mit der Polymerase in Wechselwirkung treten. Diese Proteinkomplexe erkennen die Polyadenylierungsstelle (5'-AAUAAA-3'), schneiden die RNA und leiten die Polyadenylierung ein, während die RNA-Polymerase gleichzeitig weiterarbeitet. Ein Modell für die Termination der Transkription ist, dass das noch immer weiter wachsende, nutzlose RNA-Ende von einer Exonuclease (Rat1) abgebaut wird, und zwar schneller, als es von der Polymerase verlängert wird. Erreicht die Exonuklease die Transkriptionsstelle, löst sich die Polymerase von der DNA, die Transkription ist endgültig beendet (Torpedo model of transcriptional termination). Darüber hinaus scheinen weitere Proteinkomplexe (z. B. TREX) für eine Termination wichtig zu sein.

Reverse Transkription

Sogenannte RNA-Viren haben ein Genom, welches vollständig aus RNA besteht; bei RNA-Viren mit (+)ssRNA oder doppelsträngiger RNA dient die virale RNA meist direkt als mRNA. Bei einigen RNA-Viren wird zur Replikation eine DNA-Zwischenstufe verwendet, von der wie bei zellulärer DNA die mRNA transkribiert wird; zur Synthese von viraler DNA aus RNA besitzen diese sogenannten Retroviren das Enzym Reverse Transkriptase. Mittels einer Integrase (viral oder zellulär) kann die virale DNA in das zelluläre Genom eingebaut werden und liegt dann als Provirus vor.

Archaeelle Transkription

Die Gene der Archaea besitzen im Promotor eine TATA-Box genannte Konsensussequenz. Am Promotor binden die zwei Initiationsfaktoren der Archaea, TBP und TFB. An diese bindet wiederum eine Polymerase, die ortholog zur eukaryotischen RNA-Polymerase II ist und aus 12 Untereinheiten besteht.

Bakterielle Transkription

Im Gegensatz zu den Eukaryoten besitzen Bakterien nur eine RNA-Polymerase. Das Core- beziehungsweise Minimal- Enzym besteht aus vier Untereinheiten (2× α, β, β' ), das die Transkription katalysiert, aber nicht zu initiieren vermag. Der Core des Enzyms wechselwirkt mit der losen Sigma-Untereinheit und es bildet sich das Holo-Enzym (2× α, β, β', σ (Sigma)), das die Initiation durchführen kann (Sigma ermöglicht Entlanggleiten an der DNA und Auffinden der Pribnow-Box des Promotors). Sie bindet am Promotor des Nicht-Matrizenstranges und löst dort die Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren auf, sie besitzt eine Helicasefunktion, was die wichtigste Funktion dieser Polymerase ist.

Funktion der α-Untereinheit ist zum einen durch die aminoterminale Domäne bedingt der Erhalt und die Stabilität der Struktur, zum anderen durch die carboxyterminale Domäne eine Bildung an den Promotor und die Wechselwirkung mit Transkriptions-regulatorischen Elementen.

Die β- und β'-Untereinheiten wirken zusammen und sorgen für die Bindung an die DNA-Matrize und für eine wachsende RNA-Kette.

Die σ-(Sigma)-Untereinheit erkennt Transkriptionsstartpunkte. Es gibt mehrere Sigma-Untereinheiten, die verschiedene Gengruppen erkennen. Am weitesten verbreitet ist die σ₇₀ Untereinheit.

Die ω-(Omega)-Untereinheit dient der Stabilisierung und der Strukturaufrechterhaltung und ist nicht zwingend notwendig.

Literatur

• Rolf Knippers: Molekulare Genetik. 9. Auflage. Thieme, Stuttgart 2006, ISBN 978-3-13-477009-4, S. 49–58

Weblinks

• Animation der Transkription von W. H. Freeman (www.sumanasinc.com)
• Transkription/Genetischer Code von der „Zentrale für Unterrichtsmedien im Internet e. V.“