Menu
Transkripsi (biologi)
Transkripsi dibahagikan kepada permulaan, pelarian promoter, pemanjangan dan penamatan.[6]
Penyediaan transkripsi dalam mamalia dikawal oleh banyak unsur kawal atur cis, termasuk unsur promoter teras dan proksimal promoter yang terletak berhampiran tapak permulaan transkripsi gen. Promoter teras yang bergabung dengan faktor transkripsi am adalah mencukupi untuk mengarahkan permulaan transkripsi, tetapi secara amnya mempunyai aktiviti basal yang rendah.[7] Modul kawal atur cis lain yang penting disetempatkan di kawasan DNA yang jauh dari tapak permulaan transkripsi. Ini termasuk penguat, penyenyap, penebat dan elemen penambatan.[8] Di antara aneka unsur ini, penambah dan faktor transkripsi yang berkaitan mempunyai peranan utama dalam permulaan transkripsi gen.[9] Penguat yang disetempatkan di kawasan DNA yang jauh daripada promoter gen boleh memberi kesan yang sangat besar terhadap transkripsi gen, dengan sesetengah gen mengalami peningkatan transkripsi sehingga 100 kali ganda disebabkan oleh penguat yang diaktifkan.[10]
Penguat ialah kawasan genom yang menjadi elemen kawal atur gen utama. Penguat mengawal program transkripsi gen jenis sel khusus, selalunya dengan menggelung melalui jarak jauh untuk mendekati promoter gen sasaran mereka.[11] Walaupun terdapat ratusan ribu kawasan DNA penguat,[12]dalam sebilangan tisu tertentu, hanya penambah khusus dirapatkan dengan promoter yang dikawal atur. Dalam kajian neuron korteks otak, 24,937 gelungan ditemui yang membawa penguat terhadap promoter sasaran.[10] Berbilang penguat, setiap satu selalunya berjarak puluhan atau ratusan ribu nukleotida jauh dari gen sasaran, bergelung ke promoter sasaran, dan boleh menyelaras antara satu sama lain untuk mengawal transkripsi gen sasaran.[11]
Ilustrasi skematik dalam bahagian ini menunjukkan penguat bergelung untuk mendekati promoter gen sasaran. Gelung distabilkan oleh dimer protein penyambung (cth., dimer CTCF atau YY1), dengan satu anggota dimer berlabuh pada motif pengikatnya di penguat, dan anggota lain berlabuh pada motif pengikatnya di promoter (diwakili oleh zigzag merah dalam ilustrasi).[13] Beberapa faktor transkripsi khusus fungsi sel (terdapat kira-kira 1,600 faktor transkripsi dalam sel manusia[14]) secara amnya terikat dalam motif khusus penguat,[15] dan sebilangan kecil faktor transkripsi terikat penambah ini mengawal kadar transkripsi gen sasaran apabila dibawa dekat dengan promoter melalui gelungan DNA. Mediator (kompleks biasanya terdiri daripada kira-kira 26 protein dalam struktur berinteraksi) menyampaikan isyarat kawal atur daripada faktor transkripsi terikat DNA penguat terus kepada enzim RNA polimerase II (pol II) yang terikat di promoter.[16]
Penguat yang aktif biasanya ditranskripsikan daripada kedua-dua helai DNA dengan RNA polimerase yang bertindak dalam dua arah berbeza, menghasilkan dua RNA penguat (eRNA) seperti yang digambarkan dalam rajah.[17] Penambah yang tidak aktif mungkin terikat oleh faktor transkripsi yang tidak aktif. Pemfosforilan faktor transkripsi boleh mengaktifkannya, dan faktor transkripsi yang diaktifkan kemudian boleh mengaktifkan penguat yang terikat (lihat bintang merah kecil yang mewakili pemfosforilan faktor transkripsi yang terikat terhadap penguat dalam ilustrasi).[18] Penguat aktif memulakan transkripsi RNA-nya sebelum mengaktifkan transkripsi RNA pengutus dari gen sasarannya.[19]
Kawal atur transkripsi pada kira-kira 60% daripada promoter juga dikawal oleh pemetilan sitosina dalam dinukleotida CpG (di mana sitosina 5' diikuti oleh guanina 3' atau tapak CpG). 5-metilsitosina (5-mC) ialah bentuk pemetilan sitosina (lihat rajah). 5-mC ialah penanda epigenetik yang ditemui terutamanya dalam tapak CpG. Kira-kira 28 juta dinukleotida CpG wujud dalam genom manusia.[20] Dalam kebanyakan tisu mamalia, secara purata, 70% hingga 80% sitosina CpG dimetilkan (membentuk 5-metilCpG atau 5-mCpG).[21] Sitosina bermetil dalam jujukan sitosina 5'-guanina 3' sering wujud berkumpulan, dipanggil pulau CpG. Kira-kira 60% jujukan promoter mempunyai pulau CpG, manakala hanya kira-kira 6% daripada jujukan penguat mempunyai pulau CpG.[22] Pulau CpG membentuk urutan kawal atur kerana jika pulau CpG dimetilkan dalam promoter gen, ini boleh mengurangkan atau menyenyapkan transkripsi gen.[23]
Pemetilan DNA mengawal transkripsi gen melalui interaksi dengan protein domain pengikat metil (MBD) seperti MeCP2, MBD1 dan MBD2. Protein MBD ini mengikat paling kuat terhadap pulau CpG yang sangat bermetil.[24] Protein MBD ini mempunyai kedua-dua domain pengikat metil-CpG serta domain penindasan transkripsi.[24] Ia mengikat DNA termetil, dan membimbing atau mengarahkan kompleks protein dengan pembentukan semula kromatin dan/atau aktiviti pengubahsuaian histon ke pulau CpG bermetil. Protein MBD secara amnya menindas kromatin tempatan seperti memangkinkan pengenalan penanda histon penindas atau mewujudkan persekitaran tindasan keseluruhan di kromatin melalui pembentukan semula nukleosom dan penyusunan semula kromatin.[24]
Kariogram skematik manusia menunjukkan gambaran keseluruhan genom manusia dengan penjaluran G, di mana kawasan yang lebih ringan secara amnya lebih aktif secara transkripsi, manakala kawasan yang lebih gelap lebih tidak aktif, termasuk DNA bukan pengekod.Seperti yang dinyatakan dalam bahagian sebelumnya, faktor transkripsi ialah protein yang mengikat urutan DNA tertentu untuk mengawal ekspresi gen. Jujukan pengikatan faktor transkripsi DNA biasanya kira-kira 10 atau 11 nukleotida panjang. Seperti yang diringkaskan pada tahun 2009, Vaquerizas et al. menyatakan bahawa terdapat kira-kira 1,400 faktor transkripsi berbeza yang dikodkan dalam genom manusia oleh gen yang membentuk kira-kira 6% daripada semua gen pengekod protein manusia.[25] Kira-kira 94% daripada tapak pengikat faktor transkripsi (TFBS) yang dikaitkan dengan gen responsif isyarat wujud dalam penambah, manakala hanya kira-kira 6% daripada TFBS tersebut berlaku dalam promoter.[15]
Protein EGR1 ialah faktor transkripsi khusus yang penting dalam kawal atur pemetilan pulau CpG. Tapak pengikat faktor transkripsi EGR1 selalunya terletak dalam jujukan penguat atau promoter.[26] Terdapat kira-kira 12,000 tapak pengikatan EGR1 dalam genom mamalia dan kira-kira separuh daripada tapak pengikatan EGR1 terletak di promoter dan separuh lagi dalam penguat.[26] Pengikatan EGR1 terhadap tapak pengikatan DNA sasarannya tidak sensitif terhadap pemetilan sitosina dalam DNA.[26]
Walaupun hanya sejumlah kecil protein faktor transkripsi EGR1 yang dapat dikesan dalam sel yang tidak dirangsang, terjemahan gen EGR1 ke dalam protein dalam satu jam selepas rangsangan meningkat secara drastik.[27] Pengeluaran protein faktor transkripsi EGR1 dalam pelbagai jenis sel boleh dirangsang oleh faktor pertumbuhan, neurotransmiter, hormon, tekanan dan kecederaan.[27] Di otak, apabila neuron diaktifkan, protein EGR1 dikawal atur, dan ia mengikat (merekrut) enzim TET1 sedia ada yang dihasilkan dalam jumlah tinggi dalam neuron. Enzim TET boleh memangkinkan penyahmetilan 5-metilsitosina. Apabila faktor transkripsi EGR1 membawa enzim TET1 ke tapak pengikat EGR1 dalam promoter, enzim TET boleh menyahmetilkan pulau CpG yang ada di promoter tersebut. Selepas penyametilan, promoter ini kemudiannya boleh memulakan transkripsi gen sasaran mereka. Beratus-ratus gen dalam neuron dinyatakan secara berbeza selepas pengaktifan neuron melalui pengambilan EGR1 oleh TET1 terhadap jujukan kawal selua pemetilan dalam promoternya.[26]
Metilasi promoter juga diubah sebagai tindak balas kepada isyarat. Tiga DNA metiltransferase mamalia (DNMT1, DNMT3A dan DNMT3B) memangkinkan penambahan kumpulan metil kepada sitosina dalam DNA. Walaupun DNMT1 ialah metiltransferase penyelenggaraan, DNMT3A dan DNMT3B boleh menjalankan pemetilan baharu. Terdapat juga dua isobentuk protein hiris cantum yang dihasilkan daripada gen DNMT3A: protein DNA metiltransferase, DNMT3A1 dan DNMT3A2.[28]
Isobentuk sambatan DNMT3A2 berkelakuan seperti produk gen awal segera klasik, dan sebagai contoh, ia dihasilkan secara teguh dan sementara selepas pengaktifan neuron.[29] Tempat di mana isobentuk DNA metiltransferase DNMT3A2 mengikat dan menambah kumpulan metil terhadap sitosina nampaknya ditentukan oleh pengubahsuaian pascaterjemahan histon.[30][31][32]
Sebaliknya, pengaktifan saraf menyebabkan penguraian DNMT3A1, disertai dengan pengurangan pemetilan sekurang-kurangnya satu promoter sasaran yang dinilai.[33]
Transkripsi bermula dengan polimerase RNA dan satu atau lebih faktor transkripsi umum yang mengikat jujukan promoter DNA untuk membentuk kompleks tertutup promoter-RNA polimerase. Dalam kompleks tertutup, DNA promoter masih beruntaian ganda dua sepenuhnya.[6]
RNA polimerase dibantu oleh satu atau lebih faktor transkripsi umum, kemudian melepaskan kira-kira 14 pasangan bes DNA untuk membentuk kompleks terbuka promoter-RNA polimerase. Dalam kompleks terbuka, DNA promoter sebahagiannya tidak terbuka dan beruntai tunggal. DNA beruntai tunggal yang terdedah dirujuk sebagai "gelembung transkripsi".[6]
Polimerase RNA yang dibantu oleh satu atau lebih faktor transkripsi umum kemudian memilih tapak permulaan transkripsi dalam gelembung transkripsi, dan mengikat kepada NTP permulaan dan NTP lanjutan (atau primer RNA pendek dan NTP lanjutan) yang melengkapi urutan tapak permulaan transkripsi, dan memangkinkan pembentukan ikatan untuk menghasilkan satu produk RNA awal.[6]
Dalam bakteria, holoenzim polimerase RNA terdiri daripada lima subunit: 2 subunit α, 1 subunit β, 1 subunit β', dan 1 subunit ω. Dalam bakteria, terdapat satu faktor transkripsi RNA umum yang dikenali sebagai faktor sigma. Enzim teras polimerase RNA mengikat kepada faktor transkripsi umum (sigma) bakteria untuk membentuk holoenzim polimerase RNA, dan kemudiannya mengikat promoter.[6] (RNA polimerase dipanggil holoenzim apabila subunit sigma dilekatkan pada enzim teras yang terdiri daripada 2 subunit α, 1 subunit β, subunit 1 β' sahaja). Tidak seperti dalam eukariot, nukleotida permulaan mRNA bakteria baru lahir tidak dihadkan dengan nukleotida guanina yang diubah suai. Nukleotida permulaan transkrip bakteria mengandungi 5' trifosfat (5'-PPP) yang boleh digunakan dalam pemetaan genom seluruh tapak permulaan transkripsi.[35]
Dalam arkea dan eukariot, RNA polimerase mengandungi subunit homolog kepada setiap lima subunit RNA polimerase dalam bakteria, dan juga mengandungi subunit tambahan. Dalam arkea dan eukariot, fungsi sigma faktor transkripsi umum bakteria dilakukan oleh beberapa faktor transkripsi umum yang berfungsi bersama.[6] Dalam arkea, terdapat tiga faktor transkripsi umum: TBP, TFB dan TFE. Dalam eukariot, dalam transkripsi bergantungan RNA polimerase II, terdapat enam faktor transkripsi umum: TFIIA, TFIIB (ortolog TFB arkea), TFIID (faktor multisubunit di mana subunit utama, TBP, ialah ortolog TBP arkea), TFIIE (sebuah ortolog TFE kuno), TFIIF dan TFIIH. TFIID ialah komponen pertama yang mengikat DNA oleh kerana pengikatan TBP, manakala TFIIH ialah komponen terakhir yang diambil. Dalam kedua-dua domain, kompleks tertutup promoter-RNA polimerase biasanya dirujuk sebagai "kompleks prapermulaan".[36]
Permulaan transkripsi dikawal oleh protein tambahan yang dikenali sebagai pengaktif dan penindas, dan, dalam beberapa kes, kopengaktif atau kopenindas yang berkaitan yang memodulasi pembentukan dan fungsi kompleks permulaan transkripsi.[6]
Selepas ikatan pertama disintesis, RNA polimerase mesti keluar dari promoter. Pada masa ini, terdapat kecenderungan untuk melepaskan transkrip RNA dan menghasilkan transkrip terpotong. Ini dipanggil permulaan terbantut, dan biasa berlaku dalam kedua-dua eukariot dan prokariot.[37]
Secara mekanikal, pengeluaran promoter berlaku melalui pemampatan DNA, memberikan tenaga yang diperlukan untuk memecahkan interaksi antara holoenzim polimerase RNA dan promoter.[38]
Dalam bakteria, tanggapan dahulukala ialah faktor sigma pasti dikeluarkan selepas pelepasan promoter berlaku. Teori ini telah dikenali sebagai model pelepasan wajib. Walau bagaimanapun, data terkemudian menunjukkan bahawa ketika dan selepas pelepasan promoter, faktor sigma dikeluarkan mengikut model stokastik yang dikenali sebagai model keluaran stokastik.[39]
Dalam eukariot pula, ketika pelepasan promoter, TFIIH memfosforilkan serina 5 di domain terminal karboksi RNA polimerase II di promoter bergantungan polimerase, dan membawa kepada pengambilan enzim pelindung (CE).[40][41] Mekanisme tepat bagaimana CE mendorong pelepasan promoter dalam eukariot belum diketahui.
Satu helai DNA, untaian templat (atau untaian bukan pengekod), digunakan sebagai templat sintesis RNA. Semasa transkripsi diteruskan, RNA polimerase merentasi untaian templat dan menggunakan pelengkap pasangan bes dengan templat DNA untuk mencipta salinan RNA (yang memanjang semasa perjalanan). Walaupun RNA polimerase merentasi untaian templat dari 3' → 5', untaian pengekod (bukan templat) dan RNA yang baru terbentuk juga boleh digunakan sebagai titik rujukan, jadi transkripsi boleh digambarkan sebagai berlaku 5' → 3'. Ini menghasilkan molekul RNA daripada 5' → 3', salinan tepat helai pengekodan (kecuali timina digantikan dengan urasil, dan nukleotida terdiri daripada gula ribosa (5-karbon) di mana DNA pula mempunyai deoksiribosa (kurang satu atom oksigen) dalam tulang belakang gula-fosfatnya).[3]
Transkripsi mRNA boleh melibatkan berbilang RNA polimerase di satu templat DNA serta berbilang pusingan transkripsi (penguatan mRNA tertentu), membolehkan begitu banyak molekul mRNA boleh dihasilkan dengan cepat daripada satu salinan gen. Kadar pemanjangan lazim dalam prokariot dan eukariota ialah kira-kira 10–100 nt/saat.[42] Walau bagaimanapun, dalam eukariot, nukleosom bertindak sebagai penghalang utama untuk mentranskripsi polimerase semasa pemanjangan transkripsi.[43][44] Dalam organisma ini, jeda yang disebabkan oleh nukleosom boleh dikawal oleh faktor pemanjangan transkripsi seperti TFIIS.[44]
Pemtusan dwiuntai kawasan DNA yang ditranskripsi secara aktif dibaiki oleh rekombinasi homolog semasa fasa S dan G2 kitaran sel.[45][46] Memandangkan transkripsi meningkatkan kebolehcapaian DNA terhadap bahan kimia eksogen dan metabolit dalaman yang boleh menyebabkan kerosakan rekombinan, rekombinasi homolog bagi jujukan DNA tertentu mungkin dirangsang kuat oleh transkripsi.[47]
Bakteria menggunakan dua strategi berbeza untuk penamatan transkripsi - penamatan bebas Rho dan bergantungan Rho. Dalam penamatan transkripsi bebas Rho, transkripsi RNA berhenti apabila molekul RNA yang baru disintesis membentuk gelung pin rambut kaya dengan jujukan guanosina-sitidina (GC) diikuti dengan rentetan urasil (U). Apabila "pin rambut" terbentuk, tekanan mekanikal memecahkan ikatan rU-dA yang lemah yang kini mengisi hibrid DNA-RNA. Ini menarik transkrip poli-U keluar dari tapak aktif polimerase lalu menamatkan transkripsi. Dalam penamatan bergantungan Rho, faktor Rho, suatu faktor protein, mengganggu kestabilan interaksi antara templat dan mRNA lalu melepaskan mRNA yang baru disintesis dari kompleks pemanjangan.[48]
Penamatan transkripsi dalam eukariota kurang difahami dengan baik berbanding bakteria, tetapi melibatkan pembelahan transkrip baharu, diikuti dengan penambahan adenina bebas templat di hujung 3' baharunya, dalam proses yang dipanggil pempoliadenilan.[49]
Di luar penamatan oleh jujukan penamat (yang merupakan sebahagian daripada gen), transkripsi juga mungkin perlu ditamatkan apabila ia menghadapi keadaan seperti kerosakan DNA atau garpu replikasi aktif. Dalam bakteria, ATPase Mfd boleh mengeluarkan polimerase yang terhenti di kerosakan dengan membuka pengapitnya. Ia juga merekrut jentera pembaikan pemotongan nukleotida untuk membaiki kerosakan. Mfd juga dicadangkan dalam penyelesaian konflik antara replikasi DNA dan transkripsi.[50] Dalam eukaiot, ATPase TTF2 membantu menyekat tindakan RNAP I dan II semasa mitosis, menghalang ralat dalam pemisahan kromosom.[51] Dalam arkea, Eta ATPase dicadangkan untuk memainkan peranan yang sama.[52]
Polimerase RNA memainkan peranan yang sangat penting dalam semua langkah termasuk, perubahan pascatranskripsi dalam RNA.
Imej menunjukkan bagaimana CTD membawa protein bagi perubahan lanjutan dalam RNA.Seperti yang ditunjukkan dalam imej sebelah kanan, jelas bahawa CTD (domain terminal C) ialah suatu ekor yang mengubah bentuknya; ekor ini akan digunakan sebagai pembawa penyambungan, penutup dan poliadenilasi, seperti yang ditunjukkan dalam imej sebelah kiri.[53]
Menu
Transkripsi (biologi)Berkaitan
Rujukan
WikiPedia: Transkripsi (biologi)