15.2 Umritun í dreifkjörnungum

Markmið náms

Í lok þessa hluta muntu geta gert eftirfarandi:

• Talið upp mismunandi skref umritunar í dreifkjörnungum
• Rætt hlutverk stýrla í umritun dreifkjörnunga
• Lýst því hvernig og hvenær umritun lýkur

Dreifkjörnungar, þar á meðal bakteríur og fornbakteríur, eru að mestu einfruma lífverur sem samkvæmt skilgreiningu skortir himnubundinn kjarna og önnur frumulíffæri. Bakteríulitningur er lokaður hringur sem, ólíkt litningum heilkjörnunga, er ekki skipulagður utan um históna. Miðsvæði frumunnar þar sem DNA dreifkjörnunga er staðsett kallast kjarnsvæði. Auk þess hafa dreifkjörnungar oft mikið af plasmíðum, sem eru styttri, hringlaga DNA-sameindir sem geta aðeins innihaldið eitt eða fáein gen. Plasmíð geta flust óháð bakteríulitningnum við frumuskiptingu og bera oft eiginleika á borð við þá sem tengjast sýklalyfjaónæmi.

Umritun í dreifkjörnungum, líkt og í heilkjörnungum, krefst þess að DNA-tvöfaldur gormur vindist að hluta til sundur á svæðinu þar sem mRNA er myndað. Svæðið sem vindur ofan af sér kallast umritunarbóla. Umritun hvers gens fer alltaf eftir sama DNA-þræði, sem kallast mótþráður. mRNA-afurðin er samstæð mótþræðinum og er næstum eins og hinn DNA-þráðurinn, sem kallast ómótþráður eða kóðunarþráður. Eini munurinn á kirnum er að í mRNA eru öll T-kirni leyst af hólmi með U-kirnum (Mynd 15.7). Í RNA-tvöföldum gormi getur A bundist U með tveimur vetnistengjum, rétt eins og í A–T-pörun í DNA-tvöföldum gormi.

Kirnaparið í DNA-tvöfalda gorminum sem samsvarar staðnum þar sem fyrsta 5′ mRNA-kirnið er umritað kallast +1-staðurinn eða upphafsstaður umritunar. Kirni á undan upphafsstaðnum eru merkt með „-“ og kallast kirni ofan við upphafsstaðinn. Aftur á móti eru kirni á eftir upphafsstaðnum merkt með „+“ og kallast kirni neðan við upphafsstaðinn.

Upphaf umritunar í dreifkjörnungum

Dreifkjörnungar hafa ekki himnubundinn kjarna. Þess vegna geta umritun, þýðing og niðurbrot mRNA öll átt sér stað samtímis. Magn bakteríuprótíns inni í frumunni getur aukist hratt vegna margra samhliða umritunar- og þýðingaratburða á sama DNA-móti. Erfðamengi dreifkjörnunga eru mjög þétt, og umrit dreifkjörnunga ná oft yfir fleiri en eitt gen eða cistron, það er kóðunarröð fyrir eitt prótín. Fjölcistróna mRNA eru síðan þýdd þannig að þau mynda fleiri en eina gerð prótíns.

Hér verður umritun skýrð með því að lýsa ferlinu í Escherichia coli, vel rannsakaðri tegund raunbaktería. Þótt nokkur munur sé á umritun í E. coli og í fornbakteríum má yfirfæra skilning á umritun í E. coli á nánast allar bakteríutegundir.

RNA-pólýmerasi dreifkjörnunga

Dreifkjörnungar nota sama RNA-pólýmerasa til að umrita öll gen sín. Í E. coli er pólýmerasinn samsettur úr fimm fjölpeptíð-undireiningum, þar af eru tvær eins. Fjórar þessara undireininga, táknaðar α, α, β og β′, mynda kjarnaensím pólýmerasans. Undireiningarnar raðast saman í hvert sinn sem gen er umritað og falla aftur í sundur þegar umritun lýkur. Hver undireining hefur sérstakt hlutverk: α-undireiningarnar tvær eru nauðsynlegar til að setja pólýmerasann saman á DNA; β-undireiningin binst ríbónúkleósíðþrífosfatinu sem verður hluti af nýmyndaðri mRNA-sameind; og β′-undireiningin binst DNA-mótþræðinum. Fimmta undireiningin, σ, tekur aðeins þátt í upphafi umritunar. Hún veitir umritun sértækni þannig að pólýmerasinn byrjar að mynda mRNA frá réttum upphafsstað. Án σ myndi kjarnaensímið umrita frá tilviljanakenndum stöðum og mynda mRNA-sameindir sem tilgreindu merkingarlausar próteinraðir. Pólýmerasinn með öllum fimm undireiningunum kallast hólóensím.

Stýrlar dreifkjörnunga

Stýrill er DNA-röð sem umritunarvélbúnaðurinn, þar á meðal RNA-pólýmerasi, binst við og hefur umritun. Í flestum tilvikum eru stýrlar ofan við genin sem þeir stjórna. Nákvæm röð stýrilsins skiptir miklu máli vegna þess að hún ákvarðar hvort samsvarandi gen sé umritað stöðugt, stundum eða sjaldan. Þótt stýrlar séu breytilegir milli erfðamengja dreifkjörnunga eru nokkur einindi þróunarlega varðveitt í mörgum tegundum. Á -10 og -35 svæðunum ofan við upphafsstaðinn eru tvær samkomulagsraðir stýrils, það er svæði sem eru lík milli allra stýrla og milli ýmissa bakteríutegunda (Mynd 15.8). -10 röðin, kölluð -10 svæðið, hefur samkomulagsröðina TATAAT. -35 röðin hefur samkomulagsröðina TTGACA. Þessar samkomulagsraðir eru þekktar og bundnar af σ. Þegar þessi víxlverkun hefur orðið bindast undireiningar kjarnaensímsins við staðinn. A–T-ríka -10 svæðið auðveldar að DNA-mótið vindist sundur og nokkur fosfódíestertengi myndast. Upphafsfasa umritunar lýkur með myndun slitróttra umrita, sem eru fjölliður úr um það bil 10 kirnum sem eru myndaðar og losaðar.

Tengill í námsefni

Skoðaðu þessa MolecularMovies-hreyfimynd til að sjá umritunarferlið eins og það gerist í frumunni.

Lenging og lúkning í dreifkjörnungum

Lengingarfasi umritunar hefst þegar σ-undireiningin losnar frá pólýmerasanum. Losun σ gerir kjarnaensíminu kleift að halda áfram eftir DNA-mótinu og mynda mRNA í 5′ til 3′ stefnu á hraða sem er um það bil 40 kirni á sekúndu. Á meðan lenging heldur áfram vindur DNA sífellt ofan af sér fyrir framan kjarnaensímið og vindur sig aftur saman fyrir aftan það. Basapörun milli DNA og RNA er ekki nógu stöðug til að viðhalda stöðugleika mRNA-myndunarflókans. Þess í stað virkar RNA-pólýmerasi sem stöðug tenging milli DNA-mótsins og nýmyndaða RNA-þráðarins og tryggir að lenging rofni ekki of snemma.

Lúkningarmerki í dreifkjörnungum

Þegar gen hefur verið umritað þarf að gefa pólýmerasa dreifkjörnunga fyrirmæli um að losna frá DNA-mótinu og sleppa nýmynduðu mRNA. Eftir því hvaða gen er umritað eru til tvær gerðir lúkningarmerkja. Önnur er prótínbundin og hin RNA-bundin. Rho-háð lúkning er stjórnað af rho-prótíninu (ρ), sem fylgir á eftir pólýmerasanum eftir vaxandi mRNA-keðjunni. Nálægt enda gensins rekst pólýmerasinn á röð G-kirna á DNA-mótinu og stöðvast. Afleiðingin er að rho-prótínið rekst á pólýmerasann. Víxlverkunin við rho losar mRNA úr umritunarbólunni.

Rho-óháðri lúkningu er stjórnað af tilteknum röðum í DNA-mótþræðinum. Þegar pólýmerasinn nálgast enda gensins sem verið er að umrita rekst hann á svæði sem er ríkt af C–G-kirnum. mRNA leggst aftur að sjálfu sér og samstæðu C–G-kirnin bindast hvert öðru. Útkoman er stöðug hárnæla sem veldur því að pólýmerasinn stöðvast um leið og hann byrjar að umrita svæði sem er ríkt af A–T-kirnum. Samstæða U–A-svæði mRNA-umritsins myndar aðeins veika víxlverkun við DNA-mótið. Þetta, ásamt stöðvuðum pólýmerasa, veldur nægum óstöðugleika til að kjarnaensímið losni og sleppi nýja mRNA-umritinu.

Við lúkningu er umritunarferlinu lokið. Þegar lúkning á sér stað hefur umrit dreifkjörnunga þegar verið notað til að hefja myndun fjölda eintaka af prótíninu sem það kóðar fyrir, vegna þess að þessi ferli geta átt sér stað samtímis. Samtenging umritunar, þýðingar og jafnvel niðurbrots mRNA er möguleg vegna þess að öll þessi ferli ganga í sömu 5′ til 3′ stefnu og vegna þess að engin himnubundin hólfaskipting er í dreifkjörnungafrumunni (Mynd 15.9). Aftur á móti kemur tilvist kjarna í heilkjörnungafrumum í veg fyrir samtímis umritun og þýðingu.

Tengill í námsefni

Skoðaðu þessa BioStudio-hreyfimynd til að sjá ferli umritunar í dreifkjörnungum.