15.3 Umritun í heilkjörnungum

Markmið náms

Í lok þessa hluta muntu geta gert eftirfarandi:

• Talið upp skref umritunar í heilkjörnungum
• Rætt hlutverk RNA-pólýmerasa í umritun
• Borið saman RNA-pólýmerasana þrjá og greint á milli þeirra
• Útskýrt mikilvægi umritunarþátta

Dreifkjörnungar og heilkjörnungar framkvæma í grundvallaratriðum sama umritunarferli, en nokkur lykilatriði eru ólík. Mikilvægasti munurinn á umritun dreifkjörnunga og heilkjörnunga stafar af himnubundnum kjarna og frumulíffærum heilkjörnunga. Þar sem genin eru bundin inni í kjarna þarf heilkjörnungafruman að geta flutt mRNA sitt út í umfrymið og verndað það gegn niðurbroti áður en það er þýtt. Heilkjörnungar nota einnig þrjá ólíka pólýmerasa, sem hver umritar sérstakt undirmengi gena. mRNA heilkjörnunga eru yfirleitt eingena, það er þau tilgreina eitt prótín.

Upphaf umritunar í heilkjörnungum

Ólíkt pólýmerasa dreifkjörnunga, sem getur bundist DNA-móti sjálfur, þurfa heilkjörnungar nokkur önnur prótín, kölluð umritunarþættir, til að bindast fyrst stýrilssvæðinu og hjálpa síðan til við að kalla til rétta pólýmerasann.

RNA-pólýmerasarnir þrír í heilkjörnungum

Eiginleikar mRNA-myndunar í heilkjörnungum eru mun flóknari en í dreifkjörnungum. Í stað eins pólýmerasa úr fimm undireiningum hafa heilkjörnungar þrjá pólýmerasa, sem hver er gerður úr 10 eða fleiri undireiningum. Hver RNA-pólýmerasi heilkjörnunga þarf einnig sérstakan hóp umritunarþátta til að koma honum að DNA-mótinu.

RNA-pólýmerasi I er staðsettur í kjarnakorninu, sérhæfðri undirbyggingu kjarnans þar sem ríbósómal RNA (rRNA) er umritað, unnið og sett saman í ríbósóm (Tafla 15.1). rRNA-sameindirnar teljast byggingar-RNA vegna þess að þær hafa hlutverk í frumunni en eru ekki þýddar yfir í prótín. rRNA-sameindir eru hlutar ríbósómsins og eru nauðsynlegar fyrir þýðingu. RNA-pólýmerasi I myndar allar rRNA-sameindirnar úr endurteknu safni 18S, 5,8S og 28S ríbósómagena. Athugið að bókstafurinn „S“ vísar til Svedberg-eininga, ósamlagningarhæfs gildis sem lýsir hraðanum sem ögn botnfallast með við skilvindun.

RNA-pólýmerasi II er staðsettur í kjarnanum og myndar öll prótínkóðandi kjarna-for-mRNA. For-mRNA heilkjörnunga fara í gegnum umfangsmikla vinnslu eftir umritun en fyrir þýðingu. Til skýrleika notar þessi umfjöllun um umritun og þýðingu í heilkjörnungum hugtakið „mRNA“ aðeins um fullþroskaðar, unnar sameindir sem eru tilbúnar til þýðingar. RNA-pólýmerasi II sér um að umrita yfirgnæfandi meirihluta gena heilkjörnunga.

RNA-pólýmerasi III er einnig staðsettur í kjarnanum. Þessi pólýmerasi umritar ýmis byggingar-RNA, þar á meðal 5S for-rRNA, for-flutnings-RNA (for-tRNA) og lítil kjarna-for-RNA. tRNA gegna mikilvægu hlutverki í þýðingu; þau þjóna sem „millistykki“ milli mRNA-mótsins og vaxandi fjölpeptíðkeðjunnar. Lítil kjarna-RNA hafa ýmis hlutverk, meðal annars við „splæsingu“ for-mRNA og við stjórnun umritunarþátta.

Vísindamaður sem greinir nýtt gen getur ákvarðað hvaða pólýmerasi umritar það með því að prófa hvort genið sé tjáð í viðurvist α-amanitíns, fáliðupeptíðeiturs sem myndað er af berserkjasveppnum og öðrum tegundum af ættkvíslinni Amanita. Athyglisvert er að α-amanitín hefur mjög ólík áhrif á pólýmerasana þrjá (Tafla 15.1). RNA-pólýmerasi I er algerlega ónæmur fyrir α-amanitíni, sem merkir að pólýmerasinn getur umritað DNA in vitro í viðurvist eitursins. RNA-pólýmerasi III er miðlungs næmur fyrir eitrinu. Aftur á móti er RNA-pólýmerasi II afar næmur fyrir α-amanitíni. Eitrið kemur í veg fyrir að ensímið haldi áfram eftir DNA-inu og hindrar þannig umritun. Vitneskja um hvaða pólýmerasi umritar genið getur gefið vísbendingar um almennt hlutverk gensins sem verið er að rannsaka. Þar sem RNA-pólýmerasi II umritar langflest gen munum við í næstu umfjöllun um umritunarþætti og stýrla heilkjörnunga beina sjónum að þessum pólýmerasa.

Stýrlar RNA-pólýmerasa II og umritunarþættir

Stýrlar heilkjörnunga eru mun stærri og flóknari en stýrlar dreifkjörnunga. Báðir hafa þó röð sem líkist -10 röð dreifkjörnunga. Í heilkjörnungum kallast þessi röð TATA-kassi og hefur samkomulagsröðina TATAAA á kóðunarþræðinum. Hún er staðsett við -25 til -35 basa miðað við upphafsstaðinn (+1) (Mynd 15.10). Þessi röð er ekki eins og -10 kassinn í E. coli, en hún varðveitir A–T-ríka einindið. Hitastöðugleiki A–T-tengja er lítill og það hjálpar DNA-mótinu að vindast staðbundið sundur til undirbúnings umritun.

Í stað einfalda σ-þáttarins sem hjálpar RNA-pólýmerasa dreifkjörnunga að bindast stýrlinum sínum setja heilkjörnungar saman flóka umritunarþátta sem þarf til að kalla RNA-pólýmerasa II að prótínkóðandi geni. Umritunarþættir sem bindast stýrlinum kallast grunn-umritunarþættir. Þessir grunnþættir heita allir TFII, fyrir umritunarþátt/pólýmerasa II, auk viðbótarbókstafs frá A til J. Kjarnaflókinn er TFIID, sem inniheldur TATA-bindiprótein (TBP). Hinir umritunarþættirnir raðast kerfisbundið á DNA-mótið; hver þeirra stöðgar forupphafsflókann enn frekar og stuðlar að því að RNA-pólýmerasi II sé kallaður til.

Sjónræn tengsl

Vísindamaður splæsir stýrli heilkjörnungs framan við bakteríugen og setur genið inn í bakteríulitning. Myndir þú búast við að bakterían umritaði genið?

Sumir stýrlar heilkjörnunga hafa einnig varðveittan CAAT-kassa (GGCCAATCT) við um það bil -80. Lengra ofan við TATA-kassann geta stýrlar heilkjörnunga einnig innihaldið einn eða fleiri GC-ríka kassa (GGCG) eða oktamerkassa (ATTTGCAT). Þessi einindi binda frumuþætti sem auka skilvirkni upphafs umritunar og finnast oft í „virkari“ genum sem fruman tjáir stöðugt.

Grunn-umritunarþættir eru lykilatriði í myndun forupphafsflóka á DNA-mótinu, sem kallar síðan til RNA-pólýmerasa II fyrir upphaf umritunar. Flækjustig umritunar í heilkjörnungum endar þó ekki með pólýmerösum og stýrlum. Fjöldi annarra umritunarþátta, sem bindast efliröðum og þaggaröðum ofan við genið, hjálpar einnig til við að stjórna hversu oft for-mRNA er myndað frá geni. Efliraðir og þaggaraðir hafa áhrif á skilvirkni umritunar en eru ekki nauðsynlegar til að umritun geti farið fram.

Stýrilbyggingar fyrir RNA-pólýmerasa I og III

Ferlin sem koma RNA-pólýmerösum I og III að DNA-mótinu fela í sér aðeins einfaldari hópa umritunarþátta, en meginþemað er hið sama.

Varðveittu stýrilseinindin í genum sem pólýmerasar I og III umrita eru frábrugðin þeim sem RNA-pólýmerasi II umritar. RNA-pólýmerasi I umritar gen sem hafa tvær GC-ríkar stýrilraðir á svæðinu frá -45 til +20. Þessar raðir einar nægja til að upphaf umritunar geti átt sér stað, en stýrlar með viðbótarröðum á svæðinu frá -180 til -105 ofan við upphafsstaðinn auka upphafið enn frekar. Gen sem RNA-pólýmerasi III umritar hafa stýrla ofan við genin eða stýrla sem liggja inni í genunum sjálfum.

Umritun í heilkjörnungum er nákvæmlega stýrt ferli sem krefst þess að fjölbreytt prótín víxlverki hvert við annað og við DNA-þráðinn. Þótt umritun í heilkjörnungum krefjist meiri efnaskiptafjárfestingar en í dreifkjörnungum tryggir hún að fruman umriti nákvæmlega þau for-mRNA sem hún þarf fyrir próteinmyndun.

Þróunartengsl

Þróun stýrla

Þróun gena gæti verið kunnuglegt hugtak. Stökkbreytingar geta orðið í genum við DNA-eftirmyndun og afleiðingin getur verið frumunni gagnleg eða ekki. Með því að breyta ensími, byggingarprótíni eða öðrum þætti getur stökkbreyting breytt starfsemi eða líkamlegum einkennum. Stýrlar heilkjörnunga og aðrar genastýriraðir geta þó einnig þróast. Hugsum til dæmis um gen sem verður frumunni verðmætara yfir margar kynslóðir. Kannski kóðar genið fyrir byggingarprótín sem fruman þarf að mynda í miklu magni fyrir tiltekna starfsemi. Ef svo er væri frumunni gagnlegt að stýrill gensins kallaði umritunarþætti skilvirkar til sín og yki tjáningu gensins.

Vísindamenn sem hafa rannsakað þróun stýrilraða hafa greint frá breytilegum niðurstöðum. Að hluta til er þetta vegna þess að erfitt er að álykta nákvæmlega hvar stýrill heilkjörnungs byrjar og endar. Sumir stýrlar liggja inni í genum; aðrir eru staðsettir mjög langt ofan við genin, eða jafnvel neðan við þau, sem þeir stjórna. Þegar rannsakendur takmörkuðu athugun sína við kjarnastýriraðir manna sem höfðu verið skilgreindar með tilraunum sem raðir sem binda forupphafsflókann komust þeir þó að því að stýrlar þróast jafnvel hraðar en prótínkóðandi gen.

Enn er óljóst hvernig þróun stýrla gæti tengst þróun manna eða annarra flókinna lífvera. Þróun stýrils þannig að meira eða minna verði myndað af tiltekinni genaafurð er þó áhugaverður valkostur við þróun genanna sjálfra.¹

1. H. Liang o.fl., „Hröð þróun kjarnastýrla í erfðamengjum prímata,“ Molecular Biology and Evolution 25 (2008): 1239-44.

Lenging og lúkning í heilkjörnungum

Eftir myndun forupphafsflókans losnar pólýmerasinn frá hinum umritunarþáttunum og lenging getur haldið áfram eins og í dreifkjörnungum, þar sem pólýmerasinn myndar for-mRNA í 5′ til 3′ stefnu. Eins og áður var rætt umritar RNA-pólýmerasi II stærstan hluta gena heilkjörnunga; því verður hér fjallað um hvernig þessi pólýmerasi framkvæmir lengingu og lúkningu.

Þótt ensímferli lengingar sé í meginatriðum það sama í heilkjörnungum og dreifkjörnungum er DNA-mótið mun flóknara. Þegar heilkjörnungafrumur eru ekki að skipta sér eru gen þeirra til staðar sem dreifður massi DNA og prótína sem kallast litni. DNA er þétt pakkað utan um hlaðin históna með reglulegu millibili. Þessir DNA-histónflókar, sem sameiginlega kallast litnisagnir, eru jafnt dreifðir og innihalda 146 kirni af DNA sem vafið er utan um átta históna líkt og þráður utan um kefli.

Til þess að nýmyndun fjölkirna geti átt sér stað þarf umritunarvélbúnaðurinn að færa históna úr vegi í hvert sinn sem hann rekst á litnisögn. Það gerir sérstakur prótínflóki sem kallast FACT, enskt heiti á flóka sem auðveldar umritun litnis. Þessi flóki dregur históna frá DNA-mótinu þegar pólýmerasinn færist eftir því. Þegar for-mRNA hefur verið myndað setur FACT-flókinn históna aftur á sinn stað og endurskapar litnisagnirnar.

Lúkning umritunar er mismunandi eftir pólýmerösum. Ólíkt því sem gerist í dreifkjörnungum heldur lenging með RNA-pólýmerasa II í heilkjörnungum áfram 1.000 til 2.000 kirni út fyrir enda gensins sem verið er að umrita. Þessi hali for-mRNA er síðar fjarlægður með klofnun við mRNA-vinnslu. RNA-pólýmerasar I og III þurfa hins vegar lúkningarmerki. Gen sem RNA-pólýmerasi I umritar innihalda tiltekna 18 kirna röð sem lúkningarprótín þekkir. Lúkning hjá RNA-pólýmerasa III felur í sér mRNA-hárnælu sem líkist Rho-óháðri lúkningu umritunar í dreifkjörnungum.