Transkription: Definition und Ablauf

Die Transkription ist ein wichtiger biologischer Prozess, bei dem genetische Informationen von der DNA auf RNA übertragen werden. Sie ist der erste Schritt der Genexpression, der es einer Zelle ermöglicht, die in ihrer DNA gespeicherten Informationen in eine Form zu bringen, die für die Produktion von Proteinen genutzt werden kann. Dieser Prozess ist von entscheidender Bedeutung für die Funktion aller Zellen, da die produzierten Proteine für nahezu alle zellulären Prozesse und Strukturen verantwortlich sind. Wie genau die Transkription abläuft, betrachtet dieser Artikel.

Transkription – Definition

Transkription bezeichnet den biologischen Prozess, bei dem die genetische Information eines Gens von der DNA auf RNA übertragen wird. Diese RNA dient anschließend als Vorlage für die Synthese von Proteinen. Die Transkription verwendet ein Teil der DNA als Matrize, um eine komplementäre RNA-Kopie zu erstellen. Diese RNA umfasst die gleiche Information wie der kodierende DNA-Strang, allerdings enthält sie statt Thymidin Uracil in der RNA. Diese Information nutzt der nächste Schritt, die Translation, genutzt, um Proteine zu synthetisieren.

Transkription – Ablauf

Die Transkription verläuft in drei grundlegenden Phasen: Initiation, Elongation und Termination. Jede dieser Phasen ist hochreguliert und erfolgt in einer bestimmten Reihenfolge. Der genaue Ablauf unterscheidet sich je nach dem Zelltyp, in dem die Transkription stattfindet. Die grundlegenden Prinzipien sind jedoch in allen Lebewesen gleich.

Initiation

Die Initiation der Transkription beginnt mit der Bindung der RNA-Polymerase an eine spezifische Region der DNA, die man Promotor nennt. Der Promotor ist eine spezifische DNA-Sequenz, die in der Nähe des zu transkribierenden Gens liegt und als Startsignal für die Transkription dient.

Die RNA-Polymerase bindet an den Promotor und öffnet die DNA-Doppelhelix. In dieser Region der DNA trennt sich die Doppelfunktion auf, sodass ein einzelner DNA-Strang als Matrize für die RNA-Synthese dienen kann. Im Fall der Eukaryoten unterstützt die Bildung eines Präinitiationskomlexes (PIC) diesen Schritt. Dieser umfasst neben der RNA-Polymerase auch eine Reihe weiterer Transkriptionsfaktoren.

Elongation

Nachdem die RNA-Polymerase an den Promotor gebunden hat und die DNA geöffnet hat, beginnt die Elongation. Dabei handelt es sich um den eigentliche Prozess der RNA-Synthese. Die RNA-Polymerase liest den Matrizenstrang der DNA in 3’ zu 5’ Richtung ab und synthetisiert einen komplementären RNA-Strang in 5’ zu 3’ Richtung. Der RNA-Strang besteht aus Ribonukleotiden, die mit den entsprechenden Basen der DNA-Matrize paaren: Adenin (A) mit Uracil (U), Cytosin (C) mit Guanin (G), und Guanin (G) mit Cytosin (C).
Während der Elongation wird die RNA-Polymerase von der DNA entlanggeführt, wobei sie den RNA-Strang kontinuierlich verlängert. Hinter der Polymerase wird die DNA wieder in ihre ursprüngliche Doppelstrangstruktur zurückgeführt. Diese Region, in der die Transkription aktiv stattfindet, bezeichnet man als Transkriptionsblase.

In Eukaryoten kann die Prozession der RNA bereits während der Elongation erfolgen. Das bedeutet, dass verschiedene Enzyme die RNA modifizieren, um sie für den späteren Export aus dem Zellkern vorzubereiten. Dazu gehört das Anheften einer Cap-Struktur am 5′-Ende der RNA sowie das Hinzufügen eines Poly-A-Schwanzes am 3′-Ende.

Termination

Die Termination der Transkription tritt auf, wenn die RNA-Polymerase auf spezifische Signalsequenzen stößt, die ihr das Signal zum Abbrechen der Transkription geben. Bei Prokaryoten erkennt die RNA-Polymerase die Terminationssignale direkt auf der DNA und löst sich von der Matrize. Diese Signale können auf verschiedene Weise wirken, etwa durch das Bilden einer Haarnadelstruktur in der RNA, die die Polymerase destabilisiert.

In Eukaryoten ist die Termination der Transkription komplexer. Nachdem die RNA-Polymerase die Terminationssignale erkannt hat, unterstützen sie spezifische Hilfsfaktoren. Die RNA wird am Ende von einer Exonuklease abgebaut, bevor sich die Polymerase vollständig von der DNA löst und die Transkription abgeschlossen ist.

Transkription – Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten

Obwohl der grundlegende Ablauf der Transkription bei Prokaryoten und Eukaryoten ähnlich ist, gibt es einige wichtige Unterschiede, die hauptsächlich mit der Struktur der Zellen und der Komplexität der Genregulation zu tun haben.

Genomorganisation und Zellstruktur

Prokaryoten haben ein einfaches, zirkuläres Genom, das frei im Zytoplasma vorliegt. Die Transkription und die anschließende Translation sind bei diesen Zellen oft gekoppelt, was bedeutet, dass die mRNA direkt nach ihrer Synthese in die Proteinproduktion überführt wird. In Eukaryoten hingegen befindet sich die DNA im Zellkern, getrennt vom Zytoplasma. Die Transkription findet daher im Zellkern statt, während die Translation im Zytoplasma erfolgt. Daher muss nach der Transkription der Transport der mRNA durch den Zellkern erfolgen. Außerdem folgt eine Reihe von Prozessierungen, wie zum Beispiel Spleißen, Capping und Polyadenylierung, bevor sie das Zytoplasma erreicht.

Komplexität der Transkription

Eukaryoten haben mehrere verschiedene RNA-Polymerasen, die jeweils für die Synthese spezifischer RNA-Typen verantwortlich sind. RNA-Polymerase I synthetisiert ribosomale RNA, RNA-Polymerase II ist für die Synthese der mRNA verantwortlich, und RNA-Polymerase III stellt tRNA und 5S rRNA her. Prokaryoten hingegen besitzen nur eine RNA-Polymerase, die alle Arten von RNA synthetisiert.

Zusätzlich ist die Regulation der Transkription in Eukaryoten viel komplexer als in Prokaryoten. Während Prokaryoten hauptsächlich durch die Bindung von Repressoren und Aktivatoren an spezifische DNA-Regionen wie Operatoren reguliert werden, erfolgt die Regulation in Eukaryoten durch eine Vielzahl von Transkriptionsfaktoren, Enhancern und Silencern, die an Promotoren oder an andere regulatorische Sequenzen binden können. Diese Komplexität ermöglicht eine feinere Abstimmung der Genexpression.

Prozessierung der eukaryotischen RNA

Ein wesentlicher Unterschied zwischen der Transkription bei Prokaryoten und Eukaryoten ist die Notwendigkeit der Prozessierung der RNA in Eukaryoten. Die bei Eukaryoten erzeugte prä-mRNA enthält oft nicht-kodierende Sequenzen, sogenannte Introns, die vor der Translation entfernt werden müssen. Dieser Prozess wird als Spleißen bezeichnet. Zusätzlich erhält die prä-mRNA eine 5’-Cap-Struktur und einen Poly-A-Schwanz, die beide wichtige Funktionen beim Schutz der RNA und beim Transport aus dem Zellkern haben.

Die mRNA-Prozessierung spielt eine Schlüsselrolle bei der Genregulation, da sie dafür sorgt, dass nur korrekt modifizierte und funktionale mRNA-Moleküle den Zellkern verlassen und an der Proteinbiosynthese teilnehmen.