Transkripcija olbaltumvielu sintēzē

Cilvēka šūnā transkripcija notiek kodolā (nucleus), atsevišķi no vietas, kur notiek olbaltumvielu izgatavošana. Šis telpiskais sadalījums ir viena no galvenajām atšķirībām starp mūsu šūnām un baktēriju šūnām, kurās abi procesi norit vienlaikus un vienā telpā.

Neliela transkripcijas daļa notiek arī mitohondrijos, kuriem ir sava neatkarīga apļveida DNS un savi kopēšanas rīki. Tieši tāpēc mitohondriju slimības pārmanto tikai pa mātes līniju un uzvedas ne pēc parastajiem iedzimtības likumiem.

Process nav vienreizējs notikums. Aktīvi gēni tiek pārrakstīti atkal un atkal, un no viena gēna vienlaikus var strādāt vairākas kopēšanas iekārtas. Pretēji tam, gēni, kas šūnā nav vajadzīgi, var palikt neizmantoti visu šūnas mūžu.

Varētu šķist, ka vienkāršāk būtu ribosomai lasīt tieši no DNS. Tomēr starpkopija dod šūnai vairākas priekšrocības uzreiz.

Pirmkārt, DNS paliek kodolā pasargāta. Otrkārt, no viena gēna var izgatavot daudz kopiju un tādējādi ātri pastiprināt vajadzīgās olbaltumvielas ražošanu. Treškārt, RNS kopija ir īslaicīga: tā sadalās, un ražošana apstājas, tiklīdz pavēle vairs netiek atkārtota.

Ir vēl viens smalks arguments. Kļūda, kas rodas pārrakstīšanas laikā, sabojā vienu olbaltumvielu partiju un pazūd līdz ar to RNS molekulu. Kļūda, kas rodas DNS pavairošanas laikā, paliek šūnā uz visiem laikiem un pāriet uz visām tās pēctecēm. Tāpēc evolūcija ir pieļāvusi, ka transkripcija strādā ātrāk un ar mazāku precizitāti nekā DNS dubultošanās.

Galvenais darbarīks ir ferments RNS polimerāze. Cilvēka šūnā mRNS izgatavošanai kalpo otrā tipa RNS polimerāze, un tā viena pati pie DNS nepiesaistās: to tur jāaizved veselai virknei olbaltumvielu, ko sauc par transkripcijas faktoriem.

Vieta, kur šī iekārta savācas kopā, atrodas gēna priekšā un saucas promotors. Tās secība nosaka, cik viegli gēnu ieslēgt, un tieši uz to iedarbojas lielākā daļa regulējošo signālu.

1. Transkripcijas faktori atpazīst promotoru un pievelk RNS polimerāzi, izveidojot iniciācijas kompleksu.
2. DNS spirāle nelielā posmā atvijas, un atsedzas abi pavedieni.
3. Polimerāze izvēlas vienu no tiem par matricu un virzās pa to, pievienojot pretī katram burtam atbilstošo RNS nukleotīdu, tikai timīna vietā ievietojot uracilu.
4. Aiz polimerāzes DNS nekavējoties atgriežas dubultspirāles formā, tāpēc gēns nepaliek atvērts ilgāk, nekā nepieciešams.
5. Sasniedzot beigu signālu, polimerāze atbrīvojas un jaunā RNS molekula atdalās no matricas.

Abus soļus sadzīvē nereti sajauc, taču tie atšķiras pēc vietas, rīkiem un rezultāta. Šī tabula ir vienkāršākais veids, kā tos atcerēties.

Tikko izgatavotā RNS vēl nav gatava lietošanai. Cilvēka gēnos informācija ir sadrumstalota: izmantojamie posmi, eksoni, mijas ar neizmantojamiem, introniem. Pirms izmantošanas šī molekula tiek apstrādāta trijos veidos.

Tieši eksonu savienošana dod vienu no lielākajām atklāsmēm par cilvēka genomu. Savienojot eksonus dažādās kombinācijās, no viena gēna var iegūt vairākas atšķirīgas olbaltumvielas, un tas izskaidro, kā samērā nelielam gēnu skaitam var atbilst daudz plašāka olbaltumvielu daudzveidība.

• Pie molekulas sākuma pievieno aizsargājošu cepurīti, kas pasargā no noārdīšanas un palīdz ribosomai to atpazīt.
• Pie beigām pievieno garu adenīnu asti, kas nosaka, cik ilgi molekula šūnā izdzīvos.
• Introni tiek precīzi izgriezti, un eksoni savienoti kopā, un šo procesu sauc par splaisingu.
• Tikai pēc tam gatavā molekula caur kodola porām izkļūst citoplazmā.
• Dažās RNS molekulās atsevišķi burti vēl tiek ķīmiski pārveidoti, mainot gala olbaltumvielas nozīmi.

Informācijas RNS ir tikai viens no RNS veidiem. Ribosomu RNS veido pašu ribosomu skeletu, pārnesēja RNS piegādā aminoskābes, un abas šīs RNS nekad netiek tulkotas par olbaltumvielām.

Tām pievienojas plašs regulējošo RNS pasaules slānis, tostarp ļoti īsas molekulas, kas piesaistās gatavajai informācijas RNS un apklusina to. Šī sistēma ļauj šūnai apturēt ražošanu pat pēc tam, kad pārrakstīšana jau notikusi.

Dažādus RNS veidus izgatavo dažādas polimerāzes. Tas nav tikai akadēmisks sīkums: tieši šīs specializācijas dēļ atsevišķas indes un zāles spēj apturēt vienu RNS veidu, neskarot pārējos.

Lielākā daļa iedzimto slimību skar nevis pašu pārrakstīšanas mehānismu, bet gan to, kas tiek pārrakstīts. Ja mutācija ir promotorā, gēns var tikt nolasīts par maz vai par daudz, lai gan olbaltumvielas plāns pats ir nevainojams.

Īpaši raksturīgas ir mutācijas tajās vietās, kur beidzas eksons un sākas introns. Šūna vairs nespēj pareizi izgriezt intronu, un rezultātā rodas sabojāta olbaltumviela vai tās nav vispār. Tieši šāds mehānisms ir daļai hemoglobīna slimību, piemēram, atsevišķām talasēmijas formām.

Audzēju bioloģijā biežāk nozīme ir nevis salauztam gēnam, bet gan nepareizi ieslēgtam. Gēns, kas veselā šūnā tiek pārrakstīts reti, audzēja šūnā var tikt pārrakstīts nepārtraukti, un tas vien jau dod nekontrolētu dalīšanos.

Ar iedzimtām gēnu ekspresijas slimībām nodarbojas medicīnas ģenētiķis, bet praktiski pirmais ceļš pie viņa ved caur ģimenes ārstu vai attiecīgās nozares speciālistu, piemēram, hematologu vai neirologu.

Laboratorijā RNS pati par sevi ir nestabila, tāpēc to vispirms pārraksta atpakaļ par DNS ar fermentu revertāzi un tikai tad pavairo. Tieši tāpēc vīrusu testos parādās apzīmējums, kas norāda uz apgriezto pārrakstīšanu.

• Vīrusu noteikšanas testi, kuros meklē tieši vīrusa RNS, nevis olbaltumvielu.
• Gēnu ekspresijas paneļi audzējaudos, kas rāda, kuri gēni audzējā tiek pārrakstīti pastiprināti, un palīdz izvēlēt ārstēšanu.
• RNS sekvenēšana pētniecībā, kas vienlaikus nolasa visu šūnā esošo RNS kopumu.
• Informācijas RNS vakcīnas, kurās organismam ievada gatavu RNS kopiju, apejot transkripcijas soli pavisam.
• Antibiotikas no rifampicīna grupas, kas bloķē tieši baktēriju RNS polimerāzi un neaiztiek cilvēka fermentu.

Visbiežāk transkripciju sajauc ar replikāciju, tas ir, DNS pavairošanu pirms šūnas dalīšanās. Replikācijā tiek nokopēta visa DNS un abi pavedieni, rezultāts ir jauna DNS molekula. Transkripcijā tiek kopēts tikai viens gēns un tikai no viena pavediena, un rezultāts ir RNS.

Otra bieža sajaukšana ir starp gēnu un genomu. Gēns ir viens instrukcijas posms, genoms ir visa krātuve. Pārrakstīšana vienmēr skar atsevišķu gēnu, nevis genomu kopumā.

Visspilgtākais praktiskais piemērs tam, cik būtiska ir transkripcija, nāk no sēņu indēm. Zaļās mušmires inde iedarbojas tieši uz to polimerāzi, kas izgatavo informācijas RNS. Šūna neiet bojā uzreiz, jo tai vēl ir agrāk izgatavotās RNS un olbaltumvielas, un tieši tāpēc saindēšanās sākumā pēc pirmās smagās kuņģa un zarnu trakta fāzes seko maldinošs uzlabojums. Aknu mazspēja attīstās vēlāk, kad krājumi ir izsmelti. Šāds vēlīnas pasliktināšanās scenārijs ir iemesls, kāpēc pēc jebkuras aizdomīgas sēņu ēšanas jāvēršas pie ārsta uzreiz, nevis jāgaida, kamēr pāries.