Μεταγραφή και ωρίμανση του mRNA
Τεύχος Β΄ · Κεφ. 2 · Ροή της γενετικής πληροφορίας, μεταγραφή, εσώνια–εξώνια, ωρίμανση
Ένα γονίδιο που θέλει 16 ώρες για να διαβαστεί
Το μεγαλύτερο γνωστό ανθρώπινο γονίδιο, της δυστροφίνης (μιας πρωτεΐνης των μυών), έχει μήκος περίπου 2,2 εκατομμύρια ζεύγη βάσεων. Η RNA πολυμεράση χρειάζεται περίπου 16 ώρες για να το μεταγράψει. Κι όμως, πάνω από το 99% του πρόδρομου mRNA του είναι εσώνια, που αφαιρούνται στην ωρίμανση. Γιατί το κύτταρο «γράφει» τόσο πολύ για να κρατήσει τόσο λίγο;
Η ροή της γενετικής πληροφορίας
Η πληροφορία του DNA εκφράζεται σε δύο στάδια:
Το DNA αυτοδιπλασιάζεται (αντιγραφή) και μεταβιβάζει την πληροφορία του στο RNA (μεταγραφή)· η πληροφορία του mRNA μεταφράζεται σε αλληλουχία αμινοξέων (μετάφραση). Η γονιδιακή έκφραση οδηγεί σε τέσσερα είδη RNA:
- mRNA (αγγελιαφόρο): μεταφέρει την πληροφορία για τη σύνθεση πρωτεΐνης,
- rRNA (ριβοσωμικό): μαζί με πρωτεΐνες συγκροτεί τα ριβοσώματα,
- tRNA (μεταφορικό): μεταφέρει τα αμινοξέα στα ριβοσώματα,
- snRNA (μικρά πυρηνικά RNA): συμμετέχουν στην ωρίμανση του mRNA.
Μόνο τα γονίδια του mRNA μεταφράζονται σε πρωτεΐνη· τα γονίδια των rRNA, tRNA και snRNA δίνουν τελικό προϊόν RNA.
Η μεταγραφή
- Το ένζυμο της μεταγραφής είναι η RNA πολυμεράση. Προσδένεται σε μια ειδική αλληλουχία DNA πριν από την αρχή του γονιδίου, τον υποκινητή. Στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς η πρόσδεση γίνεται με τη βοήθεια πρωτεϊνών, των μεταγραφικών παραγόντων.
- Η RNA πολυμεράση ξετυλίγει τοπικά το DNA και συνθέτει RNA συμπληρωματικό προς μία από τις δύο αλυσίδες, τη μη κωδική (μεταγραφόμενη) αλυσίδα, που χρησιμεύει ως καλούπι. Η σύνθεση γίνεται με κατεύθυνση 5΄ → 3΄ με ριβονουκλεοτίδια, και δεν χρειάζεται πρωταρχικό τμήμα.
- Η άλλη αλυσίδα, η κωδική, έχει την ίδια αλληλουχία με το RNA, με T στη θέση της U, και τον ίδιο προσανατολισμό.
- Η μεταγραφή τερματίζεται σε ειδικές αλληλουχίες, τις αλληλουχίες λήξης της μεταγραφής.
- Οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί έχουν τρία είδη RNA πολυμεράσης, καθεμία για διαφορετικά είδη RNA· οι προκαρυωτικοί έχουν ένα.
Αν η κωδική αλυσίδα ενός γονιδίου είναι 5΄-ATGGCT-3΄, ποιο είναι το αντίστοιχο τμήμα του mRNA;
Ασυνεχή γονίδια και ωρίμανση
Στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς τα περισσότερα γονίδια είναι ασυνεχή: οι αλληλουχίες που μεταφράζονται σε αμινοξέα, τα εξώνια, διακόπτονται από αλληλουχίες που δεν μεταφράζονται, τα εσώνια.
- Η μεταγραφή παράγει ένα πρόδρομο mRNA, που περιέχει και εξώνια και εσώνια.
- Στον πυρήνα γίνεται η ωρίμανση: τα μικρά ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια (snRNA + πρωτεΐνες) αφαιρούν τα εσώνια και συρράπτουν τα εξώνια. Έτσι σχηματίζεται το ώριμο mRNA, που εξέρχεται στο κυτταρόπλασμα.
- Κάθε mRNA έχει στο 5΄ και στο 3΄ άκρο του αμετάφραστες περιοχές (5΄ και 3΄ UTR), που δεν μεταφράζονται. Η 5΄ αμετάφραστη περιοχή χρησιμεύει στην πρόσδεση του mRNA στο ριβόσωμα.
Στους προκαρυωτικούς τα γονίδια είναι συνεχή (χωρίς εσώνια), δεν γίνεται ωρίμανση και η μετάφραση αρχίζει πριν καν ολοκληρωθεί η μεταγραφή.
Τα ασυνεχή γονίδια ανακαλύφθηκαν μόλις το 1977, από τις ομάδες του Phillip Sharp και του Richard Roberts, που πήραν γι' αυτό το Νόμπελ Ιατρικής του 1993. Μέχρι τότε όλοι θεωρούσαν ότι κάθε γονίδιο είναι μια συνεχής αλληλουχία, όπως στα βακτήρια.
Τα εξώνια εξέρχονται — μένουν στο ώριμο mRNA που βγαίνει στο κυτταρόπλασμα. Τα εσώνια μένουν μέσα στον πυρήνα — αφαιρούνται κατά την ωρίμανση. Και για την κωδική αλυσίδα: κωδική = κόπια του mRNA, με T αντί για U.
Ποια δομή απομακρύνει τα εσώνια κατά την ωρίμανση;
Μέθοδος: από το DNA στο mRNA
- Βρες τον υποκινητή (αν δίνεται): η μεταγραφή προχωρά μακριά από αυτόν.
- Η μη κωδική αλυσίδα είναι αυτή που διαβάζεται από την RNA πολυμεράση 3΄ → 5΄· το RNA συντίθεται 5΄ → 3΄.
- mRNA = κωδική αλυσίδα με U αντί για T (ίδιος προσανατολισμός).
- Σε ευκαρυωτικό γονίδιο αφαίρεσε τα εσώνια για το ώριμο mRNA· κράτα τις αμετάφραστες περιοχές στα άκρα.
- Μήκος ώριμου mRNA = μήκος πρόδρομου − μήκος εσωνίων.
Παράδειγμα 1: Η μη κωδική αλυσίδα ενός τμήματος γονιδίου είναι 3΄-TACGGATTC-5΄. Γράψε το mRNA και την κωδική αλυσίδα.
Λύση: Το mRNA είναι συμπληρωματικό και αντιπαράλληλο προς τη μη κωδική: 5΄-AUGCCUAAG-3΄.
Κωδική αλυσίδα: ίδια με το mRNA με T: 5΄-ATGCCTAAG-3΄.
Παράδειγμα 2: Ένα ευκαρυωτικό γονίδιο μεταγράφεται σε πρόδρομο mRNA 1.500 νουκλεοτιδίων. Περιέχει δύο εσώνια με 300 και 250 νουκλεοτίδια. Πόσα νουκλεοτίδια έχει το ώριμο mRNA;
Λύση: Ώριμο mRNA νουκλεοτίδια. Από αυτά, ένα μέρος είναι οι 5΄ και 3΄ αμετάφραστες περιοχές, οπότε τα νουκλεοτίδια που μεταφράζονται είναι λιγότερα από 950.
Άσκηση τύπου Πανελλαδικών: Το ίδιο ανθρώπινο γονίδιο εισάγεται (α) σε βακτήριο και (β) σε ανθρώπινο κύτταρο σε καλλιέργεια. Στο βακτήριο παράγεται πρωτεΐνη διαφορετική από τη φυσιολογική. Να εξηγήσετε γιατί.
Λύση: Το ανθρώπινο γονίδιο είναι ασυνεχές: περιέχει εσώνια. Στο ανθρώπινο κύτταρο το πρόδρομο mRNA υφίσταται ωρίμανση — τα εσώνια αφαιρούνται από τα μικρά ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια — και μεταφράζεται μόνο η πληροφορία των εξωνίων. Το βακτήριο δεν διαθέτει μηχανισμό ωρίμανσης, οπότε μεταφράζει και τις αλληλουχίες των εσωνίων: η πρωτεΐνη που προκύπτει έχει διαφορετική αλληλουχία αμινοξέων (ή μεταφράζεται μέχρι κάποιο κωδικόνιο λήξης μέσα σε εσώνιο). Γι' αυτό στη βιοτεχνολογία εισάγουμε σε βακτήρια cDNA, που δεν περιέχει εσώνια.
Ποια πρόταση για τη μεταγραφή είναι λανθασμένη;
Ένα ευκαρυωτικό γονίδιο μεταγράφεται σε πρόδρομο mRNA 2.400 νουκλεοτιδίων, με δύο εσώνια των 600 και 450 νουκλεοτιδίων. Στο ώριμο mRNA η 5΄ αμετάφραστη περιοχή έχει 90 νουκλεοτίδια και η 3΄ αμετάφραστη περιοχή 150 νουκλεοτίδια.
(α) Πόσα νουκλεοτίδια έχει το ώριμο mRNA; (β) Από πόσα αμινοξέα αποτελείται η πρωτεΐνη; (γ) Πόσα νουκλεοτίδια έχει το δίκλωνο cDNA που φτιάχνεται από αυτό το mRNA;
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
(α) Ώριμο mRNA νουκλεοτίδια.
(β) Μεταφραζόμενη περιοχή, από το AUG έως και το κωδικόνιο λήξης: νουκλεοτίδια κωδικόνια. Το κωδικόνιο λήξης δεν αντιστοιχεί σε αμινοξύ: 369 αμινοξέα.
(γ) Το cDNA αντιγράφει το ώριμο mRNA (χωρίς εσώνια, με τις αμετάφραστες περιοχές) και είναι δίκλωνο: νουκλεοτίδια.
Η παγίδα: να ξεχάσεις τα εσώνια ή τις αμετάφραστες περιοχές και να διαιρέσεις όλο το πρόδρομο mRNA με το 3.
- «Το mRNA είναι συμπληρωματικό της κωδικής αλυσίδας.» Είναι συμπληρωματικό της μη κωδικής και ίδιο με την κωδική (U αντί T).
- «Μεταγράφονται και οι δύο αλυσίδες του γονιδίου.» Μεταγράφεται μόνο η μη κωδική.
- «Τα εσώνια αφαιρούνται από το DNA.» Αφαιρούνται από το πρόδρομο mRNA κατά την ωρίμανση.
- «Οι αμετάφραστες περιοχές είναι εσώνια.» Βρίσκονται στα άκρα του ώριμου mRNA και δεν αφαιρούνται.
- Ροή: DNA → (μεταγραφή) → RNA → (μετάφραση) → πρωτεΐνη· είδη RNA: mRNA, rRNA, tRNA, snRNA.
- RNA πολυμεράση + υποκινητής (+ μεταγραφικοί παράγοντες στα ευκαρυωτικά)· σύνθεση 5΄ → 3΄ χωρίς πρωταρχικό.
- Καλούπι: η μη κωδική αλυσίδα· mRNA = κωδική αλυσίδα με U αντί T.
- Ευκαρυωτικά: ασυνεχή γονίδια (εξώνια–εσώνια), πρόδρομο mRNA → ωρίμανση από μικρά ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια.
- Προκαρυωτικά: συνεχή γονίδια, χωρίς ωρίμανση.