Transkription

Die Transkription ist ein Prozess der innerhalb von Zellen abläuft und bei welchem RNA synthetisiert wird, anhand eines DNA-Teilstücks, dass als Vorlage dient. Es gibt drei unterschiedliche Arten von RNA die bei der Transkription entstehen können, die mRNA (messenger-RNA/ dient der Proteinbiosynthese), die tRNA (transfer RNA) und die rRNA (ribosomale RNA). Die Transkription gehört zu den Prozessen der Genexpression, also dem Prozess wie Informationen auf der DNA Ausdruck bekommen und Biomasse/Zellen gestaltet werden. Transkription findet in allen eukaryotischen (Zellen mit echtem Zellkern) und prokaryotischen Zellen (Zellen ohne echten Zellkern) statt.

 

Was ist die Transkription?

Die Transkription bezeichnet das Ablesen eines Gens von der DNA und die Synthese von RNA zur späteren Herstellung/Umwandlung in ein Protein an den Ribosomen. Sie startet im Zellkern bei Eukaryoten und im Cytoplasma bei Prokaryoten.
Die Transkription ist der erste Schritt bei der Genexpression und sie ähnelt insgesamt der DNA Replikation. Bei der Transkription wird die sogenannte Ribonukleinsäure (engl.: Ribonucleinacid = RNA) synthetisiert. Die Synthese ist von der DNA abhängig, da hierbei ein Gen dieser abgelesen wird.

An einer bestimmten Stelle des DNA Strangs, bindet sich das Enzym RNA Polymerase und beginnt diesen zu verändern, so dass es eine Verbindung mit diesem eingehen kann.
Nun wandert die RNA Polymerase an dem abzulesenden Teilstück entlang und kopiert dieses durch die Anlagerung freier RNA Stücke im Zellkern. So entsteht eine Kopie, die allerdings nicht aus DNA (Desoxyribonucleinacid) sondern, aus RNA (Ribonucleinacid) besteht.

Nun kommt es durch spezielle Prozesse zum Ablösen der entstandenen mRNA/tRNA/rRNA und zum Transport ins Cytoplasma durch die Zellkernmembran hindurch. Dort kommt es anschließend zu:

  • Prozzessierung
  • Spleißung
  • Translation

Also zur Weiterverarbeitung der mRNA/tRNA/rRNA zu Polypeptiden und Proteinen.

Die Transkription läuft in mehreren unterschiedlichen Schritten ab.

  • Initiation
  • Elongation
  • Termination

Im Anschluss folgt die differentielle Transkription/differentielle Genexpression.

Die unterschiedlichen Schritte der Transkription

Schritt 1/ Initiation:

Zu Beginn wird eine Gensequenz von der RNA Polymerase (Enzyme welche die RNA Synthese katalysieren) an ihrem Promoter erkannt. Der Promoter ist ein Teilabschnitt eines Gens, der jeweils an dessen 5′ Stelle gelegen ist. Dieser Promoter ist auf bestimmte Arten codiert und lässt so das passende Enzym erkennen, zu welchem Zweck das entsprechende Gen dienlich ist. Bei den Codes handelt es sich um sogenannte Consensussequenzen wie beispielsweise Pribnow-Box, CAAT-Box oder TATA-Box. Diese immer gleichen und idealisierten Basenabfolgen sorgen für den entsprechenden Erkennungscharakter der Promoter.

Die Erkennung des Promotors erfolgt durch eine gerichtete Diffusion von RNA-Polymerase entlang der DNA-Doppelhelix. Dabei kommt es zu elektrostatische Wechselwirkungen sowie Interaktionen des Enzyms mit Wasserstoffdonoren und -akzeptoren der DNA.
Eukayotische Zellen erkennen die Sequenzen durch bestimmte Proteine wie beispielsweise das TBP (das Tata-Box bindende Protein).
Prokaryotische Zellen erkennen die bestimmten Gene anhand des Sigma-Faktors. Das ist ein Teil des bakteriellen RNA-Polymerase-Holoenzyms.

Nach den ersten Erkennungsprozessen deckt das Enzym RNA Polymerase/ der Sigma-Komplex einen Teil der Basenpaare ab (-50 bis +20 Basenpaare/ die -50 bedeutet, dass sich dieser Abschnitt 50 Basenpaare vor dem abzulesenden Gen befindet, bis hin zu 20 Basenpaare nach dem Gen). Dieser abgedeckte Teil wird dann entwunden und bildet nun einen geschlossenen Komplex, welcher in den offenen Bereich außerhalb des Zellkerns (bei Eukaryoten) überführt wird.

Schritt 2/Elongation:

Nun bewegt sich das Enzym RNA Polymerase, dass nun eine Verbindung mit der DNA eingegangen ist, an dieser in 5’3′ Richtung entlang. Dabei kommt es am Matritzenstrang (also dem angehefteten Strang) zur RNA Synthese. Nun kommt es zu einem ablösen von jeweils 17 Basenpaaren der DNA in der Transkiptionsblase (DNA-RNA-Komplex). Im Anschluss verdrillt sich diese wieder. Über diesen Prozess löst sich die nun abgelesene RNA von der DNA.

Schritt 3/ Termination:

Das Ablesen der DNA durch die RNA Polymerase erfolgt immer so lange, bis das Enzym auf eine Terminatorsequenz der DNA stößt, mit der Transkription stoppt und beginnt sich abzulösen.
Prokaryoten haben zwei verschiedene Arten der Termination.

  • Rho-abhängigen Termination
  • Rho-unabhängigen Termination

Der Rho-Faktor ist ein Protein, welches die Transkription stoppt. Ist der Rho-Faktor beteiligt, bindet dieser sich an den DNA-RNA-Komplex und entwindet diese und löst sie anschließend auf.
Ist der Rho-Faktor nicht beteiligt, wird angenommen das spezielle Sequenzen auf der DNA-Helix selbst, nur sehr schwach mit RNA-Polymerase wechselwirken und sich die RNA deswegen ablöst, wenn sie auf diese Sequenz trifft.
Über eukaryotische Terminatoren ist bis jetzt nur wenig bekannt.

Der 4. Schritt/differentielle Transkription/differentielle Genexpression:

Die Zellen eines Organismus sind in der Regel nicht alle Gleich, auch wenn sie über denselben strukturellen Aufbau verfügen. Sie unterscheiden sich in ihrer Beschaffenheit und ihren primären Zielen. Doch was genau führt zu dieser unterschiedlichen Beschaffenheit? Es werden nicht permanent dieselben Zellen und Gene transkribiert. Die Transkription wird gesteuert. Transkriptionsfaktoren (DNA bindende Protein), Silencer (Gensequenzen welche die Transkription hemmen) und Enhancer (regulatorische Sequenzmotive in den Promotern) steuern unter anderem die Transkription.
Prokaryoten besitzen für die Steuerung unterschiedliche Sigma-Faktoren.

Funktion und Aufgabe der Transkription

Transkription und Translation sind die Prozesse in Zellen, welche für die Ausführung der Information auf der DNA sorgen. Auf der DNA sind Informationen gespeichert. Dort liegen sie in Form von Nukleinbasen vor. Drei Basen stehen immer für eine Aminosäure. Diese Triplets werden Codons genannt.

Bei der Transkription werden nun Teilstücke der DNA abgelesen und in Form einer Kopie, denn nichts anderes ist die mRNA, weitergegeben um ein bestimmtes Protein zu synthetisieren.

Nach der Synthetisierung wird die „Kopie“ wieder in den Zellkern zurückgeführt und in ihre Einzelteile zerlegt. Sie wird recycelt und kann wieder eine neue Kopie bilden. Diese Kopien, die man auch Matritzen nennt, werden immer nur einmal von der Zelle genutzt und im Anschluss wieder recycelt.

Die Transkription ist also ein elementarer Bestandteil bzw. die Voraussetzung für die Proteinbiosynthese in den Zellen. Denn egal wofür eine Zelle neue Proteine braucht, sei es für den Aufbau neuer Zellen oder Membranteile oder für die Aktivierung bestimmter Prozesse, zuerst muss immer der entsprechende Teil der DNA abgelesen werden, damit anschließend die benötigten Proteine synthetisiert werden können.

Erst durch die Transkription können die Informationen auf der DNA Gestalt annehmen. Sie sorgt dafür das der benötigte Teil des Bauplans dorthin gelangt, wo er dann weiterverarbeitet werden kann. So kann am Ende ein Protein entstehen.

Doch die Kopie muss bevor das Protein entsteht erst prozessiert werden, also weiterverarbeitet werden. Die ersten Transkripte enthalten noch Introns, intervenierende nicht codierte Sequenzen, die beim Spleißen entfernt werden. So bleiben nur Exons, also die codierten Stücke übrig.

Funktionen und Aufgaben der Transkription bei unterschiedlichen Lebewesen

Lebewesen werden in drei Gruppen eingeteilt. Archaeen, Bakterien und Eukaryoten.
Generell dient die Transkription in allen Lebewesen und Organismen, dem Kopieren/Ablesen eines Teils der DNA oder RNA(bei manchen Viren) und weiterleiten dieser Information. Doch findet der Prozess des Ablesens unterschiedlich statt und wird von unterschiedlichen Faktoren gesteuert.

Bei allen eukaryotischen Lebewesen die man komplex bezeichnen kann, angefangen bei der Grille, über die Reptilien bis hin zu den Säugetieren, findet durch die Transkription im Zellkern, der Start der Proteinbiosynthese statt. Genauso bei vielen einfacheren Lebewesen wie Prokaryoten/zelluläre Lebewesen. In ihnen wird die Transkription von einer Vielzahl von Enzymen, Codons wie Promotern oder deren Enhancern, Silencern und anderen Transkriptionsfaktoren gesteuert.

Bei der archaeellen Transkription, also der Transkription in Archaee (Urbakterien), ist die Transkription allerdings nur durch zwei Transkriptions/Initiationsfaktoren bedingt. Es handelt sich also um eine weniger komplexe und ursprünglichere Art der Transkription.

Die bakterielle Transkription erfolgt die Transkription nur aufgrund eines RNA-Polymerase Enzyms. Also noch etwas einfacher.

Die Transkription von Viren läuft doch manchmal anders ab, als bei anderen Zellen. Denn mache Viren besitzen lediglich RNA und kein vollständiges DNA Genom. Es kann jedoch eine reverse Transkription stattfinden. Hier wird die mRNA über eine DNA Vorstufe abgelesen und im Anschluss wird durch das Enzym Reverse Transkriptase aus der abgelesen mRNA eine DNA produziert.

Krankheiten und Störungen der Transkription

Da die Transkription ein Prozess ist, kann dieser gestört sein und Fehler produzieren. Wenn die RNA Polymerase ein Teilstück des DNA Strangs kopiert, kann es unter Umständen dazu kommen, dass entweder ein Teil der DNA nicht kopiert wird oder fehlerhaft kopiert wird. Wenn die RNA Polymerase so einen Kopierfehler gemacht hat, oftmals hängt sie ein falsches RNA-Nukleotid an das 3′-Ende der anwachsenden mRNA-Kette, bemerkt sie es oft selbst. Dann wandert das Enzym ein Stück zurück und ein spezieller Transkriptionsfaktor schneidet das falsche Stück ab. Nun wird das korrekte Stück angehängt und die Transkription geht weiter.

Doch trotz der strengen Kontrollen bei diesen Abläufen, geschehen auch hier Fehler. Ungefähr jedes tausendste kopierte Codon der DNA (mRNA) ist fehlerhaft. Im Anschluss wird bei der Proteinbiosynthese ein Protein hergestellt, dass entweder gar nicht oder nur eingeschränkt funktionsfähig ist. Selbst für den Fall, dass dieses fehlerhafte Protein es schafft ins System des Organismus überzugehen, handelt es sich hierbei um einen Ausnahmefehler. Denn obwohl die Fehlerquote bei den Kopiervorgängen hoch ist, so werden doch die meisten von ihnen bemerkt/entdeckt und korrigiert.

Selbst wenn dies einmal nicht geschehen sollte, handelt es sich lediglich um ein einzelnes fehlerhaftes Protein. Nur eine Mutation eines Gens oder des gesamten Genoms, also der Vorlage für die Kopien, würde langfristig für Krankheiten und Beschwerden sorgen. Denn so würde bei der Transkription das bereits eh schon falsche Gen kopiert und vervielfältigt werden. Bei der Transkription überprüft die RNA Polymerase zwar die von ihr erstellte Kopie, aber nicht die Vorlage.

Für einen biologischen Organismus ist es von größter Bedeutung das die DNA korrekt vorliegt und auch korrekt kopiert wird. Deswegen wird bei der Proteinbiosynthese zuerst immer nur eine Kopie als mRNA angefertigt. Dies geschieht zwar teilweise bis zu tausenden Mal, je nachdem wie oft der Körper das Protein benötigt, aber es wird nie von der Kopie kopiert. Jede Kopie wird nur einmal benutzt und dann recycelt. Dies stellt auch eine Art Schutzmechanismus des Organismus dar, der Fehler bei den Kopien und Synthesen vermeiden will und das ist auch der Grund warum größere Schäden oder Auswirkungen eines Transkriptionsfehlers nur selten vorkommen.

Ein Beispiel für eine Erkrankung durch Transkription kann man anhand von Reverse Transkriptase erklären. Diese Enzyme wandeln RNA in DNA um, bzw. sie verarbeiten RNA so, dass eine DNA entsteht.

Reverse Transkriptase (RT) wurde zuerst in Retroviren wie HIV entdeckt. Da Retroviren keine DNA besitzen, sondern nur RNA, nutzen sie diese Enzyme um in ihrem Wirt ihr Genom zu verteilen und sich zu vermehren.

Doch nicht nur Retroviren nutzen die Transkription und das Enzym RT um sich zu vermehren. Auch DNA-Viren wie das Hepatitis-B Virus und das Caulimovirus, welches bei Pflanzen vorkommt, nutzen diese Mechanismen.

Reverse Transkription sorgt also für die Vermehrung von Viren und führt zu Erkrankungen wie Aids oder Hepatitis-B.

Fragen und Antworten zur Transkription

Was ist der Unterschied zwischen Transkription und Replikation?

Bei der Transkription wird im Gegensatz zur Replikation nur ein kleiner Teil der DNA kopiert. Bei der Replikation wird eine Kopie des gesamten Erbguts erstellt.
Bei der Transkription wird eine Kopie eines Gens für die Proteinbiosynthese erstellt, die Kopie/mRNA verlässt den Zellkern. Während der Replikation verbleibt die komplette Kopierte DNA im Anschluss im Zellkern.

Wie heißen die drei Stadien der Transkription?

Initiation, Elongation, Termination.

Wie unterscheidet sich die Transkription bei Prokaryoten und Eukaryoten?

Erstens ist bei Prokaryoten nur ein Enzym der RNA Polymerase für das Ablesen der DNA zuständig, bei Eukaryoten gibt es verschiedene Arten der RNA Polymerase. Ebenfalls die Steuerung der Transkription an sich und ihrer Geschwindigkeit, ist bei Eukaryoten wesentlich komplexer.

Nach der Transkription verlässt die mRNA den Zellkern bei Eukaryoten. Bei Prokaryoten, die keinen Zellkern haben, bleibt die mRNA im Cytoplasma.

Fazit zur Transkription

Die Transkription gehört zu den grundlegenden Prozessen im Körper. Auch wenn viele Menschen bei grundlegend eher an Prozesse wie das Atmen, die Verdauung oder die Pumpleistung des Herzens denken. Es wäre einem Organismus ohne die Möglichkeit zur materiellen Darstellung der Informationen die in den Genen gespeichert sind, gar nicht möglich solche beeindruckenden Leistungen wie die Atmung, den Blutfluss oder die Verdauung zu steuern.

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