Darvas Zsuzsa, László Valéria

Sejtbiológia

A DNS működés közben: az RNS képződés (transzkripció) folyamata

Az éppen nem osztódó sejtekben, interfázisban a DNS fő funkciója az információ átadása a transzkripcióhoz (átíráshoz), azaz az RNS szintézishez, és ezen folyamatok szabályozása.

A három „klasszikus” RNS: a mRNS (messenger vagy hírvivő) amely információt szolgáltat a fehérjeszintézishez; a rRNS (riboszomális) amely a riboszóma két alegységének alkotója; és a tRNS (transzfer vagy szállító) amely az aminosavakat szállítja a fehérjeszintézis színhelyére. Ezeken kívül a sejtmagban találhatunk hnRNS-t (heterogén nukleáris RNS), amelynek egy része a mRNS átalakulási folyamatának köztes terméke, és kis méretű 200–250 nukleotidból álló snRNS-t (small nuclear vagy kis magi), valamint snoRNS-t (small nucleolar vagy kis magvacskai) is, amelyek közül több éppen az RNS-ek érési, átalakító folyamataiban vesz részt. Az RNS család újabban felfedezett tagjai a legkisebb RNS-ek, amelyek mindössze 20–25 nukleotidból állnak, és miRNS (mikroRNS) és siRNS (small interference-kis interferáló RNS) nevet viselik. Mindkét kis RNS fajta az átírás szabályozásában játszik szerepet.

A sejtekben a különböző RNS-ek eltérő mennyiségben termelődnek. A legnagyobb mennyiségben rRNS képződik (kb. összes RNS 80%-a) és a teljes RNS tartalomnak csak igen kis százaléka a mRNS. Ennek a legnagyobb része még a magban lebomlik, és a citoplazmába csak a termelt és átalakított mRNS kis része jut ki. A sejt által szintetizált mRNS mennyiségi és minőségi megoszlása ugyanakkor nagyon fontos, mert döntően befolyásolja a sejt által előállítható fehérjék mennyiségét, illetve minőségét, és így a sejt működését is.

Prokariótákban mindegyik RNS típust ugyanaz a DNS függő RNS polimeráz írja át. A bakteriális enzim evolúciósan rokona az eukarióta enzimnek, de egyszerűbb felépítésű. Az E. coli baktérium enzime 4 különböző alegységből áll: α, β, β', és σ. A legutolsó helyen említett alegységnek a szigma faktornak (σ) specifikus szerepe van a transzkripció megindításában. Képessé teszi az enzimet, hogy felismerje a gén átírásában fontos promoter régió (ennek értelmezését lásd később) területét, amelyhez hozzá is kötődik. Az első néhány nukleotid összekapcsolása után a faktor leválik és a polinukleotidlánc hosszabításában, illetve befejezésében fontos elongációs és terminációs faktorok kötődnek be.

Az eukarióta sejtek RNS átírási folyamata több szempontból is eltér a prokariótákétól.

Maga az enzim és az egész transzkripciós komplex sokkal összetettebb, mint a baktériumokban. Pl. a teljes enzimkomplex a „holoenzim” sokkal több alegységből áll. Az eukarióta sejtekben nem egyféle, hanem háromféle RNS polimeráz működik. A római számokkal jelölt enzimek közül az RNS polimeráz I a magvacskában működik és a nagy riboszomális RNS-t írja át a DNS-ről. Az RNS polimeráz II írja át a fehérjéket kódoló géneket, azaz a mRNS szintézisét végzi, valamint a legtöbb sn és sno RNS-t is ez az enzim írja át. Az RNS polimeráz III-nak marad a tRNS és a kis (5S) riboszomális RNS átírása. Az enzimmolekulák száma emlős sejtekben 20– 40 ezerre tehető, de igen nagy változatosságot mutat sejttípustól és aktivitástól függően. Az RNS polimeráz II által végzett átírás menete látható a következő III.11. ábrán. Hasonlóan transzkripciós komplex egységek dolgoznak a másik két fajta RNS-polimeráz enzimmel is.

A transzkripciós komplex működésének szabályozásáról ebben a fejezetben, a génműködés szabályozásának tárgyalásánál lesz szó.

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1338setb_246/#m1338setb_246 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1338setb_246/#m1338setb_246)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1338setb_246/#m1338setb_246)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

III.11. ábra. Az eukarióta RNS polimeráz II. esetében egy transzkripciós faktor készletnek kell jelen lennie (TFII + betűjel) a megfelelő szabályozó területen (TATA box lásd később), hogy az enzim felismerje a megfelelő kezdőpontot. A faktorok egymás után kötődnek a komplexbe (a–b), majd az RNS polimeráz és más faktorok bekötődése (c–d) végül az enzim foszforilálódását követően (e) megindulhat az átírás folyamata.

Az eukarióta sejtben zajló transzkripció azért is összetettebb, mint a prokarióta, mert az elsődleges átirat (pre mRNS, pre rRNS és pre tRNS) kisebb-nagyobb mértékben mindhárom RNS esetében átalakul. A magvacska működésénél, illetve a riboszóma szerkezetének tárgyalásakor látni fogjuk a rRNS átalakulási folyamatait, itt most a prekurzor mRNS (pre mRNS) mint elsődleges átirat átalakulási lépéseit beszéljük meg.

Ezeket a pre mRNS molekulákat és az átalakulás különböző fázisaiban lévő RNS molekulákat heterogén nukleáris RNS-nek (hnRNS) is nevezik, utalva eltérő hosszúságukra. Ez abból adódik, hogy az elsődleges átirat még tartalmazza a modulokból (kisebb egységekből) felépülő eukarióta gén mindkét modul típusát: a fehérjét kódoló információs szakaszokat, azaz az exonokat és a fehérjét nem kódoló, azaz az intron szakaszokat is. Az elsődleges átirat átalakulása során az intronok kivágódnak, és az RNS mindkét vége kovalens kötéssel kapcsolódó elemek révén módosul.

A következő különbség, hogy a képződő RNS molekulákhoz az eukariótákban azonnal fehérjék kapcsolódnak és együtt kis részecskéket alkotnak. A hnRNP (heterogén nukleáris ribonukleoprotein partikulum) fehérjéi a hisztonok mellett a legnagyobb mennyiségben található magi fehérjék. A hnRNP fehérjéi elsősorban a képződött RNS-t stabilizálják és részt vesznek az átalakítás folyamataiban, másrészt szerepük van az RNS-ek magon belüli szállításában. Kimutatták például, hogy az RNS polimeráz azon alegysége, amely a szintézis kezdetén foszforilálódik (lásd III.11. ábra), nemcsak a polimerázaktivitáshoz szükséges. Az elongáció (a képződő RNS polimer növekedésének folyamata) során olyan fehérje faktorok kötődnek hozzá, amelyek az RNS átalakításában játszanak fontos szerepet, pl. a sapkaképződésért felelős enzimek (lásd később).

A másik makromolekula komplex, amelynek kapcsolódását a képződő elsődleges RNS kópiákhoz kimutatták, a snurps (sznörpök) névre hallgatnak. Arról kapták a nevüket, hogy snRNS (small nuclear azaz kis magi RNS) található bennük. Ezek a kis részecskék az intronok kivágódásának folyamatában játszanak fontos szerepet.

A harmadik fehérjecsoportot azok a kísérő fehérjék adják, akik a megfelelő módon átalakított RNS-t a magpórushoz kísérik és a magpóruson való átjutását (RNS export) segítik.

Az mRNS átalakulása három fő folyamatból áll:

az ún. 5 sapkaképződés (capping): ami a szintézissel egyidőben (ún. ko-transzkripciós módosulás) zajlik. Amint az RNS szintézis megkezdődik (kb. az első 30 nukleotid összekapcsolása után), a sapka kialakulhat az 5’ végen, mivel a szintézis az 5’ 3’ irányban folyik. A sapkaképzésben három enzim vesz részt. A foszfatáz eltávolítja az 5’ végen található foszfátcsoportot, a guanil transzferáz egy GMP-t (guanin-monofoszfát) köt a helyére, majd a metil transzferáz egy metilcsoportot ad a guanin bázishoz. Részben ez a sapka különbözteti meg a mRNS-t a többi RNS- től, ehhez kötődik a CBC (cap binding complex: sapka kötő komplex), amely az mRNS érési folyamataiban és exportjában fontos, másrészt a sapka fontos szerepet játszik a fehérjeszintézis kezdeti lépéseiben is. Az enzimek, amelyek ezt a módosítást végzik, csak az RNS polimeráz II-vel működnek együtt (mert csak ennek van foszforilált doménje), ezért ilyen sapka nem képződik a tRNS-eken és rRNS-eken.
A másik módosítás az RNS molekula 3 végén történik miután az RNS molekula szintézise befejeződik (ún. poszttranszkripciós módosulás) és leválik a templát (minta) DNS-ről. Néhány fehérje faktor (pl. CPSF – cleavage and polyadenylation specificity factor), amely az RNS szintézis végét jelzi szintén az RNS polimeráz foszforilált doménjéhez kötődve szállítódik ide az RNS 3’ végéhez. Amikor az RNS leválik az RNS polimerázról, egy enzim a poli-A polimeráz egy kb. 200 adenin- tartalmú nukleotidból álló részt kapcsol a molekula végére, amit poli-A faroknak nevezünk. A poli-A farokhoz is kötődnek speciális fehérjék, amelyek végig a mRNShez kötődve maradnak egészen a riboszómán történő fehérjeszintézisig. A poli-A faroknak többféle funkciója is ismert. Segíti az mRNS-nek a magból a citoplazmába történő transzportját, befolyásolja a mRNS stabilitását és felismerő szignált jelent a riboszóma számára.
Az elsődleges mRNS átirat harmadik átalakulási folyamata az intronok eltávolítása, az intron kivágódás folyamata: a splicing (III.12. ábra). Mivel az intronok általában sokkal hosszabbak, mint az exonok, a folyamat során a hosszú premRNS-ből egy sokkal rövidebb mRNS képződik. A kisérleti eredmények szerint a kivágódás folyamata már az átírással egyidőben megindul, azaz ebben az esetben is ko-transzkripciós eseményről van szó. Az intronok kivágódása során a különböző snRNS tartalmú sznörpök (5 darab, mindegyik egy kis snRNS-ből és kb. hét fehérjéből épül fel) egy nagyobb kb. riboszomális méretű egységbe szerveződnek, amelyet kivágó komplexnek (spliceosome ejtsd szplájszoszóma) neveznek. A folyamatban még kb. 50 nem a sznörpökben elhelyezkedő egyéb fehérje, az ún. splicing: kivágó faktorok is részt vesznek.

A splicing: kivágódás két lépésből áll:

Két exon közötti intron végeihez hozzákapcsolódik a kivágó komplex és megfelelő közelségbe hozza az intron két végét, amely a legtöbb intronban konzervatív módon ugyazokat a bázisokat tartalmazza: 5’ végen GU (donor hely) és a 3’ végen (akceptor) AG bázisokat. A megfelelő közelségbe hozott intron végek között megtörténik az első lépés: az 5’ vég GU bázisainál az RNS elvágódik. Az elhasított szálvég pedig hurokszerűen a 3’ véghez közeli A (adenin) tartalmú nukleotidhoz kötődik.
a második lépésben az intron másik végén, az AG szekvenciánál történik meg a hasítás, majd a két exon vége összekapcsolódik. A hurokformájú intron szekvencia pedig a kivágó komplexhez kötve marad (lásd a III.12. ábrát).

Természetesen ezek a lépések sokszor megtörténnek az RNS érése során, mivel egy gén több intront is tartalmazhat (intronok száma 1–50 között változhat a génekben).

Amikor ugyanarról az elsődleges RNS átiratról többféle érett mRNS képződhet, azaz többféle módon vágódnak ki az intronok, akkor ún. alternatív splicingról (többféle variációjú kivágódás) beszélünk. Ez nem minden esetben jelent hibát, lehet hogy az így képződött RNS-ek mindegyike funkcióképes fehérjét hoz létre. Az ilyen alternatív splicing igen gazdaságos, mert egy gén átírása eredményezheti rokon felépítésű és funkciójú fehérjék létrejöttét. Ilyen esettel nagyon sok fehérjecsalád esetében találkozunk, itt példaként az egyik sejtadhéziós molekulát az N-CAM-ot említjük meg, ahol egyetlen génről alternatív kivágódás (splicing) segítségével többféle mRNS és kb. 20 féle rövidebb, hosszabb fehérjemolekula képződhet.

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1338setb_259/#m1338setb_259 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1338setb_259/#m1338setb_259)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1338setb_259/#m1338setb_259)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

III.12. ábra. A splicing: kivágódás folyamata

Vannak azonban olyan mutációk (splicing mutációk), amelyek következtében az RNS érésének menetébe hiba csúszik és nem megfelelően összeállított mRNS kerül ki a magból. Ez okozhatja (nem minden esetben ez az oka) a β-talasszémia nevű betegséget is. Ebben az esetben a hemoglobin β-globin-láncát kódoló génről keletkezett RNS átirat kivágó folyamatában vannak hibák. Ezért eltérő összetételű mRNS-ek képződnek ugyanarról a DNS mintáról, amelyek vagy hibás fehérjét eredményeznek, vagy nem jelenik meg a fehérjetermék.

Ismert jelenég az ún. transsplicing (kevert kivágódás) jelensége is, ami azt jelenti, hogy a kivágó komplex két különböző mRNS egyes exonjait egy közös érett mRNS-é vágja össze.

A átírási és érési folyamatok szabályozásáról jelenleg még keveset tudunk. Úgy tűnik, hogy a sejtmagban van egy a sznörpöket és a kivágó faktorokat tartalmazó „raktár”. A Cajal testek olyan elektronmikroszkóppal látható makromolekula halmazok a mag interkromatin állományában, amelyekben összegyűlve helyezkednek el mindhárom RNS polimeráz enzim működéséhez szükséges transzkripciós faktorok, reguláló molekulák, sznörpök. A Cajal testben szerelődnek össze, mielőtt a megfelelő átírásra kerülő génhez kerülnének. Ezeket az egységeket, mivel a transzkripcióhoz szükséges faktorok összességét tartalmazzák, transzkriptoszómáknak nevezik. Van Pol I, Pol II, és Pol III transzkriptoszóma, ahol értelemszerűen a Pol II a mRNS-t átíró és érését segítő faktorok összességét jelenti (lásd III.13. ábra).

Harvard

(): . : . : /hivatkozas/m1338setb_264/#m1338setb_264 ()

Chicago

. . . : . (: /hivatkozas/m1338setb_264/#m1338setb_264)

APA

(). . . (: /hivatkozas/m1338setb_264/#m1338setb_264)

BibTeX EndNote Mendeley Zotero

III.13. ábra. A Cajal test és a transzkriptoszómák kapcsolata

A Pol II. transzkriptoszóma kisebb egységei az egyenként 20–25 nm átmérőjű részecskék, az interkromatin szemcsék. A szemcséből származó kivágó faktorok ciklusosan képesek foszforlilálódni (aminosav oldalláncokhoz specifikus kináz enzimek foszfát csoportokat kapcsolnak), illetve defoszforilálódni (a megfelelő aminosav oldalláncokról specifikus foszfatáz enzimek a foszfátcsoportot lehasítják). A foszforilálódott kivágó faktorok aktívak, hozzákapcsolódnak a sznörpökből létrejött kivágó komplexhez, és megtörténhet a intronok kivágása. Amikor pedig defoszforilálódnak a faktorok, a kivágás befejeződik és a kivágó komplex szétesik.

Tartalomjegyzék

Kiadó: Semmelweis Kiadó

Online megjelenés éve: 2026

ISBN: 978 963 331 704 4

Orvostudomány Semmelweis Kiadó könyvei

Reméljük, hogy a hallgatóknak nemcsak egy olyan jegyzetet készítettünk, amelyet meg kell tanulniuk, de sikerült belevinnünk azt az érzést is, amely a jegyzet megírásakor és átírásakor eltöltött minket. Ez az érzés a csodálat. Milyen csodálatos kis egység a sejt, milyen tökéletesen és logikusan szervezett! Mi sem, és így a hallgató sem menekülhet meg a molekuláris szemlélettől, amely manapság a biológia és az orvostudomány minden területén uralkodóvá vált. Igyekeztünk csak annyi molekulát és molekuláris mechanizmust megemlíteni, amelyet feltétlenül szükségesnek tartottunk a sejtben zajló folyamatok megismeréséhez és megértéséhez. Kívánjuk, hogy a leírtak segítsék a hallgatókat más tárgyak anyagának megértésében és elsajátításában is. A jegyzet immáron negyedik, javított kiadását tartják a kezükben és persze ez is több, mint az előző. Mentségünkre legyen mondva a többlet nemcsak több szöveget, de több képanyagot és ábrát is jelent. Reméljük ez segít jobban megérteni a sejtekben zajló, néha bizony komplikált eseményeket. (a szerzők)

Hivatkozás: https://mersz.hu/darvas-laszlo-sejtbiologia//

BibTeX EndNote Mendeley Zotero