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¿Puede ocurrir una traducción sin transcripción?

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Esta pregunta está dirigida principalmente a virus con ssRNA, ¿se requiere transcripción, para la cadena + ve RNA? Si es así, ¿por qué?


Supongo que la pregunta es si, en los virus de ARN + ve de una sola cadena, la traducción del ARN de cadena positiva puede ocurrir antes de la transcripción.

Primero, hay muchas familias diferentes de virus, y seguramente habrá contraejemplos de lo que diga aquí. Sin embargo, con ese ciclista:

  1. Por lo general, nos referimos a la replicación de virus de ARN mediante la ARN polimerasa dependiente de ARN, en lugar de a la transcripción. yo no soy consciente de cualquier virus de ARN que tenga una ARN polimerasa que reconozca promotores y transcriba genes específicos. Estos virus tienden a replicarse en el citoplasma y, por lo tanto, no tienen acceso a la ARN polimerasa del hospedador.

  2. Tiene que haber réplica, y esto tiende a ser conservador, en lugar de semiconservador. Con esto quiero decir que cuando se generan cadenas negativas, actúan como plantillas para muchas cadenas positivas, que son necesarias para las partículas de virus.

  3. En el caso de los picornavirus, como la poliomielitis, la traducción puede ocurrir antes de la replicación. Como es común con los virus de ARN pequeños, existe un único sitio de inicio para la traducción; en el caso de la poliomielitis, se produce una poliproteína, que posteriormente se escinde en polipéptidos individuales. El siguiente diagrama es de la entrada de Wikipedia para poliovirus y se reproduce aquí bajo el Creative Commons licencia.

[Nidia H De Jesus (imagen y pie de foto) - De Jesus NH (2007). "Epidemias a la erradicación: la historia moderna de la poliomielitis". Virol. J. 4:70. DOI: 10.1186 / 1743-422X-4-70. PMID 17623069. El ciclo de vida celular del poliovirus. Se inicia mediante la unión de un poliovirion a la macromolécula de superficie celular CD155, que funciona como receptor (1). La eliminación del ARN viral está mediada por la desestabilización dependiente del receptor de la cápside del virus (2). La escisión de la proteína viral VPg se lleva a cabo mediante una fosfodiesterasa celular, y la traducción del ARN viral se produce mediante un mecanismo independiente del casquete (mediado por IRES) (3). El procesamiento proteolítico de la poliproteína viral produce proteínas estructurales y no estructurales maduras (4). El ARN de sentido positivo sirve como molde para la síntesis complementaria de hebras negativas, produciendo así un ARN de doble hebra (forma replicativa, RF) (5). La iniciación de muchas hebras positivas a partir de una única hebra negativa produce el intermedio replicativo parcialmente monocatenario (RI) (6). Las moléculas de ARN de sentido positivo recién sintetizadas pueden servir como plantillas para la traducción (7) o asociarse con precursores de la cápside para someterse a encapsidación e inducir la escisión de maduración de VP0 (8), que finalmente genera viriones de progenie. La lisis de la célula infectada da como resultado la liberación de viriones descendientes infecciosos (9).]


El material genético se almacena en forma de ADN en la mayoría de los organismos. En los seres humanos, el núcleo de cada célula contiene 3 × 10 9 pares de bases de ADN distribuidos en 23 pares de cromosomas, y cada célula tiene dos copias del material genético. Esto se conoce colectivamente como el genoma humano. El genoma humano contiene alrededor de 30 000 genes, cada uno de los cuales codifica una proteína.

Se transcriben grandes extensiones de ADN en el genoma humano, pero no codifican proteínas. Estas regiones se llaman intrones y constituyen alrededor del 95% del genoma. La secuencia de nucleótidos del genoma humano se conoce ahora con un grado razonable de precisión, pero aún no entendemos por qué gran parte de ella no es codificante. Parte de este ADN no codificante controla la expresión génica, pero aún no se comprende el propósito de gran parte de él. Este es un tema fascinante que seguramente avanzará rápidamente en los próximos años.

los Dogma central de la biología molecular Establece que El ADN produce ARN produce proteínas (Figura 1).

Figura 1 | El dogma central de la biología molecular: el ADN produce ARN produce proteínas

El proceso por el cual el ADN se copia en ARN se llama transcripción, y el proceso por el cual el ARN se usa para producir proteínas se llama traducción.

Replicación de ADN

Cada vez que una célula se divide, cada una de sus cadenas dobles de ADN se divide en dos cadenas simples. Cada una de estas hebras simples actúa como plantilla para una nueva hebra de ADN complementario. Como resultado, cada nueva célula tiene su propio genoma completo. Este proceso se conoce como Replicación de ADN. La replicación está controlada por el emparejamiento de Watson-Crick de las bases en la hebra molde con los desoxinucleósidos trifosfatos entrantes y está dirigida por las enzimas ADN polimerasa. Es un proceso complejo, particularmente en eucariotas, que involucra una variedad de enzimas. En la Figura 2 se describe una versión simplificada de la replicación del ADN bacteriano.

Figura 2 | Replicación del ADN en bacterias Representación simplificada de la replicación del ADN en bacterias.

La biosíntesis del ADN procede en la dirección 5 & principal a 3 & principal. Esto hace imposible que las ADN polimerasas sinteticen ambas cadenas simultáneamente. Una parte de la doble hélice debe primero desenrollarse, y esto está mediado por helicasa enzimas.

La hebra principal se sintetiza continuamente, pero la hebra opuesta se copia en ráfagas cortas de aproximadamente 1000 bases, a medida que la plantilla de hebra retrasada está disponible. Las hebras cortas resultantes se llaman Fragmentos de Okazaki (después de sus descubridores, Reiji y Tsuneko Okazaki). Las bacterias tienen al menos tres ADN polimerasas distintas: Pol I, Pol II y Pol III, es Pol III la que participa en gran medida en el alargamiento de la cadena. Curiosamente, las ADN polimerasas no pueden iniciar la síntesis de ADN de novo, pero requiere una imprimación corta con un grupo 3 & prime-hidroxilo libre. Esta es producida en la hebra rezagada por una ARN polimerasa (llamada ADN primasa) que es capaz de utilizar la plantilla de ADN y sintetizar un fragmento corto de ARN de alrededor de 20 bases de longitud. Pol III puede entonces asumir el control, pero eventualmente se encuentra con uno de los fragmentos cortos de ARN previamente sintetizados en su camino. En este punto, Pol I asume el control, utilizando su actividad de exonucleasa 5 & prime- to 3 & prime-exonucleasa para digerir el ARN y llenar el espacio con ADN hasta que alcanza un tramo continuo de ADN. Esto deja una brecha entre el extremo primario 3 & del ADN recién sintetizado y el extremo primario 5 & del ADN sintetizado previamente por Pol III. El espacio se llena con ADN ligasa, una enzima que forma un enlace covalente entre un grupo 5 & prime-fosfato y un grupo 3 & prime-hidroxilo (Figura 3). El inicio de la replicación del ADN en la cadena principal es más complejo y se analiza en detalle en textos más especializados.

Figura 3 | ADN polimerasas en la replicación del ADN Representación simplificada de la acción de las ADN polimerasas en la replicación del ADN en bacterias.

Errores en la replicación del ADN

La replicación del ADN no es perfecta. Se producen errores en la replicación del ADN, cuando la base incorrecta se incorpora a la cadena de ADN en crecimiento. Esto lleva a desajustado pares de bases, o desajustes. Las ADN polimerasas tienen actividad de corrección de pruebas, y se han desarrollado enzimas reparadoras del ADN para corregir estos errores. Ocasionalmente, los pares erróneos sobreviven y se incorporan al genoma en la siguiente ronda de replicación. Estas mutaciones pueden no tener consecuencias, pueden resultar en la muerte del organismo, pueden resultar en una enfermedad genética o cáncer o pueden dar al organismo una ventaja competitiva sobre sus vecinos, lo que conduce a la evolución por selección natural.

Transcripción

La transcripción es el proceso mediante el cual se copia el ADN (transcrito) al ARNm, que transporta la información necesaria para la síntesis de proteínas. La transcripción se realiza en dos amplios pasos. Primero, se forma el ARN pre-mensajero, con la participación de las enzimas ARN polimerasa. El proceso se basa en el emparejamiento de bases de Watson-Crick, y la hebra única de ARN resultante es el complemento inverso de la secuencia de ADN original. El ARN pre-mensajero se "edita" para producir la molécula de ARNm deseada en un proceso llamado Empalme de ARN.

Formación de ARN pre-mensajero

El mecanismo de transcripción tiene paralelos con el de la replicación del ADN. Al igual que con la replicación del ADN, el desenrollamiento parcial de la doble hélice debe ocurrir antes de que pueda tener lugar la transcripción, y son las enzimas ARN polimerasa las que catalizan este proceso.

A diferencia de la replicación del ADN, en la que se copian ambas hebras, solo se transcribe una hebra. La hebra que contiene el gen se llama sentido hebra, mientras que la hebra complementaria es la antisentido hebra. El ARNm producido en la transcripción es una copia de la hebra sentido, pero es la hebra antisentido la que se transcribe.

Los trifosfatos de ribonucleósidos (NTP) se alinean a lo largo de la hebra de ADN antisentido, con emparejamiento de bases Watson-Crick (pares A con U). La ARN polimerasa une los ribonucleótidos para formar una molécula de ARN pre-mensajero que es complementaria a una región de la hebra de ADN antisentido. La transcripción finaliza cuando la enzima ARN polimerasa alcanza un triplete de bases que se lee como una señal de "parada". La molécula de ADN se vuelve a enrollar para volver a formar la doble hélice.

Figura 4 | Transcripción Representación simplificada de la formación de ARN pre-mensajero (naranja) a partir de ADN bicatenario (azul) en la transcripción.

Empalme de ARN

El ARN premensajero así formado contiene intrones que no son necesarios para la síntesis de proteínas. El ARN pre-mensajero se corta para eliminar los intrones y crear ARN mensajero (ARNm) en un proceso llamado empalme de ARN (Figura 5).

Figura 5 | Empalme de ARN Los intrones se cortan del ARN pre-mensajero para dar ARN mensajero (ARNm).

Splicing alternativo

En el empalme alternativo, los exones individuales se empalman o se incluyen, dando lugar a varios productos de ARNm posibles diferentes. Cada producto de ARNm codifica una isoforma de proteína diferente, estas isoformas de proteína difieren en su secuencia de péptidos y, por lo tanto, en su actividad biológica. Se estima que hasta el 60% de los productos génicos humanos se someten a un empalme alternativo. Se conocen varios mecanismos diferentes de empalme alternativo, dos de los cuales se ilustran en la Figura 6.

Figura 6 | Empalme alternativo Existen varios mecanismos diferentes de empalme alternativo: un exón de casete puede incluirse o excluirse del ARN final (arriba), o dos exones de casete pueden ser mutuamente excluyentes (abajo).

El empalme alternativo contribuye a la diversidad de proteínas: una transcripción de un solo gen (ARN) puede tener miles de patrones de empalme diferentes y, por lo tanto, codificará miles de proteínas diferentes: se genera un proteoma diverso a partir de un genoma relativamente limitado. El empalme es importante en la regulación genética (la alteración del patrón de empalme en respuesta a las condiciones celulares cambia la expresión de las proteínas). Quizás no sea sorprendente que los patrones de empalme anormales pueden conducir a estados de enfermedad, incluido el cáncer.

Transcripción inversa

En la transcripción inversa, el ARN se "transcribe de forma inversa" en ADN. Este proceso, catalizado por enzimas de transcriptasa inversa, permite que los retrovirus, incluido el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH), utilicen ARN como material genético. Las enzimas transcriptasa inversa también han encontrado aplicaciones en biotecnología, lo que permite a los científicos convertir ARN en ADN para técnicas como la PCR.

Traducción

El ARNm formado en la transcripción se transporta fuera del núcleo, al citoplasma, al ribosoma (la fábrica de síntesis de proteínas de la célula). Aquí, dirige la síntesis de proteínas. El ARN mensajero no participa directamente en la síntesis de proteínas; para ello, se requiere ARN de transferencia (ARNt). El proceso por el cual el ARNm dirige la síntesis de proteínas con la ayuda del ARNt se llama traducción.

El ribosoma es un complejo muy grande de moléculas de ARN y proteínas. Cada tramo de tres bases de ARNm (triplete) se conoce como un codóny un codón contiene la información de un aminoácido específico. A medida que el ARNm pasa a través del ribosoma, cada codón interactúa con el anticodón de una molécula de ARN de transferencia específica (ARNt) mediante emparejamiento de bases Watson-Crick. Esta molécula de ARNt lleva un aminoácido en su extremo 3 & principal, que se incorpora a la cadena de proteínas en crecimiento. A continuación, el ARNt se expulsa del ribosoma. La Figura 7 muestra los pasos involucrados en la síntesis de proteínas.

Figura 7 | La traducción (a) y (b) las moléculas de ARNt se unen a los dos sitios de unión del ribosoma, y ​​mediante la unión de hidrógeno al ARNm (c) se forma un enlace peptídico entre los dos aminoácidos para formar un dipéptido, mientras que la molécula de ARNt se deja sin carga (d) la molécula de ARNt sin carga abandona el ribosoma, mientras que el ribosoma se mueve un codón hacia la derecha (el dipéptido se transloca de un sitio de unión al otro) (e) otra molécula de ARNt se une (f) se forma un enlace peptídico entre los dos aminoácidos para formar un tripéptido (g) la molécula de ARNt sin carga abandona el ribosoma.

Transferencia de ARN

El ARN de transferencia adopta una estructura terciaria bien definida que normalmente se representa en dos dimensiones como una forma de hoja de trébol, como en la Figura 7. La estructura del ARNt se muestra con más detalle en la Figura 8.

Figura 8 | Estructuras bidimensionales del ARNt (ARN de transferencia) En algunos ARNt, el brazo de DHU tiene solo tres pares de bases.

Cada aminoácido tiene su propio ARNt especial (o conjunto de ARNt). Por ejemplo, el tRNA de la fenilalanina (tRNAPhe) es diferente al de la histidina (tRNAHis). Cada aminoácido se une a su ARNt a través del grupo 3 & prime-OH para formar un éster que reacciona con el grupo α-amino del aminoácido terminal de la cadena de proteínas en crecimiento para formar un nuevo enlace amida (enlace peptídico) durante la síntesis de proteínas. (Figura 9). La reacción de ésteres con aminas es generalmente favorable, pero la velocidad de reacción aumenta mucho en el ribosoma.

Figura 9 | Síntesis de proteínas Reacción de la cadena polipeptídica en crecimiento con el extremo 3 & del tRNA cargado. El aminoácido se transfiere de la molécula de ARNt a la proteína.

Cada molécula de ARN de transferencia tiene una estructura terciaria bien definida que es reconocida por la enzima aminoacil ARNt sintetasa, que agrega el aminoácido correcto al extremo 3 & principal del ARNt no cargado. La presencia de nucleósidos modificados es importante para estabilizar la estructura del ARNt. Algunas de estas modificaciones se muestran en la Figura 10.

Figura 10 | Bases modificadas en el ARNt Estructuras de algunas de las bases modificadas que se encuentran en el ARNt.

El código genético

El código genético es casi universal. Es la base de la transmisión de información hereditaria por ácidos nucleicos en todos los organismos. Hay cuatro bases en el ARN (A, G, C y U), por lo que hay 64 códigos de triplete posibles (4 3 = 64). En teoría, solo se requieren 22 códigos: uno para cada uno de los 20 aminoácidos naturales, con la adición de un codón de inicio y un codón de terminación (para indicar el comienzo y el final de una secuencia de proteínas). Muchos aminoácidos tienen varios códigos (degeneración), de modo que se utilicen los 64 códigos de triplete posibles. Por ejemplo, Arg y Ser tienen cada uno 6 codones, mientras que Trp y Met tienen solo uno. No hay dos aminoácidos que tengan el mismo código, pero los aminoácidos cuyas cadenas laterales tienen propiedades físicas o químicas similares tienden a tener secuencias de codones similares, p. las cadenas laterales de Phe, Leu, Ile, Val son todas hidrófobas, y Asp y Glu son ambos ácidos carboxílicos (ver Figura 11). Esto significa que si se selecciona el ARNt incorrecto durante la traducción (debido al apareamiento incorrecto de una sola base en la interfaz codón-anticodón), el aminoácido incorporado incorrectamente probablemente tendrá propiedades similares a la molécula de ARNt deseada. Aunque la proteína resultante tendrá un aminoácido incorrecto, tiene una alta probabilidad de ser funcional. Los organismos muestran "sesgo de codones" y usan ciertos codones para un aminoácido en particular más que otros. Por ejemplo, el uso de codones en humanos es diferente al de bacterias, a veces puede ser difícil expresar una proteína humana en bacterias porque el tRNA relevante puede estar presente en una concentración demasiado baja.

Figura 11 | El código genético - asignaciones de codones triplete para los 20 aminoácidos. Además de codificar la metionina, AUG se utiliza como codón de inicio, iniciando la biosíntesis de proteínas.

Un ejercicio de uso del código genético

Una hebra de ADN genómico (hebra A, hebra codificante) contiene la siguiente secuencia de lectura de 5 & prime- a 3 & prime-:

Esta hebra formará el siguiente dúplex:

La secuencia de bases en la otra hebra de ADN (hebra B) escrita 5 & prime- to 3 & prime- es por lo tanto

La secuencia de bases en el ARNm transcrito de la cadena A del ADN escrito 5 & prime- a 3 & prime- es

La secuencia de aminoácidos codificada por el ARNm anterior es

Sin embargo, si la cadena de ADN B es la cadena codificante, la secuencia de ARNm será:

y la secuencia de aminoácidos será:

La hipótesis del bamboleo

Una inspección minuciosa de todos los codones disponibles para un aminoácido particular revela que la variación es mayor en la tercera posición (por ejemplo, los codones para la alanina son GCU, GCC, GCA y GCG). Crick y Brenner propusieron que una sola molécula de ARNt puede reconocer codones con diferentes bases en el extremo primario 3 & debido a la formación de pares de bases que no son de Watson-Crick con la tercera base en la interacción codón-anticodón. Estos pares de bases no estándar son diferentes en forma de A · U y G · C y el término hipótesis del bamboleo indica que se permite un cierto grado de flexibilidad o "bamboleo" en esta posición del ribosoma. No todas las combinaciones son ejemplos posibles de emparejamientos "permitidos" que se muestran en la Figura 12.

Figura 12 | Estructuras de pares de bases oscilantes que se encuentran en el ARN

La capacidad de las bases de ADN para formar pares de bases oscilantes, así como los pares de bases de Watson-Crick, puede dar como resultado que se produzcan desajustes de pares de bases durante la replicación del ADN. Si no se reparan con enzimas reparadoras del ADN, estos desajustes pueden provocar enfermedades genéticas y cáncer.


Transcripción procariota

Inicio de la transcripción en procariotas

Los procariotas no tienen núcleos encerrados en membranas. Por lo tanto, los procesos de transcripción, traducción y degradación del ARNm pueden ocurrir todos simultáneamente. El nivel intracelular de una proteína bacteriana puede amplificarse rápidamente mediante múltiples eventos de transcripción y traducción que ocurren simultáneamente en la misma plantilla de ADN. La transcripción procariota a menudo cubre más de un gen y produce ARNm policistrónicos que especifican más de una proteína.

Nuestra discusión aquí ejemplificará la transcripción al describir este proceso en Escherichia coli, una especie bacteriana bien estudiada. Aunque existen algunas diferencias entre la transcripción en E. coli y transcripción en arqueas, una comprensión de E. coli la transcripción se puede aplicar a prácticamente todas las especies bacterianas.

ARN polimerasa procariota

Los procariotas usan la misma ARN polimerasa para transcribir todos sus genes. En E. coli, la polimerasa está compuesta por cinco subunidades polipeptídicas, dos de las cuales son idénticas. Cuatro de estas subunidades, denotadas α, α, β, y β′ Comprenden la polimerasa enzima central. Estas subunidades se ensamblan cada vez que se transcribe un gen y se desensamblan una vez que se completa la transcripción. Cada subunidad tiene un papel único que los dos α-subunidades son necesarias para ensamblar la polimerasa en el ADN β-subunidad se une al trifosfato de ribonucleósido que se convertirá en parte de la molécula de ARNm naciente "recién nacida" y β′ Se une a la hebra de la plantilla de ADN. La quinta subunidad, σ, está involucrado solo en el inicio de la transcripción. Confiere especificidad transcripcional tal que la polimerasa comienza a sintetizar ARNm a partir de un sitio de iniciación apropiado. Sin σ, la enzima central se transcribiría desde sitios aleatorios y produciría moléculas de ARNm que especificaban un galimatías de proteínas. La polimerasa compuesta por las cinco subunidades se llama holoenzima.

Promotores procarióticos

Figura 1. La subunidad σ de la ARN polimerasa procariótica reconoce las secuencias consenso que se encuentran en la región promotora aguas arriba de la vista de inicio de la transcripción. La subunidad σ se disocia de la polimerasa una vez iniciada la transcripción.

A promotor es una secuencia de ADN a la que se une la maquinaria de transcripción e inicia la transcripción. En la mayoría de los casos, los promotores existen corriente arriba de los genes que regulan. La secuencia específica de un promotor es muy importante porque determina si el gen correspondiente se transcribe todo el tiempo, algunas veces o con poca frecuencia. Aunque los promotores varían entre los genomas procarióticos, se conservan algunos elementos. En las regiones -10 y -35 corriente arriba del sitio de inicio, hay dos promotores consenso secuencias o regiones que son similares en todos los promotores y en varias especies bacterianas (Figura 1).

La secuencia de consenso -10, llamada región -10, es TATAAT. La secuencia -35, TTGACA, es reconocida y unida por σ. Una vez que se realiza esta interacción, las subunidades de la enzima central se unen al sitio. La región -10 rica en A-T facilita el desenrollamiento de la plantilla de ADN y se forman varios enlaces fosfodiéster. La fase de inicio de la transcripción termina con la producción de transcripciones abortivas, que son polímeros de aproximadamente 10 nucleótidos que se producen y liberan.

Alargamiento y terminación en procariotas

La fase de elongación de la transcripción comienza con la liberación del σ subunidad de la polimerasa. La disociación de σ permite que la enzima central avance a lo largo de la plantilla de ADN, sintetizando ARNm en la dirección 5 'a 3' a una velocidad de aproximadamente 40 nucleótidos por segundo. A medida que avanza el alargamiento, el ADN se desenrolla continuamente por delante de la enzima central y se rebobina detrás de ella (Figura 2). El emparejamiento de bases entre el ADN y el ARN no es lo suficientemente estable como para mantener la estabilidad de los componentes de síntesis del ARNm. En cambio, la ARN polimerasa actúa como un enlazador estable entre la plantilla de ADN y las cadenas de ARN nacientes para garantizar que el alargamiento no se interrumpa prematuramente.

Figura 2. Haga clic para ampliar la imagen. Durante el alargamiento, la ARN polimerasa procariota sigue la plantilla de ADN, sintetiza ARNm en la dirección 5 'a 3' y desenrolla y rebobina el ADN a medida que se lee.

Señales de terminación procariotas

Una vez que se transcribe un gen, es necesario instruir a la polimerasa procariota para que se disocie de la plantilla de ADN y libere el ARNm recién creado. Dependiendo del gen que se transcribe, existen dos tipos de señales de terminación. Uno está basado en proteínas y el otro está basado en ARN. Terminación dependiente de Rho está controlado por la proteína rho, que sigue detrás de la polimerasa en la cadena de ARNm en crecimiento. Cerca del final del gen, la polimerasa encuentra una serie de nucleótidos G en la plantilla de ADN y se detiene. Como resultado, la proteína rho choca con la polimerasa. La interacción con rho libera el ARNm de la burbuja de transcripción.

Terminación independiente de Rho está controlado por secuencias específicas en la hebra de la plantilla de ADN. A medida que la polimerasa se acerca al final del gen que se transcribe, encuentra una región rica en nucleótidos C – G. El ARNm se pliega sobre sí mismo y los nucleótidos C-G complementarios se unen. El resultado es un estable horquilla que hace que la polimerasa se detenga tan pronto como comienza a transcribir una región rica en nucleótidos A – T. La región U-A complementaria del transcrito de ARNm forma solo una interacción débil con el ADN molde. Esto, junto con la polimerasa estancada, induce suficiente inestabilidad para que la enzima central se separe y libere la nueva transcripción de ARNm.

Tras la terminación, se completa el proceso de transcripción. En el momento en que se produce la terminación, la transcripción procariota ya se habría utilizado para comenzar la síntesis de numerosas copias de la proteína codificada porque estos procesos pueden ocurrir al mismo tiempo. La unificación de la transcripción, traducción e incluso la degradación del ARNm es posible porque todos estos procesos ocurren en la misma dirección 5 'a 3' y porque no hay compartimentación membranosa en la célula procariota (Figura 3). Por el contrario, la presencia de un núcleo en las células eucariotas impide la transcripción y traducción simultáneas.

Figura 3. Varias polimerasas pueden transcribir un solo gen bacteriano, mientras que numerosos ribosomas traducen simultáneamente las transcripciones de ARNm en polipéptidos. De esta manera, una proteína específica puede alcanzar rápidamente una alta concentración en la célula bacteriana.

Visite esta animación de BioStudio para ver el proceso de transcripción procariota.

Preguntas de práctica

¿Qué subunidad del E. coli ¿La polimerasa confiere especificidad a la transcripción?

Las regiones -10 y -35 de los promotores procarióticos se denominan secuencias consenso porque ________.

  1. son idénticos en todas las especies bacterianas
  2. son similares en todas las especies bacterianas
  3. existen en todos los organismos
  4. tienen la misma función en todos los organismos

Pre-ARN y ARNm

Después de la transcripción, eucariota pre-ARNmLos correos electrónicos deben pasar por varios pasos de procesamiento antes de que puedan traducirse. Los ARNt y ARNr eucariotas (y procariotas) también se procesan antes de que puedan funcionar como componentes en la maquinaria de síntesis de proteínas.

Procesamiento de ARNm

El pre-ARNm eucariota se somete a un procesamiento extenso antes de que esté listo para ser traducido. Los pasos adicionales involucrados en la maduración del ARNm eucariota crean una molécula con una vida media mucho más larga que la de un ARNm procariota. Los ARNm eucariotas duran varias horas, mientras que los típicos E. coli El ARNm no dura más de cinco segundos.

Los tres pasos más importantes del procesamiento de pre-ARNm son la adición de factores estabilizadores y de señalización en los extremos 5 'y 3' de la molécula, y la eliminación de secuencias intermedias que no especifican los aminoácidos apropiados.

5 ′ Taponado

Una gorra se añade al extremo 5 'del transcrito en crecimiento mediante un enlace fosfato. Esta adición protege el ARNm de la degradación. Además, los factores implicados en la síntesis de proteínas reconocen el casquete para ayudar a iniciar la traducción de los ribosomas.

Cola Poly-A de 3 ′

Una vez que se completa el alargamiento, una enzima llamada poli-A polimerasa agrega una cadena de aproximadamente 200 residuos A, llamada cola poli-A al pre-ARNm. Esta modificación protege además al pre-mRNA de la degradación y señala la exportación de los factores celulares que la transcripción necesita al citoplasma.

Empalme de pre-ARNm

Los genes eucariotas se componen de exones, que corresponden a secuencias codificantes de proteínas (ex-en significa que son expresionado), y En tsecuencias inminentes llamadas intrones (En tron denota su En tpapel continuo), que se eliminan del pre-ARNm durante el procesamiento. Las secuencias de intrones en el ARNm no codifican proteínas funcionales.

Todos los intrones de un pre-ARNm & # 8217s deben eliminarse de forma completa y precisa antes de la síntesis de proteínas. Si el proceso se equivoca incluso en un solo nucleótido, el marco de lectura de los exones reunidos cambiaría y la proteína resultante sería disfuncional. El proceso de eliminar intrones y reconectar exones se llama empalme (Figura 3).

Pregunta de práctica

Figura 3. El empalme de pre-ARNm implica la eliminación precisa de intrones del transcrito de ARN primario. El proceso de empalme es catalizado por complejos de proteínas llamados espliceosomas que están compuestos de proteínas y moléculas de ARN llamadas snRNA. Los empaliceosomas reconocen secuencias en los extremos 5 'y 3' del intrón.

Los errores en el empalme están implicados en cánceres y otras enfermedades humanas. ¿Qué tipo de mutaciones pueden provocar errores de empalme?


No, realmente, las vacunas de ARNm no afectarán su ADN

La versión corta: No hay forma plausible de que las vacunas de ARNm alteren su ADN. Violaría básicamente todo lo que sabemos sobre biología celular.

Recientemente, recibí una gran cantidad de preguntas sobre cómo podemos estar realmente seguros de que las vacunas de ARNm no afectarán nuestro ADN. En mi publicación anterior sobre el tema escribí:

Otra preocupación planteada ha sido la idea de que el ARNm de alguna manera puede alterar el genoma del huésped. Eso en realidad sería genial y enorme para la terapia genética (y finalmente podría darme las alas de murciélago gigantes que siempre quise), pero no es así. Por lo general, esto es imposible, excepto si también hay una enzima transcriptasa inversa presente que produce ADN a partir de la plantilla de ARN, que es la forma en que funcionan los retrovirus. No existe tal riesgo con ningún candidato a vacuna de ARNm. Las vacunas de ARNm actúan completamente dentro del citosol de la célula; no se acercan al núcleo donde está todo el ADN. En realidad, esa es una gran ventaja de las vacunas basadas en ARN sobre las de ADN.

Di esta respuesta en gran parte porque sentí que la discusión detallada de la transcripción inversa, el tráfico nuclear, la vía endocítica y los otros 11 o más temas avanzados de biología celular que tendría que invocar para dar una respuesta rigurosa era demasiado compleja. para ser beneficioso para la persona promedio que desea saber simplemente si esto es posible o no. Sin embargo, tuve una serie de preguntas sobre "qué pasaría si" en relación con los retrovirus o hepadnavirus (hepatitis B), y puedo admitir que esta respuesta no aborda eso, por lo que aquí intentaré responder eso de la manera más explícita y con una complejidad mínima. como soy capaz.

Para simplificar la discusión y evitar tener que explicar las fases de las bicapas de fosfolípidos y la composición molecular de la nanopartícula lipídica en lo que respecta a la estabilidad (discutido en 1, 2, 3, 4), pediré a los lectores que den por sentado que el ARNm las vacunas se endocitosan y liberan (y esto) en el citoplasma de la célula.

En primer lugar, para que el ARNm afecte su ADN, como mínimo debemos establecer que necesitaría obtener acceso al ADN en cuestión. Hay dos compartimentos subcelulares donde esto se puede lograr. El primero es el núcleo, así que comencemos con una discusión sobre el tráfico de carga en el núcleo. El núcleo de la célula es un compartimento aislado con complejos de poros (NPC) que imponen límites al tamaño de las partículas que pueden entrar libremente. El ARN se transporta fácilmente a medida que se produce la transcripción dentro del núcleo, pero los ribosomas necesarios para producir proteínas se encuentran en el citosol o en el retículo endoplásmico rugoso. Este proceso está mediado por varias proteínas accesorias que puede ver a la izquierda. Sin embargo, tenga en cuenta que no existe ninguna circunstancia fisiológica en la que se pueda necesitar que el ARN del citosol sea transportado de regreso al núcleo. El ARN se sintetiza dentro del núcleo. Los virus que tienen una fase nuclear en su ciclo de replicación deben tener varios trucos para poder permitir que ingrese su carga útil de ARN. Aunque el ARN no se transporta fácilmente a las células, las proteínas pueden serlo. Esto ocurre a través de una red de proteínas llamadas importinas (ver figura 5-23C arriba). Las proteínas que contienen una secuencia de aminoácidos llamada secuencia de localización nuclear (NLS hay 2 comunes) son capaces de unirse a las importinas, que luego pueden transportarlas a través del complejo de poros nucleares como se muestra a la izquierda. Los virus de ARN a menudo tienen ciclos de replicación que no requieren acceso al núcleo, pero existen algunas excepciones. Los virus de la influenza, por ejemplo, son virus de ARN que tienen sus genomas asociados con ribonucleoproteínas, y estas ribonucleoproteínas expresan señales de localización nuclear que facilitan la entrada de su ARN genómico en el núcleo. Las vacunas de ARNm, por otro lado, no están asociadas con ninguna proteína. Una vez dentro del citosol, el ARNm está desnudo y expuesto al duro entorno de los ribosomas y exonucleasas que destruyen el ARNm en cuestión de horas (como máximo). No existe un mecanismo concebible por el cual el ARNm pueda transportarse espontáneamente al núcleo. Al estar compuesto de nucleótidos, no puede contener una secuencia de localización nuclear.

El otro compartimento relevante sería la mitocondria. Las mitocondrias son en realidad bacterias vestigiales con sus propios genomas, y se cree que hace miles de millones de años una bacteria antigua intentó consumir al antepasado de las mitocondrias, pero carecía de la maquinaria para hacer la digestión y las dos establecieron una relación simbiótica. Since that instance, the mitochondria have been an essential feature of our cell’s biologies. This allowed the mitochondria to develop an extremely reduced genome containing only 37 genes (most of the genes relevant to mitochondrial function are still in the nucleus). Mitochondria have their own ribosomes and even their own genetic code (sort of). There is also a specialized process for the clearance of diseased mitochondria called mitophagy, which is the subject of many excellent reviews e.g. this, this, and this.

The collective conclusion from our understanding of these biological process is that a naked mRNA in the cytosol has no potential to end up in a cellular compartment that contains our own DNA means that, irrespective of the presence or absence of other factors, there is no chance of harm to the DNA from the mRNA vaccine. But still people wanted to ask me about reverse transcriptases so let’s discuss those.

The process of going from RNA to DNA (the exact opposite of what the central dogma of molecular biology dictates) is known as reverse transcription, and it is carried out with an enzyme called a reverse transcriptase (which are a really interesting group of enzymes). In general, reverse transcription is performed by a few different genetic entities: retroviruses, hepadnaviruses, telomeres, y retrotransposons. These are worth defining.

  • Retroviruses are viruses who have an RNA genome, from which they create a DNA copy through reverse transcription that then integrates into the cell of the host (by which I mean, literally inserts itself into the host cell’s genome and becomes a permanent part of it, in the form of a sequence called a provirus). The proviral sequence itself can then be transcribed in the host cell to produce viral proteins and particles that can go on to spread to the next cell. The most famous retrovirus is HIV-1.
  • Hepadnaviruses are DNA viruses which have gapped genomes (there is one complete DNA strand and another partial DNA strand which is linked to a pregenomic RNA), and unlike retroviruses, do not integrate into the genome of the host cell they infect. The most famous example is Hepatitis B virus, for which multiple effective vaccines exist.
  • Telomeres are structures present at the ends of human chromosomes which are maintained by a protein complex called telomerase that uses a reverse transcriptase called TERT to maintain them. The reasons this is necessary are discussed in Figure 9–12 on the left. They are about 5–15 kilobases long normally, and shortening results in arrest of cell growth and replication (senescence), or can even trigger cell death by apoptosis.
  • Retrotransposons are actually the most abundant component of our genome. The human genome contains about 21,000–27,000 genes (the number you get depends on how precisely you define a gene and which source you consult), which span 40–48 million base pairs, but this accounts for only about 1.5% of the 3.2 billion total base pairs. Retrotransposons account for about 2 billion base pairs. There are several kinds of retroelements, which are worth discussing further:

  1. SINEs (short interspersed nuclear elements) which encode short transcripts like tRNAs, and cannot function without a LINE-encoded protein.
  2. LINEs (long interspersed nuclear elements) which encode a reverse transcriptase formed from the ORF1 and pol genes which can copy itself and other LINE and SINE elements into other regions of the genome.
  3. About 5–8% of the human genome is also composed of human endogenous retroviruses, HERVs, which also fall into the category of retrotransposons, more specifically LTR (long terminal repeats) retrotransposons (more on this shortly). HERVs contain 3 genes: gag (“group antigens,” which encodes a polyprotein that is cleaved into the structural proteins of the resultant retrovirus), pol (the reverse transcriptase needed for the virus to replicate), and env (envelope, which encodes the protein that gives the viral particles their shape).
  4. More broadly, the term retroelement refers to genetic sequences that have moved from one region of the genome to another via reverse transcription, and these include retrotransposons, and processed pseudogenes. Processed pseudogenes refer to the sequences of processed mRNA that lack introns that have been inserted via reverse transcription (we know they had to be inserted into the genome via reverse transcription in large part because they lack introns). They are incapable of producing any gene product.
  5. The only retrotransposons that can move through the genome (literally copy their DNA to new sites where it was not initially present) are the LINEs and SINEs, and of these, only a few are able to accomplish this. HERVs are stuck where they are, and processed pseudogenes are as well.

Telomerases evolved as a solution to the end replication problem. Nascent (new) DNA strands are synthesized with a leading strand and a lagging strand because the DNA polymerases have a very restricted directionality in that they must travel 3’ to 5’ with respect to the template strand. This creates a problem because the DNA is oriented antiparallel (the strands are parallel but one strand is oriented in the direction opposite to the other), so to make both strands at the same time, a single DNA polymerase would have to manage to concurrently travel what would be a Sisyphean length for it in opposite directions (imaging trying to simultaneously run east and west for 10 miles). To deal with this dilemma, one of the strands is synthesized as a leading strand with a polymerase traveling down the strand uninterrupted for many nucleotides (formally the term is “processively”), and a lagging strand in which fragments of DNA (called Okazaki fragments) are consistently generated that are complementary to the other strand that get ligated (fused) together. The dilemma is that because our chromosomes are not circular, there will always be a missing fragment once we reach the 3’ end of the chromosome, and thus each replication cycle of the DNA will cause the size of the genome to shrink, eventually with the potential to hit genes important for biological function. This is known as the end replication problem.

To your left you see a telomerase complex with its favorite telomerase RNA. The ends of the chromosome contain structures called telomeres, which are repetitive, short, palindromic sequences that get copied many times, until the gaps between the strands are filled for a length of about 5000 to 15000 nucleotides. The production of telomeric DNA occurs via a large protein complex called telomerase, which makes use of TERT (telomerase reverse transcriptase), a reverse transcriptase that takes an RNA template to make the palindromic DNA sequences. Importantly, cells eventually do lose their telomerase function, which is thought to represent a safeguard against cancer (cells that express telomerase at high levels can continue dividing- and therefore accumulating mutations, some of which might be harmful- indefinitely, and thus in most cells after about 50 divisions, the cells will cease to divide telomerase is notably expressed at high levels in stem cells). In practice, mice which have no functional telomerase will have substantial chromosomal shortening within 3 generations and by the fourth generation end up unable to reproduce. Here now, I have to shatter all your preconceived ideas about how RNA works. When speaking about DNA and RNA, we have a tendency to use the term “strand” which conjures up an image of a thread. The thread is relatively linear, it may curve, but the structure is relatively boring. This is a reasonable approximation of most DNA, as DNA can have basically one of 3 structures called A, B, and Z (there are rarer ones though such as i-motifs, and DNAzymes can do weird things). RNA on the other hand, is a much freer spirit when it comes to structure. RNA folds into complex shapes with all sorts of structural motifs in a manner not dissimilar to proteins, in that the structure of a protein relates directly to its function. What this means is: specific RNAs do specific things depending on how they fold, which depends on their sequence. To your right you can see a detailed diagram of telomerase RNA bound to the telomerase complex. That curvy thing with bars like a ladder and bubbles is the telomerase RNA. TERT, the reverse transcriptase of telomerase, binds the telomerase RNA at the core domain and a region called CR4/CR5. I won’t get into the other components of the complex but you can read in detail about how it works here and here. Immediately below the diagram to your right you can see how telomerase works to extend the 3’ cap of the chromosome through the aid of a repetitive, palindromic RNA sequence: CAAUCCCAAUC, which reproduces on the DNA a repeating “GGGTTA” to form a telomere with a length of about 5,000–15,000 nucleotides. For this to work, a bunch of things have to go right but solely for TERT to be able to recognize telomerase RNA there needs to be: the template for reverse transcription (the palindromic sequence CCCAAU), the pseudoknot domain (the core domain in the diagram), a stem–loop that interacts with TERT (CR4/CR5), and a 3′ element required for RNA stability (CR7). This is a very specific set of constraints and mRNA vaccines would have to be designed to have them (see image above for standard organization of an mRNA vaccine). Ribosomes also have intrinsic mRNA helicase activity that destroys such structures so that they can be read and processed for the synthesis of a protein. Additionally, the mature human telomerase RNA is 451 nucleotides in length. The mRNA from these vaccines is approximately 1200–1300 nucleotides long. It is too large to function as a telomerase RNA in humans (there are some animals which have telomerase RNAs of that size but we are not one of them) and given how precisely the telomerase RNA must fold, it is unlikely to assume the required structures for recognition and binding of the telomerase.

I initially considered discussing in detail the reverse transcriptases of the hepadnaviruses (i.e. hepatitis B) and retroviruses (i.e. HIV and HERVs) but the discussion quickly became inaccessible. Suffice it to say, reverse transcriptases are not capable of picking up any random RNA and generating a DNA from it. They require an RNA sequence to prime the reaction. For retroviruses, there is a tRNA that is stolen from the host cell and packaged into the virion. Furthermore, in the retroviruses, reverse transcription occurs within a nucleocapsid which allows dNTPs (the building blocks of DNA) in, but cannot permit something as large as an entirely separate RNA molecule spanning about 1200 bases. Reverse transcription by hepadnaviruses is similar in principle, requiring a pregenomic RNA segment that is chemically linked to the DNA of the hepadnavirus. Reverse transcription will not occur spontaneously with just any RNA. Even for RT-PCR reactions, the reaction requires the binding of an oligodeoxythymidine sequence to the polyA tail of the mRNA in question. Additionally, there’s a secondary requirement here to be able to “change” the DNA of the host: to actually manipulate it in some way. In the case of the hepadnaviruses this doesn’t really happen. The hepadnavirus genome gets into the nucleus and forms a covalently closed circular DNA with its own associated histones, essentially a small, separate chromosome. It doesn’t touch the host’s DNA. In the case of retroviruses, the DNA gets integrated into the host chromosome, and the effect depends on where it gets integrated. HIV for example has a strong bias for inserting itself into genes, which can be problematic if, for example, the gene produces a protein important for the maintenance of genome integrity (which could lead to cancer if left unchecked). The development of cancer from such a process however, cannot simply occur without many other things going wrong, like for instance a massive death of helper T cells that critically impairs the ability of the immune system to conduct surveillance of cells for evidence of malignancy and kill them, as happens in HIV. Now, should we choose to ignore everything thus far established about how cell biology works, including the need for a primer to initiate the reverse transcriptase reaction, and allow that a retrovirus readily permits integration of the resultant spike protein RBD or entire spike protein gene into the host, this would simply lead to the insertion of a gene that may be able to make the spike protein or just the RBD (depending on where it inserted and whether it could recruit transcriptional machinery), which would only serve to present to the immune system a foreign protein that it has been primed to respond against, and subsequently kill the cell. Also, as they are being delivered by an intramuscular injection, the cells in question would most likely be a muscle cell (which you can lose without loss of any eloquent function) or a dendritic cell (which you could also lose without any loss of significant immunological function).

To conclude, and I really hope this ends it:


Structure and Function of Transcriptional Activators

Because transcription factors are central to the regulation of gene expression, understanding the mechanisms of their action is a major area of ongoing research in cell and molecular biology. The most thoroughly studied of these proteins are transcriptional activators, which, like Sp1, bind to regulatory DNA sequences and stimulate transcription. In general, these factors have been found to consist of two domains: One region of the protein specifically binds DNA the other activates transcription by interacting with other components of the transcriptional machinery (Figure 6.26). Transcriptional activators appear to be modular proteins, in the sense that the DNA binding and activation domains of different factors can frequently be interchanged using recombinant DNA techniques. Such manipulations result in hybrid transcription factors, which activate transcription by binding to promoter or enhancer sequences determined by the specificity of their DNA-binding domains. It therefore appears that the basic function of the DNA-binding domain is to anchor the transcription factor to the proper site on DNA the activation domain then independently stimulates transcription by interacting with other proteins.

Figure 6.26

Structure of transcriptional activators. Transcriptional activators consist of two independent domains. The DNA-binding domain recognizes a specific DNA sequence, and the activation domain interacts with other components of the transcriptional machinery. (more. )

Many different transcription factors have now been identified in eukaryotic cells, as might be expected, given the intricacies of tissue-specific and inducible gene expression in complex multicellular organisms. Molecular characterization has revealed that the DNA-binding domains of many of these proteins are related to one another (Figure 6.27). Zinc finger domains contain repeats of cysteine and histidine residues that bind zinc ions and fold into looped structures (𠇏ingers”) that bind DNA. These domains were initially identified in the polymerase III transcription factor TFIIIA but are also common among transcription factors that regulate polymerase II promoters, including Sp1. Other examples of transcription factors that contain zinc finger domains are the steroid hormone receptors, which regulate gene transcription in response to hormones such as estrogen and testosterone.

Figure 6.27

Families of DNA-binding domains. (A) Zinc finger domains consist of loops in which an α helix and a β sheet coordinately bind a zinc ion. (B) Helix-turn-helix domains consist of three (or in some cases four) helical regions. One helix (more. )

los helix-turn-helix motif was first recognized in prokaryotic DNA-binding proteins, including the mi. coli catabolite activator protein (CAP). In these proteins, one helix makes most of the contacts with DNA, while the other helices lie across the complex to stabilize the interaction. In eukaryotic cells, helix-turn-helix proteins include the homeodomain proteins, which play critical roles in the regulation of gene expression during embryonic development. The genes encoding these proteins were first discovered as developmental mutants in Drosophila. Some of the earliest recognized Drosophila mutants (termed homeotic mutants in 1894) resulted in the development of flies in which one body part was transformed into another. For example, in the homeotic mutant called Antennapedia, legs rather than antennae grow out of the head of the fly (Figure 6.28). Genetic analysis of these mutants, pioneered by Ed Lewis in the 1940s, has shown that Drosophila contains nine homeotic genes, each of which specifies the identity of a different body segment. Molecular cloning and analysis of these genes then indicated that they contain conserved sequences of 180 base pairs (called homeoboxes) that encode the DNA-binding domains (homeodomains) of transcription factors. A wide variety of additional homeodomain proteins have since been identified in fungi, plants, and other animals, including humans. Vertebrate homeobox genes are strikingly similar to their Drosophila counterparts in both structure and function, demonstrating the highly conserved roles of these transcription factors in animal development.

Figure 6.28

The Antennapedia mutation. Antennapedia mutant flies have legs growing out of their heads in place of antennae. (A) Head of a normal fly. (B) Head of an Antennapedia mutante. (Courtesy of F. Rudolf Turner, Indiana University.)

Two other families of DNA-binding proteins, leucine zipper and helix-loop-helix proteins, contain DNA-binding domains formed by dimerization of two polypeptide chains. The leucine zipper contains four or five leucine residues spaced at intervals of seven amino acids, resulting in their hydrophobic side chains being exposed at one side of a helical region. This region serves as the dimerization domain for the two protein subunits, which are held together by hydrophobic interactions between the leucine side chains. Immediately following the leucine zipper is a region rich in positively charged amino acids (lysine and arginine) that binds DNA. The helix-loop-helix proteins are similar in structure, except that their dimerization domains are each formed by two helical regions separated by a loop. An important feature of both leucine zipper and helix-loop-helix transcription factors is that different members of these families can dimerize with each other. Thus, the combination of distinct protein subunits can form an expanded array of factors that can differ both in DNA sequence recognition and in transcription-stimulating activities. Both leucine zipper and helix-loop-helix proteins play important roles in regulating tissue-specific and inducible gene expression, and the formation of dimers between different members of these families is a critical aspect of the control of their function.

The activation domains of transcription factors are not as well characterized as their DNA-binding domains. Some, called acidic activation domains, are rich in negatively charged residues (aspartate and glutamate) others are rich in proline or glutamine residues. These activation domains are thought to stimulate transcription by interacting with general transcription factors, such as TFIIB or TFIID, thereby facilitating the assembly of a transcription complex on the promoter. For example, the activation domains of several transcription factors (including Sp1) have been shown to interact with TFIID by binding to TBP-associated factors (TAFs) (Figure 6.29). An important feature of these interactions is that different activators can bind to different general transcription factors or TAFs, providing a mechanism by which the combined action of multiple factors can synergistically stimulate transcription𠅊 key feature of transcriptional regulation in eukaryotic cells.

Figure 6.29

Synergistic action of transcriptional activators. Different transcriptional activators can interact with the general transcription factor TFIID by binding to different TAFs.


Transcripción

Transcription is the process of producing a strand of RNA from a strand of DNA. Similar to the way DNA is used as a template in DNA replication, it is again used as a template during transcription. The information that is stored in DNA molecules is rewritten or ‘transcribed’ into a new RNA molecule.

Sequence of nitrogenous bases and the template strand

Each nitrogenous base of a DNA molecule provides a piece of information for protein production. A strand of DNA has a specific sequence of bases. The specific sequence provides the information for the production of a specific protein.

Through transcription, the sequence of bases of the DNA is transcribed into the reciprocal sequence of bases in a strand of RNA. Through transcription, the information of the DNA molecule is passed onto the new strand of RNA which can then carry the information to where proteins are produced. RNA molecules used for this purpose are known as messenger RNA (mRNA).

A gene is a particular segment of DNA. The sequence of bases in for a gene determines the sequence of nucleotides along an RNA molecule.

Only one strand of a DNA double helix is transcribed for each gene. This strand is known as the ‘template strand’. The same template strand of DNA is used every time that particular gene is transcribed. The opposite strand of the DNA double helix may be transcribed for other genes.

Polimerasa de ARN

An enzyme called ‘RNA polymerase’ is responsible for separating the two strands of DNA in a double helix. As it separates the two strands, RNA polymerase builds a strand of mRNA by adding the complementary nucleotides (A, U, G, C) to the template strand of DNA.

A specific set of nucleotides along the template strand of DNA indicates where the gene starts and where the RNA polymerase should attach and begin unravelling the double helix. The section of DNA or the gene that is transcribed is known as the ‘transcription unit’.

Rather than RNA polymerase moving along the DNA strand, the DNA moves through the RNA polymerase enzyme. As the template strand moves through the enzyme, it is unravelled and RNA nucleotides are added to the growing mRNA molecule.

As the RNA molecule grows it is separated from the template strand. The DNA template strand reforms the bonds with its complementary DNA strand to reform a double helix.

In prokaryotic cells, such as bacteria, once a specific sequence of nucleotides has been transcribed then transcription is completed. This specific sequence of nucleotides is called the ‘terminator sequence’.

Once the terminator sequence is transcribed, RNA polymerase detaches from the DNA template strand and releases the RNA molecule. No further modifications are required for the mRNA molecule and it is possible for translation to begin immediately. Translation can begin in bacteria while transcription is still occurring.

Modification of mRNA in eukaryotic cells

Creating a completed mRNA molecule isn’t quite as simple in eukaryotic cells. Like prokaryotic cells, the end of a transcription unit is signalled by a certain sequence of nucleotides. Unlike prokaryotic cells, however, RNA polymerase continues to add nucleotides after transcribing the terminator sequence.

Proteins are required to release the RNA polymerase from the template DNA strand and the RNA molecule is modified to remove the extra nucleotides along with certain unwanted sections of the RNA strand. The remaining sections are spliced together and the final mRNA strand is ready for translation.

In eukaryotic cells, transcription of a DNA strand must be complete before translation can begin. The two processes are separated by the membrane of the nucleus so they cannot be performed on the same strand at the same time as they are in prokaryotic cells.

Rate of transcription

If a certain protein is required in large numbers, one gene can be transcribed by several RNA polymerase enzymes at one time. This makes it possible for a large number of proteins to be produced from multiple RNA molecules in a short time.


Can translation ever occur without transcription? - biología

In transcription, the strand of DNA that is used to synthesize mRNA is known as the template strand. Whereas, the non-template or coding strand matches the sequence of the RNA. However, it doesn’t match it exactly as RNA has uracil (U) instead of thymine (T). The nucleotides of RNA are known as ribonucleotides. These nucleotides bond to the template strand via hydrogen bonds after the DNA molecule opens up. And then those nucleotides are bonded together with a phosphodiester bond just like DNA is bonded.

RNA is an enzyme that synthesizes RNA from the template strand of DNA. And it happens a lot like DNA polymerase, except for the the fact that it does not require a primer before transcription begins Bacteria have a single RNA polymerase, whereas Eukaryotes have three different enzymes.

Initiation of Transcription

Transcription is initiated by the attachment of a protein known as a sigma. The sigma attaches to one strand of the DNA (the template strand) at a very specific location. In bacteria, several sigmas exists and each one initiates the transcription of a specific sequence of DNA (or gene). Once this sigma protein attaches to the DNA molecule, it serves to guide the RNA polymerase down the template strand. The sigma protein recognizes and binds to what is deemed the promoter sequence. The promoter sequence is a specific group of base pairs. Once the sigma binds to the DNA, transcription begins. There are several different sigmas. Each one is unique and initiates the synthesis of a specific gene, or in some cases several different genes. While there are several sigmas, each for different gene complexes, RNA Polymerase is the same molecule that connects to all the different sigmas. RNA Polymerase adds ribonucleotides to the template strand based on complementary base pairing, generating an mRNA.

The sigma protein first opens DNA’s double helix at the promoter section of the DNA strand. Then the template strand of the DNA is threaded through the RNA polymerase. Incoming RNA nucleotides come through a channel in the sigma protein and pairs with the complementary bases of the DNA’s template strand. At this point the RNA polymerase is functional and the begins to work. And once that happens the sigma disconnects from the DNA chain. This defines the beginning of the elongation phase of transcription.

Once the appropriate sigma is attached, RNA Polymerase attaches to the sigma protein. After successful attachment, the sigma guides the DNA into place inside of the RNA Polymerase. As the DNA is thread through the RNA Polymerase, hydrogen bonds are split between the the DNA molecule, by a zipper. Once DNA is inserted in to RNA Polymerase, ribonucleotides enter an entrance portal into the RNA Polymerase and match up with the D-nucleotides based on complementary base pairing. Similar to DNA base pairing, cytosine-containing deoxyribonucleotides (D-cytosine) pair with guanine containing ribonucleotides (R-guanine), D-guanine pairs with R-cytosine, and D-thymine pairs with R-adenine. Different from DNA base pairing, D-adenine pairs with R-uracil. Through another portal in the RNA Polymerase, emerges the developing mRNA. Once a few ribonucleotides are synthesized by RNA Polymerase, the sigma protein is removed. Once the sigma is removed, it can be reused to initiate transcription.

Elongation of Transcription

Elongation in transcription is fairly straight forward. The RNA polymerase zips along the open DNA molecule matching up complementary RNA base pairs from the template strand of the open DNA. After the sigma is removed, RNA Polymerase continues to unzip template and coding strands of the the DNA, and R-nucleotides are bonded via phosphodiester linkages using the code provided by the template strand of DNA. The incoming DNA enters into an intake portal and is unzipped by a zipper. As the DNA passes the zipper, the hydrogen bonds reattach between the coding and template strand and the DNA double helix leaves through an exit portal. Ribonucleotides enter in through another intake portal and are combined via complementary base pairing to the template strand of DNA. The R-nucleotides are bonded together via phosphodiester linkages. Ribonucleotides are continuously added to the 3’ end of the developing RNA strand. The 5’ end of the RNA strand leaves through another exit portal of the RNA Polymerase.

Termination of Transcription

In bacteria, once RNA Polymerase transcribes a specific sequence of ribonucleotides from the DNA template strand, transcription ends (or terminates). When this sequence is synthesized, a section of the RNA bends back on itself forms a short double helix based on complementary base pairing. This forms a RNA hairpin. This hairpin forces the RNA to separate from the DNA and the RNA Polymerase detaches and the opened DNA reattaches based on complementary base pairing

Transcription in Eukaryotes

Fundamentally, transcription in eukaryotes is similar to transcription in prokaryotes with a few exceptions. In bacteria, RNA Polymerase can synthesize any RNA molecule. In eukaryotes, there are three different RNA Polymerases (I, II, and III). RNA Polymerase I is primarily responsible for the synthesis of ribosomal RNA (rRNA), the molecule that makes up ribosomes. Most eukaryotic RNA Polymerase are RNA Polymerase II. RNA Polymerase II is responsible for synthesizing mRNA, making it the only RNA Polymerase capable of transcribing protein-coding genes. RNA Polymerase III is responsible for synthesizing transfer RNA (tRNA). During translation, tRNAs read the messages from the mRNA and link a specific amino acid sequence generating proteins.

Where bacterial transcription is initiated by a sigma protein, RNA Polymerases in eukaryotes require a group of proteins known as basal transcription factors. Like sigma in prokaryotes, once the basal transcription factors attach to the DNA, its respective RNA Polymerase attaches and transcription begins. The elongation process is virtually identical in prokaryotes and eukaryotes. However, termination of transcription differs between prokaryotes and eukaryotes. In eukaryotes, a short sequence in the DNA signals the attachment of an enzyme downstream of active transcription. This enzyme cuts the emerging RNA, leaving the RNA Polymerase.

In eukaryotes, pre-RNA is made up of regions of mRNA that code for amino acids (known as exons) and regions of mRNA that don’t code for amino acids. Before the mRNA can be functional the introns must be removed in a process known as RNA splicing, or post-transcriptional modification.

Post-transcriptional modification of mRNA in eukaryotes

In bacteria, transcription from DNA to mRNA is a direct pathway. However in eukaryotes once mRNA is synthesized by RNA Polymerase II, the mRNA goes through further modification (Fig. 11). The product following transcription is known as a primary transcript (or pre-mRNA). Before mRNA travels outside the nucleus, the mRNA is shortened by cutting out specific sections of mRNA and reattaching the remaining sections back together. This process is known as RNA splicing and the resulting, modified mRNA is known as mature mRNA. Segments of the mRNA that are respliced back together are known as exons (because they exit the nucleus) while the segments of mRNA that are removed from the pre-mRNA are known as introns. The exons (which collectively make up the mature mRNA) leave the nucleus through a nuclear pore and travel to a ribosome in the cytosol and begin the process of translation.

RNA splicing is processed by hybrid protein-RNA complexes known as small nuclear ribonucleoproteins (or snRNPs). RNA splicing begins when a primary snRNP binds to a guanine R-nucleotide (G) adjacent to an uracil R-nucleotide (U) at the 5’ end of the pre-mRNA. This marks the exon-intron boundary. Another secondary snRNP reads from 5’ to 3’ down the mRNA and when it comes in contact with an adenine (A), and it attaches at that point. This point represents the intron-exon boundary. Once the primary and secondary snRNPs are attached other snRNPS attach to those, in a complex known as a spliceosome. Collectively the spliceosome breaks the G-U bond of the primary snRNP and the bond between the adenine (A) of the secondary snRNP and its adjacent R-nucleotide. Since U and A are complementary bases, the spliceosomes places them in close contact with each other, generating an intron loop. Nucleotides of the intron loop are disassembled into their monomers, ribonucleotides, and are recycled for future transcriptional events. Exons are spliced back together generating a mature mRNA.


28.2.6. Enhancer Sequences Can Stimulate Transcription at Start Sites Thousands of Bases Away

The activities of many promoters in higher eukaryotes are greatly increased by another type of cis-acting element called an enhancer. Enhancers' sequences have no promoter activity of their own yet can exert their stimulatory actions over distances of several thousand base pairs. They can be upstream, downstream, or even in the midst of a transcribed gene. Moreover, enhancers are effective when present on either DNA strand (equivalently, in either orientation). Enhancers in yeast are known as upstream activator sequences (UASs).

A particular enhancer is effective only in certain cells. For example, the immunoglobulin enhancer functions in B lymphocytes but not elsewhere. Cancer can result if the relation between genes and enhancers is disrupted. In Burkitt lymphoma and B-cell leukemia, a chromosomal translocation brings the proto-oncogene myc (a transcription factor itself) under the control of a powerful immunoglobin enhancer. The consequent dysregulation of the myc gene is believed to play a role in the progression of the cancer.

Transcription factors and other proteins that bind to regulatory sites on DNA can be regarded as passwords that cooperatively open multiple locks, giving RNA polymerase access to specific genes. The discovery of promoters and enhancers has opened the door to understanding how genes are selectively expressed in eukaryotic cells. The regulation of gene transcription, discussed in Chapter 31, is the fundamental means of controlling gene expression.

De acuerdo con el editor, se puede acceder a este libro mediante la función de búsqueda, pero no se puede navegar.


Where Does Transcription Occur in a Prokaryotic Cell

Prokaryotic cells are the primitive ones that lack a nucleus. This is the reason why the entire process of protein synthesis in such cells takes place in the cytoplasm. The transcription and translation is done alongside simultaneously. The process is nearly the same as in eukaryotes, but the only difference is the location where it takes place. The eukaryotes have a membrane bound nucleus. Hence, the ribosomes do not reach the mRNA to carry on the translation process. But in the prokaryotes, the ribosome is easily available in the cytoplasm, and hence, both the processes take place simultaneously.

Transcription process in prokaryotes can be divided into three stages – initiation, elongation, and termination. In initiation, the RNA polymerase binds to the sigma factor to form holoenzyme. This enzyme recognizes the promoter region in the DNA to form a closed complex. The RNA then starts proceeding towards the elongation stage. Thus, the RNA transcript increases in length. Then finally, in the termination stage, the RNA polymerase pauses, and the mRNA molecule is terminated from the DNA molecule.

Protein synthesis is an important function of the cell, and hence, an important part of DNA research and studies.

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