Transkription (Biologie)

Bedeutung und Grundprinzip

Transkription ist in der Genetik die Synthese von RNA anhand einer DNA als Vorlage. Sie ist zusammen mit der Translation ein wesentlicher Teilprozess der Genexpression, also der Nutzung der in Genen gespeicherten Information. Bei Eukaryoten findet sie im Zellkern statt; die gebildete mRNA wird anschließend an Ribosomen für den Aufbau von Proteinen verwendet.

Beim Ablesen eines Gens dient ein bestimmter DNA-Abschnitt als Matrize (Vorlage, auch template). Seine Basensequenz wird in die Basensequenz eines neuen RNA-Moleküls übertragen. Dabei werden die DNA-Basen A, T, G und C komplementär in RNA-Basen U, A, C und G umgesetzt. RNA enthält Uracil statt Thymin und Ribose statt Desoxyribose.

Wichtige RNA-Gruppen für die Proteinbiosynthese sind mRNA (messenger RNA), tRNA (transfer RNA) und rRNA (ribosomale RNA). Der grundsätzliche Ablauf ist bei Eukaryoten und Prokaryoten gleich, doch Steuerung, Ort und Weiterverarbeitung unterscheiden sich: Prokaryoten regulieren über einen Operator und transkribieren im Cytoplasma; bei Eukaryoten können Enhancer oder Silencer vor oder nach dem Promotor die Regulation beeinflussen.

Start und Aufbau des RNA-Strangs

Die Transkription einer mRNA beginnt, wenn die RNA-Polymerase an den Promotor eines Gens gebunden hat. Generelle Transkriptionsfaktoren (TF) vermitteln diese Bindung, erhöhen ihre Wahrscheinlichkeit und bringen die DNA-Vorlage zum katalytischen Zentrum der Polymerase. Zusammen bilden sie den RNA-Polymerase-Präinitiationskomplex.

Der Faktor TFIIH trennt mit seiner Helikase-Aktivität die DNA-Doppelhelix lokal auf. Dadurch liegen an einem DNA-Strang etwa 10–20 Basen für die Paarung frei. TFIIH phosphoryliert danach die carboxyterminale Domäne (CTD) der RNA-Polymerase II; diese kann nun die Elongation beginnen.

Am codogenen Strang, dem Matrizen- oder Antisense-Strang, lagern sich Ribonukleotide mit komplementären Basen an. Aus Nukleosidtriphosphaten werden sie unter Abspaltung von Pyrophosphat durch Esterbindungen zwischen Phosphat und Ribose verknüpft. Mit den ersten zwei gebundenen Ribonukleotiden beginnt die RNA-Strangbildung. Die RNA-Polymerase benötigt keinen Primer. Bei eukaryotischer mRNA wird bereits bei einem nur wenige Nukleotide langen Transkript am 5’-Ende eine schützende Cap-Struktur angefügt, die später auch den Export aus dem Zellkern signalisiert.

Richtung und Beendigung

Die Polymerase liest den DNA-Matrizenstrang in Richtung 3’ nach 5’. Der dazu komplementäre RNA-Strang wird daher in Richtung 5’ nach 3’ aufgebaut.

Am Terminator endet die Transkription: Das mRNA-Transkript wird freigesetzt und die Polymerase löst sich von der DNA. Bei Eukaryoten erkennt die RNA-Polymerase das Genende nicht selbst. Hilfsfaktoren erkennen die Polyadenylierungsstelle 5’-AAUAAA-3’, schneiden die RNA und leiten die Polyadenylierung ein, während die Polymerase zunächst weiterarbeitet.

Nach dem Torpedo-Modell der Transkriptions-Termination baut die Exonuklease Xrn2 das weiter wachsende, nicht mehr benötigte RNA-Ende schneller ab, als die Polymerase es verlängert. Sobald Xrn2 die Transkriptionsstelle erreicht, löst sich die Polymerase von der DNA. Weitere Proteinkomplexe scheinen ebenfalls für die Termination wichtig zu sein.

Reifung und Nutzung der mRNA

Bei Prokaryoten gelangt die mRNA nach dem Kopiervorgang direkt zu den Ribosomen, weil kein Zellkern als abgeteiltes Kompartiment vorhanden ist. Ribosomen können sich bereits an die noch entstehende mRNA anlagern und mit der Translation beginnen, bevor die Transkription abgeschlossen ist; dies wird Poly-Ribosom-Complex genannt.

Bei Eukaryoten bleibt das primäre RNA-Transkript zunächst im Zellkern. Diese unreife RNA heißt prä-mRNA oder hnRNA (heterogene nucleäre RNA). Sie wird durch Spleißen (Splicing) und durch Polyadenylierung am 3’-Ende, das Tailing, prozessiert. Alternatives Splicing ermöglicht, dass aus demselben DNA-Abschnitt unterschiedliche mRNA-Moleküle entstehen. Erst die gereifte mRNA verlässt den Zellkern durch eine Kernpore, gelangt ins Zytoplasma und kann dort mit Ribosomen wechselwirken.

tRNA, rRNA sowie Transkription bei Archaeen und Bakterien

Bei Eukaryoten werden tRNA, 5S rRNA und 7SL-RNA durch RNA-Polymerase III synthetisiert. RNA-Polymerase I bildet rRNA und teilweise auch sn-RNA (small-nuclear RNA). Beide Polymerasen arbeiten etwas anders als die für mRNA zuständige RNA-Polymerase II und ähneln eher den Polymerasen der Prokaryoten.

Archaeen besitzen in Promotoren häufig eine TATA-Box als Konsensussequenz. Dort binden die Initiationsfaktoren TBP und TFB; anschließend bindet eine RNA-Polymerase mit zwölf Untereinheiten, die ortholog zur eukaryotischen RNA-Polymerase II ist. Introns und ihr Spleißen kommen bei archaeeller tRNA und rRNA nicht selten vor, in proteincodierender pre-mRNA dagegen nur ausnahmsweise.

Bakterien haben nur eine RNA-Polymerase. Ihr Core- oder Minimal-Enzym besteht aus 2× α, β und β’ und katalysiert die Transkription, kann sie aber nicht initiieren. Mit der Sigma-Untereinheit entsteht das Holo-Enzym (2× α, β, β’, σ), das den Promotor und dessen Pribnow-Box auffinden kann. Sigma bindet am Promotor des Nicht-Matrizenstrangs, trennt Wasserstoffbrücken zwischen Basenpaaren und besitzt Helicasefunktion. β und β’ binden DNA-Matrize und wachsende RNA; α stabilisiert die Struktur und beteiligt sich an Promotorbindung sowie regulatorischen Wechselwirkungen. Mehrere Sigma-Untereinheiten erkennen verschiedene Gengruppen; besonders verbreitet ist σ70. Die nicht zwingend notwendige ω-Untereinheit stabilisiert die Struktur.

Sonderfälle mit RNA als Vorlage

Reverse Transkriptasen, auch RNA-abhängige DNA-Polymerasen (RdDP), erzeugen DNA aus einer RNA-Vorlage. Diese reverse Transkription wird von Retroviren und Pararetroviren genutzt. Auch die Telomerase eukaryotischer Zellen enthält eine solche Funktion, weil sie DNA-Telomere nach einer RNA-Vorlage erstellt.

RNA-Viren mit RNA-Genom bilden ihre mRNA mithilfe einer RNA-abhängigen RNA-Polymerase (RdRP). Dieser Vorgang wird manchmal als Transkription bezeichnet. Streng genommen entsteht dabei jedoch nur eine komplementäre Kopie und keine Umsetzung.