RNA-Transkription: Prozess, Phasen und Regulation

RNA-Transkription: Grundlagen und Ablauf

Die RNA-Transkription ist ein fundamentaler Prozess der Genexpression, der im Zellkern (bei Eukaryoten) oder im Zytoplasma (bei Prokaryoten) stattfindet. Sie erfordert einen DNA-Strang, der als Vorlage dient. Von den beiden Nukleotidketten, aus denen ein Gen besteht, wird nur eine als Matrizenstrang (oder Vorlagenstrang) transkribiert, während die andere als kodierender Strang bezeichnet wird und nicht direkt transkribiert wird.

Der gesamte Prozess wird durch RNA-Polymerasen katalysiert. In Prokaryoten existiert in der Regel nur eine Art von RNA-Polymerase, während es in Eukaryoten drei Haupttypen gibt:

• RNA-Polymerase I: Beteiligt an der Bildung von ribosomaler RNA (rRNA).
• RNA-Polymerase II: Verantwortlich für die Synthese aller Boten-RNAs (mRNAs) und einiger kleiner RNAs.
• RNA-Polymerase III: Synthetisiert Transfer-RNAs (tRNAs) und kleine ribosomale RNAs (5S rRNA).

Die Bausteine der RNA-Synthese sind Ribonukleotid-Triphosphate (ATP, GTP, CTP, UTP). Diese werden durch eine Phosphodiesterbindung miteinander verbunden. Diese Bindung entsteht zwischen der Phosphorsäuregruppe am 5'-Ende eines Ribonukleotids und der Hydroxylgruppe am 3'-Ende des vorhergehenden Ribonukleotids, wodurch die wachsende RNA-Kette gebildet wird.

Die Transkription besteht aus drei Hauptphasen, gefolgt von einer möglichen Reifung der RNA:

• Initiation
• Elongation
• Termination

Initiation der RNA-Transkription

In der Initiationsphase erkennt die RNA-Polymerase ein spezifisches Startsignal auf der DNA, das den Beginn des Transkriptionsprozesses markiert. Diese Signale, sogenannte Promotorregionen, sind spezifische kurze Sequenzen von Nukleotiden, an die die RNA-Polymerase bindet. Der Promotor gibt nicht nur den Startpunkt an, sondern auch, welcher der beiden DNA-Stränge als Matrizenstrang verwendet wird.

Die RNA-Polymerase öffnet die DNA-Doppelhelix lokal, wodurch eine sogenannte Transkriptionsblase entsteht. Dies legt die Basensequenz des Matrizenstrangs frei, sodass komplementäre Ribonukleotide angefügt werden können.

Elongation der RNA-Transkription

Die Elongationsphase ist die sukzessive Addition von Ribonukleotiden zur Bildung der RNA-Kette. Die RNA-Polymerase bewegt sich entlang des DNA-Matrizenstrangs und liest ihn in 3'-5'-Richtung ab. Die RNA-Synthese erfolgt dabei in 5'-3'-Richtung, wobei die neu synthetisierte RNA-Kette antiparallel zum Matrizenstrang verläuft.

Das Enzym wählt das komplementäre Ribonukleotid-Triphosphat zur jeweiligen Base des DNA-Matrizenstrangs aus (z.B. U zu A, A zu T, G zu C, C zu G) und fügt es durch eine Phosphodiesterbindung an das wachsende RNA-Molekül an, wobei eine Pyrophosphatgruppe abgespalten wird.

Besonderheit in Eukaryoten: 5'-Kappe

In Eukaryoten wird nach der Synthese von etwa 30 Ribonukleotiden am 5'-Ende der RNA eine 5'-Kappe (Cap) aus methyliertem Guanosin-Triphosphat gebildet. Diese Kappe dient als wichtiges Erkennungssignal für die Translation (Proteinsynthese) und schützt die mRNA vor enzymatischem Abbau.

Termination der RNA-Transkription

Die Terminationsphase beginnt, wenn die RNA-Polymerase ein spezifisches Terminationssignal auf der DNA erkennt, das das Ende der Transkription anzeigt. Dies führt zur Schließung der Transkriptionsblase und zur Trennung der neu synthetisierten RNA von der DNA sowie zur Ablösung der RNA-Polymerase.

Termination in Prokaryoten

In Prokaryoten ist das Terminationssignal oft eine palindromische Basensequenz, die reich an Guanin (G) und Cytosin (C) ist, gefolgt von mehreren Adenin (A)-Basen auf dem Matrizenstrang (was zu Uracil (U)-Basen in der RNA führt). Diese Sequenz führt zur Bildung einer stabilen Haarnadelschleife in der neu synthetisierten RNA. Die Bildung dieser Schleife destabilisiert die Bindung zwischen der RNA-Polymerase, der DNA und der RNA, was die Freisetzung der RNA begünstigt.

Termination in Eukaryoten

In Eukaryoten transkribiert die RNA-Polymerase II oft längere DNA-Regionen, die über die eigentliche kodierende Sequenz des Proteins hinausgehen. Die eigentliche Termination ist komplexer und beinhaltet oft einen Schnitt der prä-mRNA.

Der Schnitt erfolgt an einer spezifischen Signalsequenz, dem Polyadenylierungssignal (z.B. AAUAAA), das auf der RNA vor der Schnittstelle erscheint. Nach dem Schnitt fügt ein Enzym, die Poly-A-Polymerase, an das 3'-Ende der RNA eine Sequenz von etwa 200 Adenin-Nukleotiden an, den sogenannten Poly-A-Schwanz. Dieser Poly-A-Schwanz ist entscheidend für die Stabilität der mRNA, ihren Transport aus dem Zellkern ins Zytoplasma und ihre Effizienz bei der Translation. Das restliche, nicht gekappte Transkript wird abgebaut.