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13.11: Transcription
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TRANSCRIPTION

13.11: Transcription

13.11: Transcription

Overview

Transcription is the process of synthesizing RNA from a DNA sequence by RNA polymerase. It is the first step in producing a protein from a gene sequence. Additionally, many other proteins and regulatory sequences are involved in the proper synthesis of messenger RNA (mRNA). Regulation of transcription is responsible for the differentiation of all the different types of cells and often for the proper cellular response to environmental signals.

Transcription Can Produce Different Kinds of RNA Molecules

In eukaryotes, the DNA is first transcribed into a primary RNA, or pre-mRNA, that can be further processed into a mature mRNA to serve as a template for the synthesis of proteins. In prokaryotes such as bacteria, however, translation of RNA into polypeptides can begin while the transcription is still ongoing, as RNA can be quickly degraded. Transcription can also produce different kinds RNA molecules that do not code for protein, such as microRNAs, transfer RNA (tRNA), and ribosomal RNA (rRNA)—all of which contribute to protein synthesis.

Regulation of Transcription Is Central to Development

With few exceptions, all of the cells in the human body have the same genetic information in them, from neurons in the brain to muscle cells in the heart. So how do cells assume such diverse forms and functions? To a large extent, the answer lies in the regulation of transcription during development of the organism. Specifically, transcriptional regulation plays a central role in cellular differentiation—the process of producing specialized cells, such as muscle cells, from less specialized precursor cells. To produce specialized cells, some genes must be turned on and others turned off in the precursor cells.

This process of cellular differentiation is orchestrated by DNA-binding proteins called transcription factors that control the level of transcription of genes that can determine cellular fate. For example, early during vertebrate development, cells in the ectoderm layer of the developing embryo receive several induction signals from proteins such as BMP, WNT, and SHH. These signals activate transcription factors that turn on or off a host of genes. In this way, transcriptional regulation determines whether ectoderm cells become skin cells or cells of the nervous system.

Responding to the Environment Often Requires Transcriptional Changes

Environments are rarely stable for long periods. Consider, for example, the changes in temperature, precipitation, and food availability that a plant is exposed to from day to day, and sometimes from hour to hour. In order to function properly, individual organisms must respond to such environmental changes by adjusting key traits, such as their growth rates, immunity, or behavior. These adjustments often require increasing or decreasing the level of transcription of large numbers of genes. For instance, when exposed to drought conditions, Arabidopsis thaliana plants quickly adjust the transcription of hundreds of genes in order to increase root growth and therefore scavenge as much water from the soil as possible.

Aperçu

La transcription est le processus de synthèse de l’ARN à partir d’une séquence d’ADN par l’ARN polymérase. C’est la première étape dans la production d’une protéine à partir d’une séquence de gènes. En outre, beaucoup d’autres protéines et séquences réglementaires sont impliquées dans la synthèse appropriée de l’ARN messager (ARNm). La régulation de la transcription est responsable de la différenciation de tous les différents types de cellules et souvent de la réponse cellulaire appropriée aux signaux environnementaux.

Transcription peut produire différents types de molécules d’ARN

Dans les eucaryotes, l’ADN est d’abord transcrit dans un ARN primaire, ou pré-ARNm, qui peut être transformé en arnm mature pour servir de modèle pour la synthèse des protéines. Dans les procaryotes tels que les bactéries, cependant, la traduction de l’ARN en polypeptides peut commencer pendant que la transcription est toujours en cours, comme l’ARN peut être rapidement dégradé. La transcription peut également produire différentes sortes de molécules d’ARN qui ne codent pas pour les protéines, telles que les microARN, l’ARN de transfert (ARnt t) et l’ARN ribosomal (rRNA) — qui contribuent tous à la synthèse des protéines.

La régulation de la transcription est au cœur du développement

À quelques exceptions près, toutes les cellules du corps humain ont les mêmes informations génétiques en elles, des neurones du cerveau aux cellules musculaires du cœur. Alors, comment les cellules assument-elles des formes et des fonctions aussi diverses ? Dans une large mesure, la réponse réside dans la régulation de la transcription pendant le développement de l’organisme. Plus précisément, la régulation transcriptionnelle joue un rôle central dans la différenciation cellulaire — le processus de production de cellules spécialisées, telles que les cellules musculaires, à partir de cellules précurseurs moins spécialisées. Pour produire des cellules spécialisées, certains gènes doivent être activés et d’autres éteints dans les cellules précurseurs.

Ce processus de différenciation cellulaire est orchestré par des protéines liant l’ADN appelées facteurs de transcription qui contrôlent le niveau de transcription des gènes qui peuvent déterminer le destin cellulaire. Par exemple, tôt pendant le développement des vertébrés, les cellules de la couche d’ectoderme de l’embryon en développement reçoivent plusieurs signaux d’induction de protéines telles que BMP, WNT et SHH. Ces signaux activent les facteurs de transcription qui activent ou désactivent une foule de gènes. De cette façon, la régulation transcriptionnelle détermine si les cellules ectoderm deviennent des cellules cutanées ou des cellules du système nerveux.

Répondre à l’environnement nécessite souvent des changements transcriptionnels

Les environnements sont rarement stables pendant de longues périodes. Prenons, par exemple, les changements de température, de précipitations et de disponibilité alimentaire auxquels une plante est exposée d’une heure à l’autre, et parfois d’une heure à l’autre. Pour fonctionner correctement, les organismes individuels doivent réagir à ces changements environnementaux en ajustant des traits clés, tels que leurs taux de croissance, leur immunité ou leur comportement. Ces ajustements nécessitent souvent d’augmenter ou de diminuer le niveau de transcription d’un grand nombre de gènes. Par exemple, lorsqu’elles sont exposées à des conditions de sécheresse, les plantes arabidopsis thaliana ajustent rapidement la transcription de centaines de gènes afin d’augmenter la croissance des racines et donc de récupérer autant d’eau que possible du sol.


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