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13.11: Transkription
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13.11: Transcription

13.11: Transkription

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.

Überblick

Die Transkription ist der Prozess der RNA-Synthese aus einer DNA-Sequenz durch RNA-Polymerase. Es ist der erste Schritt zur Herstellung eines Proteins aus einer Gensequenz. Zusätzlich sind viele andere Proteine und regulatorische Sequenzen an der korrekten Synthese von Boten-RNA (mRNA) beteiligt. Die Regulation der Transkription ist für die Differenzierung aller verschiedenen Zelltypen und oft auch für die richtige zelluläre Antwort auf Umweltsignale verantwortlich.

Transkription kann verschiedene Arten von RNA-Molekülen produzieren

Bei Eukaryonten wird die DNA zunächst in eine primäre RNA, oder prä-mRNA, transkribiert. Diese wird dann zu einer fertigen mRNA weiter prozessiert, um als Vorlage für die Synthese von Proteinen zu dienen. Bei Prokaryonten, wie z.B. Bakterien, kann die Übersetzung der RNA in Polypeptide jedoch schon während der Transkription beginnen, da die RNA schnell abgebaut werden kann. Die Transkription kann auch verschiedene Arten von RNA-Molekülen produzieren, die nicht für Proteine kodieren. Beispiele sind microRNA, Transfer-RNA (tRNA) und ribosomale RNA (rRNA)die alle zur Proteinsynthese beitragen.

Die Regulierung der Transkription ist für die Entwicklung bedeutend

Mit wenigen Ausnahmen tragen alle Zellen des menschlichen Körpers die gleiche genetische Information in sich. Das reicht von den Nervenzellen im Gehirn bis zu den Muskelzellen im Herz. Wie also nehmen Zellen so unterschiedliche Formen und Funktionen an? Die Antwort liegt zu einem großen Teil in der Regulation der Transkription während der Entwicklung des Organismus. Konkret spielt die Transkriptionsregulation bei der zellulären Differenzierung eine zentrale Rolle. Das ist der Prozess der Herstellung spezialisierter Zellen, wie z.B. Muskelzellen, aus weniger spezialisierten Vorläuferzellen. Um spezialisierte Zellen zu produzieren, müssen einige Gene in den Vorläuferzellen an -und andere abgeschaltet werden.

Dieser Prozess der zellulären Differenzierung wird von DNA-bindenden Proteinen, den sogenannten Transkriptionsfaktoren, gesteuert. Sie steuern das Niveau der Transkription von Genen, die das zelluläre Schicksal bestimmen können. Zum Beispiel erhalten Zellen in der Ektoderm-Schicht des sich entwickelnden Embryos schon früh während der Entwicklung der Wirbeltiere verschiedene Induktionssignale von Proteinen wie BMP, WNT und SHH. Diese Signale aktivieren Transkriptionsfaktoren, die eine Vielzahl von Genen an -oder abschalten. Auf diese Weise bestimmt die Transkriptionsregulation, ob Ektodermzellen zu Hautzellen oder Zellen des Nervensystems werden.

Antworten auf die Umwelt erfordern oft Transkriptionsänderungen

Umgebungen sind selten über lange Zeiträume stabil. Denken Sie zum Beispiel an die Veränderungen der Temperatur, des Niederschlags und der Nahrungsverfügbarkeit, denen eine Pflanze von Tag zu Tag, manchmal auch von Stunde zu Stunde, ausgesetzt ist. Um richtig zu funktionieren, müssen einzelne Organismen auf solche Umweltveränderungen reagieren, indem sie wichtige Eigenschaften wie Wachstumsraten, Immunität oder Verhalten anpassen. Diese Anpassungen erfordern oft eine Erhöhung oder Verringerung der Transkription einer großen Anzahl von Genen. Wenn sie beispielsweise Dürrebedingungen ausgesetzt sind, passen Pflanzen wie die Arabidopsis thaliana schnell die Transkription von Hunderten von Genen an, um das Wurzelwachstum zu steigern und damit so viel Wasser wie möglich aus dem Boden schöpfen zu können.


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