سنتز RNA را از روی یکی از رشته‌های DNA ، نسخه‌برداری می‌گویند.

مقدمه

از اولین سوالهایی که درباره رونویسی مطرح شد این بود که RNA از روی یکی از رشته‌های DNA ساخته می‌شود یا از هر دو. از آغاویژگی راه اندازهای RNA پلیمراز III این است که موقعیت بسیاری از اینها درون ژنی است. یعنی فرودست نقطه آغاز رونویسی است.

پایان رونویسی در سیستم‌های یوکاریوتی

در سیستم‌های یوکاریوتی چگونگی پایان رونویسی به خوبی شناخته نشده است به نظر می‌رسد که مانند سیستم‌های پروکاریوتی به وجود ساختاری ویژه یا ردیف U هر دو در انتهای RNA برای پایان رونویسی لازم باشد. علاوه بر این پس از پایان رونویسی با RNA پلیمراز RNA و I پلیمراز II ممکن است در اثر برش ، بیش از هزار نوکلئوتید از انتهای 3رونوشت اولیه برداشته شود. رونوشت اولیه که RNA اولیه خوانده می‌شود. محصول مستقیم رونویسی است. بنابراین جایگاه پایان رونویسی این آنزیمها می‌تواند بیش از هزار نوکلئوتید فرودست جایگاه رمز‌گردان انتهایRNA 3‌های بالغ باشد.

جالب است که توالی شامل 100 تا 200 ریبونوکلئوتید آدنین دار (ra) در انتهای RNA 3‌های محصول RNA پلیمراز II یافت می‌شود این توالی که دم پلی A نامیده شده است از روی الگو در DNA ساخته نمی‌شود. آنزیم پلی A پلیمراز بدون استفاده از الگو ، نوکلئوتیدهای این توالی را به انتهای 3 که از برش رونوشت‌های اولیه حاصل شده است می‌افزاید.

رونویسی در پروکاریوتها

دید کلی

سنتز یک مولکول RNA به صورت رونوشتی از یک مولکول DNA روند بسیار پیچیده‌ای است که در آن آنزیم RNA پلیمراز و تعدادی پروتئینهای دیگر شرکت می‌نمایند. رونویسی از DNA شامل مراحل آغاز ، طویل شدن و پایان می‌باشد مراحل سنتز مولکول RNA در پروکاریوتها در مقایسه با نحوه سنتز در پستانداران بسیار متفاوت است. برای مثال ، مولکول RNA در پروکاریوتها با همان ساختمان اولیه خود قابل ترجمه می‌باشد در حالی که در پستانداران ، رونوشت اولیه RNA مولکول پیش سازی است که برای تولید mRNA تکامل یافته و فعال بکار می‌رود.

ساختمان RNA پلیمراز

RNA پلیمراز موجود در سلولهای پروکاریوتها دارای ساختمان پیچیده‌ای است. در باکتری کلی‌باسیل RNA پلیمراز شامل یک هسته مولکولی است که از چهار زیر واحد پلی‌پپتید تشکیل یافته است، دو زیر واحد آلفا کاملا یکسان و دو زیر واحد دیگر بتا و بتاپریم (β و́β) از نظر اندازه یکسان ولی از نظر ساختمانی تفاوتهایی دارند. این هسته چهار پلی‌پپتیدی همراه با یک فاکتور پروتئینی دیگر یعنی فاکتور سیگما یک مولکول آنزیم کامل را (هولوآنزیم) را می‌سازند. فاکتور سیگما نقش اساسی را در شناسایی نقطه آغاز سنتز RNA به عهده دارد.

سنتز RNA

RNA پلیمراز قادر است در حضور DNA و چهار نوع نوکلئوزید تری فسفات یعنی CTP,GTP,UTP,ATP سنتز RNA را انجام دهد. این آنزیم در کلیه سلولها یافت می‌شود. در سنتز RNA یکی از رشته‌های مارپیچ دوتایی DNA به صورت قالب بکار گرفته می‌شود و از همین رو سنتز RNA از DNA را رونویسی می‌نامند و بنابراین ردیف ریبونوکلئوتیدها در مولکول RNA مکمل ردیف دزاکسی ریبونوکلئوتیدهای یکی از رشته‌های DNA می‌باشد. رشته‌ای از DNA را که از آن رونویسی انجام می‌پذیرد رشته کد دهنده ژن و رشته مقابل آن را رشته غیر کد دهنده می‌نامند.

علایم رونویسی در پروکاریوتها

علامت آغاز

در آغاز رونویسی فاکتور سیگما ردیف خاصی از ژن به نام ردیف پیش‌بر یا پروموتور را شناسایی می‌کند، ردیف پیش‌بر محل اتصال RNA پلیمراز است. جایگاه پیش‌بر خود از دو ردیف کوچکتری تشکیل یافته که توالی نوکلئوتیدهای آنها در تمام پیش‌برهای ژنهای گونه‌های مختلف یکسان می‌باشد، به بیانی دیگر از اینها ردیفهایی محافظت شده و ثابت می‌باشند.

یکی از این ردیفها که به فاصله 35 جفت باز قبل از نقطه آغاز رونویسی قرار گرفته شامل 8 جفت نوکلئوتید (TGTTGACA) و ردیف دیگر که تقریبا به فاصله 10 جفت باز قبل از نقطه آغاز قرار گرفته شامل 6 جفت نوکلئوتید (TATAAT) می‌باشد. ردیف (TATA) جدا شدن دو رشته DNA از یکدیگر را تسهیل می‌نماید تا RNA پلیمراز از جایگاه پیش‌بر اتصال یافته بتواند به ردیفهای نوکلئوتیدی رشته کد دهنده که بلافاصله بعد آن قرار گرفته‌اند دسترسی یابد.

علامت پایان

در پایان رونویسی ، آنزیم RNA پلیمراز ردیف خاصی از DNA را به کمک فاکتور پروتئینی رو تشخیص داده و رونویسی را خاتمه می‌دهد. علامت پایان رونویسی در پروکاریوتها از یک ردیف نوکلئوتیدی به طول تقریبی 40 جفت باز تشکیل شده، این ردیف نیز دارای ساختمان نوکلئوتیدی مشخص بوده و در بین گونه‌های مختلف پروکاریوتها محافظت شده و ثابت باقی مانده است. ردیف نوکلئوتیدی نقطه پایان شامل تعدادی توالیهای تکراری و معکوسی می‌باشد و به دنبال آنها نیز یک ردیف تکراری از جفت بازهای آدنین و تیمین وجود دارد.

هنگامی که رونویسی به جایگاه علامت پایان می‌رسد توالیهای تکراری و معکوس با یکدیگر جفت شده و موجب می‌شود که RNA سنتز شده یک ساختمان ثانوی همانند سنجاق سر را بدست آورد و رونویسی در محل ردیفهای تکراری AT ادامه می‌یابد تا سرانجام عمل آنزیم RNA پلیمراز به کمک فاکتور پروتئین رو متوقف گردیده و آنزیم و رونوشت اولیه تواما آزاد گردند.

مراحل تکامل یافتن مولکولهای RNA

در پروکاریوتها رونوشت اولیه mRNA بدون اینکه نیازی به تکامل ساختمانی داشته باشد و حتی قبل از آنکه رونویسی آن پایان یافته باشد به صورت قالبی برای ترجمه شدن شدن و نهایتا سنتز پروتئینها بکار گرفته می‌شود، به بیانی دیگر در پروکاریوتها مراحل رونویسی و ترجمه mRNA توام شده‌اند.

ترجمه

ترجمه روندی است که در آن از اطلاعات رمز شده در RNA برای ساختن پروتیئنها استفاده می‌شود.

مقدمه

پروتئینها از اتصال اسیدهای آمینه به یکدیگر از طریق پیوند پپتیدی بدست می‌آیند. تشکیل پیوند پپتیدی و قرار گرفتن ترتیب اسیدهای آمینه که برای هر پروتئین اختصاصی است، به سادگی امکان پذیر نیست. به همین دلیل می‌بایست در یاخته مکانیسم ویژه‌ای وجود داشته باشد که بتواند ویژگی پروتئینها را حفظ کند. بیوسنتز پروتئینها در واقع ترجمه ترتیب نوکلئوتیدی اسید نوکلئیک DNA در مولکول پروتئین است. انتقال اطلاعات از DNA به مولکول پروتئین بوسیله RNAها ، بویژه mRNA امکانپذیر است. بدین ترتیب برای هر پروتئین ، mRNA اختصاصی آن پروتئین وجود دارد.

به عبارت دیگر هر پروتئین در روی DNA ، ژن اختصاصی دارد که اطلاعات آن ژن در mRNA رونویسی و در مولکول ترجمه می‌شود. در بیوسنتز پروتئینهایی که در ساختارشان بیش از چند اسید آمینه دارند، وجود یک مکانیسم سنتزی که در آن ترکیبات و عوامل بسیاری دخالت می‌کنند، الزامی است. این مکانیسم به یک سیستم رمز یاب نیاز دارد که بطور خودکار واحد اسید آمینه معینی را در موقعیت ویژه‌ای از زنجیره پروتئینی قرار می‌دهد.

ترکیبات شرکت کننده در سنتز

RNA پیک (mRNA)

این RNA اطلاعات مربوط به پروتئین ویژه‌ای را از مولکول DNA می‌گیرد و به ماشین سنتز کننده پروتئین انتقال می‌دهد. در ترتیب نوکلئوتیدهای mRNA هر سه نوکلئوتید مجاور بیانگر رمز (کدون) اسید آمینه مشخص هستند و به همین جهت ترتیب نوکلئوتیدها در mRNA بیان کننده ترتیب اسیدهای آمینه در پروتئین است. هر اسید آمینه رمز مشخصی دارد. متیونین و تریپتوفان فقط یک رمز دارند، در حالیکه سایر اسیدهای آمینه واجد دو یا تعداد بیشتری رمز هستند.

رمز میتونین همیشه AUG است که آغاز سنتز را در همه پروتئینها به عهده دارد. در یاخته‌های پروکاریوت و یوکاریوت ، در هر دو پروتئین سازی با میتونین آغاز می‌شود. پروتئینهایی که نخستین اسید آمینه آنها میتونین نیست، پس از آغاز میتونین آغازین از مولکول برداشته می‌شود. سه رمز UGA و UAA و UAG برای پروتئین رمز خوانی نمی‌کنند، بلکه رمزهایی هستند که پایان سنتز زنجیره پروتئین را بیان می‌کنند.

RNA ناقل (tRNA)

tRNA ساختار سوم از نوع L دارد که در آن دو ناحیه پذیرنده و آنتی کدون آزادند و بقیه مولکول تاب خورده است. آنتی کدون (پاد رمز) شامل سه نوکلئوتید است که مکمل رمز ویژه‌ای از mRNA است. tRNA از ناحیه پذیرنده یک اسید آمینه اختصاصی را به خود متصل می‌کند. آنزیم اختصاصی به نام آمینو اسیل- tRNA- سنتتاز این عمل را انجام می‌دهد. در نتیجه برای هر اسید آمینه دست کم یک tRNA اختصاصی وجود دارد. ولی برخی از اسیدهای آمینه بیش از یک نوع tRNA دارند.

ریبوزومها

ریبوزمها که از اتصال RNA ریبوزومی با تعدادی پروتئین شکل می‌گیرند، شامل دو زیر واحد هستند که از نظر اندازه و نوع پروتئینها در یوکاریوتها متفاوت هستند. دو زیر واحد در حالت عادی از یکدیگر جدا بوده و در یاخته پراکنده‌اند. در حالی که با آغاز سنتز پروتئین ، دو زیر واحد به هم متصل شده و یک مجموعه را تشکیل می‌دهند. در روی ریبوزومها (هر دو زیر واحد) در جایگاه وجود دارد. جایگاه آمینو اسیل که با A نمایش داده می‌شود و جایگاه پپتیدیل که با P مشخص می‌شود. هنگامی که دو زیر واحد به هم متصل می‌شوند، جایگاهها به نحوی قرار می‌گیرند که کاملا بر همدیگر منطبق باشند.

آنزیم پپتیدیل ترانسفراز یا پپتید سنتتاز

اتصال دو اسید آمینه به یکدیگر یا تشکیل پیوند پتیدی را کاتالیز می‌کند.

عوامل آغازگر

این عوامل دراز کننده و پایان دهنده یا آزاد کننده زنجیره هستند.

انرژی لازم

انرژی لازم در واکنشها بوسیله GTP تامین می‌شود.

مراحل سنتز پروتئین(مراحل سنتز در پروکاریوتها)

آغاز سنتز

عواملی که در آغاز سنتز زنجیره پروتئین شرکت دارند، عوامل آغازگر خوانده شده و با علامت اختصاصی IF نشان داده می‌شوند. تا کنون سه نوع آغازگر IF1 , IF2 , IF3 شناسایی و مطالعه شده‌اند. رمز آغازگر سنتز در روی mRNA همیشه مربوط به اسید آمینه متیونین بوده و در پروکاریوتها این اسید آمینه حالت فرمیل دار متیونین است. رمز متیونین و یا فرمیل متیونین سه نوکلئوتید AUG است. در مرحله اول ، عامل IF3 به زیر واحد کوچک ریبوزوم متصل می‌گردد.

سپس mRNA در روی آن طوری قرار می‌گیرد که رمز AUG در جایگاه P ریبوزوم واقع شود. پس از استقرار mRNA در جایگاه خود IF3 آزاد می‌گردد. در مرحله بعد عامل IF2 , GTP به tRNA فرمیل متیونین (fMet) متصل شده و مجموعا بر روی زیر واحد کوچک ریبوزوم که حامل mRNA نیز هست، انتقال می‌یابد. در این حالت زیر واحد بزرگ ریبوزوم به مجموعه فوق به نحوی متصل می‌شود که جایگاه P و A دو زیر واحد به یکدیگر منطبق شوند.

دراز شدن زنجیره

مرحله‌ای است که طی آن اسیدهای آمینه تشکیل دهنده زنجیره پروتئین مورد نظر ، یکی یکی با سوار شدن بر روی tRNA ویژه خود ، بر روی ریبوزوم انتقال می‌یابند و بین آن پیوند پپتیدی ایجاد می‌شود. در این فرآیند عوامل دراز کننده زنجیره شرکت دارند که با EFG و EFT نشان داده می‌شوند. ابتدا اسید آمینه دوم بر روی tRNA خود سوار می‌شود و عوامل GTP و EFG را به خود متصل می‌کند و مجموعه حاصل به جایگاه A ریبوزوم منتقل می‌شود. پس از اینکه tRNA کاملا در محل خود ثابت شد، EFT آزاد می‌شود و GTP به GDP و Pi تبدیل می‌گردد.

در مرحله بعد بین دو اسید آمینه که یکی در جایگاه P و دیگری در جایگاه A قرار دارد، پیوند پپتیدی تشکیل می‌شود. این عمل بوسیله آنزیم پپتیدیل ترانسفراز یا پپتیدیل سنتتاز کاتالیز می‌گردد. در این حالت حرکت ریبوزوم در روی mRNA در جهت 5--->3 به اندازه یک رمز ، موجب می‌شود که tRNA موجود در جایگاه p (که اسید آمینه خود را رها کرده) و tRNA پپتیدیل (که اسید آمینه را بر روی خود حمل می‌کند) از جایگاه A به P انتقال ‌یابد. این مرحله جابجایی نامیده می‌شود و انجام آن به عامل EFG نیاز دارد. جایگاه A که اکنون خالی شده ، برای پذیرش اسید آمینه سوم آماده می‌شود. اتصال واحدهای اسید آمینه به همین ترتیب پیش می‌رود تا اینکه ریبوزوم به انتهای رمز مربوط در روی mRNA برسد.

پایان سنتز زنجیره

پایان سنتز زنجیره پروتئین هنگامی است که ریبوزوم به رمزهای انتهایی روی زنجیره mRNA می‌رسد. در روی mRNA سه رمز پایانی UGA , UAG , UAA وجود دارند، که پایان سنتز زنجیره را اعلام می‌کنند. عواملی که در این مرحله شرکت دارند به نام عوامل آزاد کننده R3 و R2 و R1 معروف هستند. اتصال این عوامل به رمزهای پایانی مربوطه ، باعث می‌شود که آنزیم پپتیدیل سننتاز به جای اینکه پیوند پپتیدی ایجاد کند، مولکول آب را به انتهای زنجیره انتقال دهد. در نتیجه مولکول پروتئین تازه سنتز شده در انتها به عامل COOH پایان می‌یابد و زنجیره آزاد می‌گردد و بلافاصله mRNA و سایر عوامل آزاد شده و دو زیر واحد ریبوزومها نیز از یکدیگر جدا می‌شوند. برای سنتز یک مولکول mRNA چندین ریبوزوم همزمان روی رشته قرار می‌گیرند و در پروتئین سازی شرکت می‌کنند.

ز پژوهشگران متوجه بودند که اگر RNA از روی هر دو رشته DNA ساخته می‌شد. RNA‌های حاصل یکسان نبودند بلکه مکمل یکدیگر می‌بودند و احتمالا توالی‌های متفاوتی از اسیدهای آمینه را رمز می‌کردند، اما بررسی‌های ژنتیک و زیست شیمیایی تا آن زمان آنان را به فرضیه یک ژن - یک پلی‌پپتید ساخته می‌شود

پژوهشگران در این بررسی مجددا به سیستم‌های ویروسی رو آوردند و باکتریهایی را با ویروس آلوده کردند ودر محیط حاوی یوراسیل رادیواکتیو کشت دادند و سپس RNA ی ویروسی را از این سلولها جدا کردند. RNA نشاندار شده را در مجاورت ژنوم واسرشت شده ویروسی یعنی دو رشته جدا شده DNA قرار دادند. معلوم شد که این RNA فقط با یکی از دو رشته DNA پیوندهای هیدروژنی تشکیل می‌دهد. یعنی دو رگه می‌شود این می‌رساند که توالی نوکلئوتیدهای RNA ، مکمل توالی نوکلئوتید‌ها در تنها یکی از رشته‌های DNA بوده است.

رونویسی در سیستم‌های یوکاریوتی

بطور کلی دستگاه رونویسی یوکاریوتی پیچیده‌تر از دستگاه پروکاریوتی است سلولهای یوکاریوتی برخلاف سلولهای پروکاریوتی که تنها یک نوع آنزیم RNA پلیمراز دارند دارای سه نوع آنزیم‌اند که RNA پلیمراز I ، پلیمراز II و RNA پلیمراز III نامیده می‌شوند. هر یک از این آنزیمها قدری بزرگتر از آنزیم پروکاریوتی و از بیش از ده زیر واحد تشکیل شده شباهت توالی نوکلئوتیدها در ژنهای رمزگردان برخی از زیرواحدها نشان می‌دهد که این زیرواحدها با یکدیگر و حتی با زیرواحدهای آنزیم پروکاریوتی ریشه تکاملی مشترکی دارند.

RNA پلیمرازهای یوکاریوتی

RNA پلیمراز I فقط ژنهای RNA ریبوزومی (rRNA) را رونویسی می‌کند. RNA پلیمراز II پیش‌سازهای RNA های پیک که رمزگردان پروتئین‌ها هستند و نیز برخی RNA‌های کوچک را رونویسی می‌کند نکته مهم در فعالیت آنزیم‌های یوکاریوتی این است که بر خلاف آنزیم پروکاریوتی هیچ یک نمی‌تواند مستقیما راه‌انداز خود راشناسایی و RNA سازی را شروع کند. هر یک از پلیمرازها برای اتصال به راه‌‌انداز به پروتئین‌های ویژه‌ای که جمعا عوامل عمومی رونویسی نامیده می‌شوند، احتیاج دارند.

راه‌‌اندازها

یک تعریف برای راه‌‌انداز این است که راه‌‌انداز قسمتی از ژن است که امکان شروع ساختن RNA مربوط به آن ژن یا رونوشت آن ژن را در جایگاه صحیح فراهم می‌سازد.

راه‌انداز‌های یوکاریوتی

راه‌انداز‌های سه آنزیم RNA پلیمراز با یکدیگر متفاوت‌اند. RNA پلیمراز I فقط راه‌انداز ژن رمز‌گردان rRNA را شناسایی می‌کند. راه‌انداز ژنهایی که با RNA پلیمراز II رونویسی می‌شوند، بسیار متفاوت‌اند. توالی مملو از A/T معروف به جعبه TATA (تاتا) خوانده می‌شود، فرادست بسیاری از ژنهای این دسته قرار دارد. توالی مورد توافق جعبه TATA شبیه به جعبه 10- ژنهای پروکاریوتی است. مشخصترین