שעתוק (ביולוגיה)

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

שעתוק (או תעתוק; באנגלית: Transcription, לעתים בתעתיק לעברית: טרנסקריפציה) הוא תהליך בביולוגיה של התא שבו מולקולת RNA מיוצרת לפי תבנית של מולקולת DNA.

תהליך השעתוק, המתרחש בתאיהם של כל הייצורים החיים,הינו שלב הביניים המקשר בין תבנית ה-DNA ובין החלבונים הבונים את התא. השעתוק הוא שלב מקדים לתהליך התרגום, שבו ה-RNA משמש כתבנית ליצירת חלבון. השעתוק מתבצע על ידי האנזים RNA פולימראז.

תוכן עניינים 1 הבדלים בשעתוק בין פרוקריוטים לבין איקריוטים 2 תיאור כללי של התהליך 2.1 אתחול 2.2 התארכות 2.3 סיום 3 בקרה ועיבוד 4 שעתוק והמחקר הביולוגי 4.1 רצף קונצנזוס

[עריכה] הבדלים בשעתוק בין פרוקריוטים לבין איקריוטים

• בפרוקריוטים חסרי הגרעין, התהליך כולו מתרחש בציטופלזמה. באיקריוטים מתרחש התהליך בגרעין התא; לאחר סיום השעתוק ומספר פעולות עריכה (כגון שחבור), ה-RNA שליח הסופי יוצא מהגרעין לציטופלזמה, שם מתרחש תהליך התרגום. היתרון בהפרדה זו באיקריוטים הוא שקיימת אפשרות לביצוע בקרה נוספת באמצעות סלקטיביות משתנה של מעטפת הגרעין.
• השלכה נוספת של הפרדת התהליכים באיקריוטים היא שבפרוקריוטיים יכול תהליך התרגום להתחיל בטרם מסתיים השעתוק. הריבוזומים, האחראיים לתהליך התרגום, נצמדים לגדיל ה-mRNA הנוצר בטרם ניתק הגדיל מה-DNA. דבר זה אינו אפשרי באיקריוטיים בשל הפרדת התהליכים (הריבוזומים מצויים בציטופלזמה והשעתוק מתבצע בגרעין).
• באיקריוטים התהליך כולו מורכב יותר וקיימים יותר גורמי שעתוק שמעורבים בכל שלביו.
• בפרוקריוטים קיים אנזים RNA פולימראז בודד; באיקריוטיים מוכרים שלושה אנזימים שונים: האחד משעתק גנים המקודדים לחלבון (RNA פולימראז II), השני משעתק גנים המקודדים ל-rRNA והשלישי—גנים המקודדים ל-tRNA. ההפרדה בין האנזימים מבטיחה אספקת כמויות גדולות של שני סוגי ה-RNA האחרונים,להם זקוק התא האיקריוטי.
• באיקריוטים משועתק בכל עת גן בודד; כל גדיל mRNA שנוצר מקביל כמעט תמיד לגן בודד; גדיל כזה מכונה מונוציסטרוני. בפרוקריוטים משועתקים במקרים רבים קבוצות של גנים הצמודים זה לזה.גדיל ה-mRNA הנוצר הוא פוליציסטרוני. לעתים קשורים הגנים בתפקודם ובאופן הבקרה שלהם זה לזה, אזי הם אופרון.

[עריכה] תיאור כללי של התהליך

בתהליך השעתוק, מולקולת RNA חדשה מסונתזת על גבי תבנית של מולקולת DNA קיימת. בדומה לתהליך שכפול ה-DNA, הגדיל החדש נוצר על פי עקרון זיווג הבסיסים, שבו אדנין נקשר לתימין וגואנין נקשר לציטוזין. כך נוצר רצף של נוקלאוטידים שהוא גדיל ה-RNA; כל נוקלאוטיד ב-RNA מזווג לנוקלאוטיד ב-DNA, לפי הרצף (לבסיסי אדנין ב-DNA נקשר הבסיס אורציל, המחליף את התימין ב-RNA). הרצף של ה-RNA, אם כן, הינו רצף משלים לרצף תבנית ה-DNA שלפיה נוצר.

ה-DNA מורכב מגדיל כפול. בתחילת השעתוק נפרם הגדיל הכפול ורק אחד הגדילים משמש תבנית ליצירת ה-RNA. גדיל זה קרוי גדיל התבנית; הגדיל השני, שאינו משועתק, קרוי הגדיל המקודד (שכן הרצף שלו זהה לרצף ה-RNA, מלבד העובדה שהוא מכיל תימין במקום אורציל). גדיל ה-RNA מסונתז, כמקובל בכתיב הגנטי, מקצה ה-'5 ועד לקצה ה-'3. גדיל התבנית של ה-DNA מסודר בצורה הפוכה, מ-'3 ועד ל-'5.

בניגוד לתהליך השכפול ה-DNA, תהליך השעתוק אינו מכיל מנגנון תיקון, ולכן מידת האמינות שלו נמוכה יותר ויש סבירות גבוהה יותר לטעויות בשעתוק. עם זאת, מכיוון שמשך זמן החיים של מולקולות ה-mRNA קצר מאוד (בין חצי דקה לשתי דקות), הסיכוי שטעות בתהליך תגרום נזק משמעותי לתא הוא נמוך. מולקולות ה-mRNA מתחלפות פעמים רבות במהלך חיי התא, ולכן טעות באחת מהן תגרום לנזק זמני בלבד, אם בכלל.

תהליך השעתוק מתחלק לשלושה שלבים עיקריים: אתחול, התארכות וסיום.

[עריכה] אתחול

בחיידקים מורכב האנזים RNA פולימראז ממספר יחידות. "אנזים הליבה" בנוי מארבע תת-יחידות: שתי תת-יחידות α (אלפא), אחת β (בתא) ואחת 'β. האנזים השלם (ההולואנזים) כולל יחידה נוספת: σ (סיגמא), הקרויה לעתים "גורם סיגמא".

ליבת האנזים לבדה מסוגלת לבנות גדיל RNA לפי תבנית ה-DNA. למרות זאת, גורם הסיגמא חיוני לשעתוק מוצלח, שכן הוא מסייע לאנזים להיקשר ל-DNA בתחילתם של גנים. הודות לכך לא מתבצעים שעתוקים אקראיים לכל אורך הגנום אלא רק מתחילת ועד סופם של הגנים. ההולואנזים (אנזים הליבה וגורם הסיגמא) נצמדים לפני השעתוק לאזור המצוי לפני תחילת הגן והקרוי מקדם (פרומוטר). כל המקדמים בתאים פרוקריוטיים מכילים רצפים מסוימים של נוקלאוטידים, אותם מסוגל גורם הסיגמא לזהות.

אנזימי RNA פולימראז נקשרים למקומות אקראיים ב-DNA בכל העת. לאחר קשירתם הם משוטטים לאורך גדיל ה-DNA עד שהם מגיעים למקדם, אזי הם נעצרים ומתחילים את השעתוק. בתחילת השעתוק נפרמת המולקולה הדו-גדילית של ה-DNA. במקדם קיים רצף קטן המכיל תימין ואדנין בלבד; הרצף קרוי קופסת TATA. תימין נקשר לאדנין בשני קשרי מימן בלבד (לעומת שלושה קשרי מימן בין גואנין לציטוזין), כך שקופסת ה-TATA מאפשרת פרימה קלה יחסית של ה-DNA, תוך השקעה מינימלית של אנרגיה.

טרם קישור האנזים ל-DNA נקשרים גורמי שעתוק לרצפים שונים בקדם ועוזרים בגיוס הפולימראז. קיימת העדפה לכך שהנוקלאוטיד הראשון בגדיל ה-RNA החדש יהיה אדנין או גואנין. לאחר שעתוק של כעשרה בסיסים ניתק גורם הסיגמא מהאנזים והמשך השעתוק מתבצע בלעדיו. לעתים מתבצע שעתוק הולך וחוזר של גדילים קצרים בני עשרה נוקלאוטידים, אשר נפלטים אל חלל התא ונהרסים מאוחר יותר; דבר זה מתרחש עד שגורם הסיגמא מצליח להינתק מהאנזים. גורם הסיגמא, עקב האפיניות הרבה שלו לקדם, מונע מהאנזים לצאת מהמקדם ולהמשיך בשעתוק. שלב האתחול מסתיים "רשמית" עם ייצורו של גדיל RNA בן לפחות 12 נוקלאוטידים.

שעתוק נוסף של אותו גן או אופרון (על ידי מולקולות נוספות של RNA פולימראז) מתרחש לעתים קרובות. לאחר שהאנזים מפנה את המקדם נקשר אל האחרון אנזים נוסף ומתחיל בייצור גדיל חדש של RNA.

[עריכה] התארכות

האנזים מתקדם על גבי תבנית ה-DNA ולכל בסיס בתבנית מביא לקשירת נוקלאוטיד משלים, לפי כללי זיווג הבסיסים. הנוקלאוטידים המרחפים בחלל התא או הגרעין מגיעים אל האנזים בצורת NTP (כלומר, נוקלאוטיד בעל שלוש קבוצות זרחה). כל נוקלאוטיד שנוסף מתחבר לגדיל ה-RNA ההולך ומתארך באמצעות קשר פוספודיאסטרי. חלבונים נוספים הקרויים גורמי התארכות חיוניים לתהליך.

[עריכה] סיום

ידועים שני מנגנונים לסיום (בלועזית: טרמינציה) תהליך השעתוק. בשניהם מתרחשת האטה של תנועת ה-RNA פולימראז על גבי ה-DNA. ההאטה מתרחשת ברצפים מסוימים ב-DNA הקרויים אתרי סיום או טרמינטורים:

• המנגנון הפנימי או המנגנון שאינו תלוי ברוֹ. במנגנון זה רצף מסוים של DNA גורם לסיום השעתוק. הרצף, אשר נמצא מחוץ לגבולות האזור המקודד של הגן (כלומר, הרצף אינו מתורגם לחלבון מאוחר יותר; הרצף מצוי לאחר קודון הסיום של הגן), גורם לשעתוק RNA המתקפל לאחר שעתוקו למבנה מרחבי של לולאה. מבנה הלולאה נוצר כתוצאה מזיווג בין בסיסי גואנין לציטוזין. מחוץ ללולאה קיים תמיד רצף של מספר בסיסי אורציל. הלולאה גורמת לעיכוב האנזים. כשהאנזים מגיע לבסוף לרצף האורציל, מתרחשת התנתקות של ה-RNA מה-DNA והשעתוק מופסק. בסיסי האורציל ב-RNA המזווגים לאדנין ב-DNA קשורים ל-DNA בשני קשרי מימן, זאת לעומת שלושה קשרי מימן בין גואנין לציטוזין. הקישור החלש המתפרס על פני מספר נוקלאוטידים באתר הסיום גורם לערעור יציבות מערך השעתוק ולפירוקו.

ניתן לראות כי מנגנון זה דומה למנגנון אתחול השעתוק בקופסת ה-TATA שבקדם, מנגנון המבוסס אף הוא על הקשרים החלשים שיוצר אדנין. רצף הסיום המביא ליצירת הלולאה משתנה מגן לגן, למעט אזור ה-GC בבסיס הלולאה ואזור האורציל. שעתוקם של כמחצית מהגנים ב-E. coli מסתיים באמצעות המנגנון הפנימי.

• מנגנון תלוי חלבון רו. מנגנון זה משתמש בגורם סיום, חלבון הקרוי ρ (רו) ואשר מורכב משש תת-יחידות זהות. החלבון נקשר לקצה ה-'5 של גדיל ה-RNA החדש (כלומר, הקצה ששועתק בהתחלה ואשר עתה נמצא הרחק מחוץ למערך השעתוק) ומתחיל לנדוד לעבר ה-RNA פולימראז. כשהאנזים מגיע לרצף מסוים המסמן את סיום השעתוק מתרחש עיכוב בתנועתו; אזי מדביק רוֹ את הפער, מגיע אל האנזים ומביא לפירוק מערך השעתוק. רצף ה-DNA הגורם לעיכוב האנזים אינו קשור לרצף הגורם ליצירת לולאות במנגנון הפנימי, והוא משתנה בצורה ניכרת מגן לגן; אתר סיום של חלבון רוֹ תמיד עשיר בציטוזין ודל בגואנין.

[עריכה] בקרה ועיבוד

בשל חשיבותו הרבה של התהליך הוא נמצא תחת בקרה כבדה. היום מאמינים שעיקר בקרת הגנים בתהליך המעבר מ-DNA לחלבון פעיל מתרחשת בשלב השעתוק.הסיבה לבקרה הכבדה כבר בתחילת התהליך היא האנרגיה הרבה, בעיקר בדמות מולקולות ATP, שהתא משקיע על מנת לסנתז מולקולת RNA ולאחר מכן ליצור לפיה חלבון פעיל.

עיקר הבקרה מתבצע בכך שקישור של בין ארבעה לשמונה גורמי שעתוק דרוש לרוב על מנת להתחיל את תהליך השעתוק. לעומת גורמים אלו, המעודדים שעתוק, קיימים גורמים אחרים כגון:גורמים מדכאים הנצמדים לרוב למקדם ומונעים היצמדות של RNA פולימראז.

לתהליך השעתוק מתלווים, בעיקר בתאים איקריוטיים, מספר תהליכים נוספים שעוזרים, בין השאר, לשמור על יציבות מולקולת ה-mRNA הנוצרת. בתאים איקריוטיים בלבד קרוי תוצר השעתוק pre-mRNA; לאחר תהליכי העיבוד, אשר במקרים רבים מתחילים עוד לפני סיום תהליך השעתוק, קרוי הגדיל mRNA בוגר. התהליכים הבולטים הם:

• הוספת כיפה לקצה '5 של ה-mRNA.
• פוליאדנילציה: הוספת זנב פוליאדנין (polyA) לקצה '3 של ה-mRNA.
• מתילציה של מספר בסיסים ב-mRNA.
• שחבור. ה-pre-mRNA באיקריוטים כולל אקסונים ואינטרונים. בתהליך השחבור מוסרים האינטרונים והאקסונים מוצמדים זה לזה.

[עריכה] שעתוק והמחקר הביולוגי

גילוי ראשוני של תהליך השעתוק התרחש ב-1965 במספר מעבדות במקביל. בסוף שנות ה-60 תיארו מספר עבודות מאוניברסיטת הרוורד חלקים נרחבים ממנגנון השעתוק. חקר המנגנון נמשך עד היום, והדרך להבנה מלאה של התהליך עודנה ארוכה.

את רמת ההתבטאות של גנים שונים ניתן למדוד בשלבים שונים של התהליך. קיימות מספר שיטות למדידת רמת השעתוק; שיטות אלו התפתחו בצורה ניכרת לקראת סוף המאה ה-20. באמצעות מערכי DNA ניתן למדוד בבת אחת את רמת השעתוק של כל הגנים בתא מסוים. שיטות נוספות למדידת רמת השעתוק הן PCR וסאת'רן בלוט. כל השיטות מבוססות על זיהוי וכימות של גדילי ה-mRNA המיוצרים בתהליך השעתוק.

[עריכה] רצף קונצנזוס

רצף קונצנזוס הינו רצף נוקלאוטידים, הנמצא למשל בDNA RNA, ויש לו קוד מסוים המוכר על ידי גורמים אחרים (חלבונים למשל), ומהווה סיגנל מסוים לאותם גורמים.

DNA- רצף קונצנזוס, הנמצא בפרומוטר, TATA BOX. ה-TATA BOX מזוהה על ידי קומפלקס מסוים המשתתף ב-TRANSCRIPTION וברגע שמתלבש עליו, מתחיל תהליך השעתוק, בנוכחות RNA POLYMARASE

RNA- בגן ישנם קומבינציות של אינטרונים ואקסונים, ואזור הנקרא OPENING READING FRAME הנמצא אחרי הפרומוטר. לאחר תהליך השעתוק של RNA על תבנית הDNA, בתהליך השחבור לRNA יש רצף המוכר GT והוא התחלת השחבור וAG הינו סיום השחבור, אלה נמצאים בRNA לאחר השחבור כשביניהם יש אקסונים שונים מהגן, המקודדים לחלבון.

חלבונים- NLS לכל חלבון רצף קונצנזוס כך שהחלבונים האחרים מכירים אותו, ויכולים לשאת את החלבון למקומות אחרים בגוף.