Transkripce

Rozbalit box

Obsah boxu

Transkripce (z latinského transcribere, přepisovat) je v molekulární biologii a genetice základní proces, při kterém je genetická informace uložená v DNA přepsána do formy molekuly RNA. Tento proces je prvním a klíčovým krokem genové exprese, která vede k syntéze funkčních produktů, jako jsou proteiny nebo funkční RNA molekuly (např. tRNA a rRNA). Transkripce je katalyzována enzymem zvaným RNA polymeráza.

Proces transkripce je zásadní pro všechny známé formy života. U eukaryotických organismů probíhá primárně v buněčném jádře, zatímco u prokaryotických organismů, které jádro nemají, probíhá v cytoplazmě.

Termín "transkripce" se používá i v jiných oborech, například v lingvistice (přepis mluvené řeči do psané podoby) nebo v hudbě (přepis skladby pro jiné nástroje). Tento článek se primárně věnuje biologickému významu.

📜 Historie objevů

Koncept přepisu genetické informace se začal formovat po objevu struktury DNA v roce 1953 Jamesem Watsonem a Francisem Crickem. Crick v roce 1958 formuloval tzv. centrální dogma molekulární biologie, které postulovalo tok genetické informace z DNA do RNA a následně do proteinů.

• 50. léta 20. století: Bylo zjištěno, že syntéza proteinů probíhá na ribozomech v cytoplazmě, zatímco DNA se nachází v jádře. To vedlo k hypotéze o existenci "posla" (messenger), který přenáší informaci z jádra do cytoplazmy.
• 1960: François Jacob, Sydney Brenner a Matthew Meselson potvrdili existenci mediátorové RNA (mRNA) jako přenašeče genetické informace.
• 1960: Jerard Hurwitz a Samuel B. Weiss nezávisle na sobě objevili a izolovali enzym RNA polymeráza, který je zodpovědný za syntézu RNA.
• 70. léta 20. století: Richard J. Roberts a Phillip A. Sharp objevili, že geny eukaryot jsou často přerušované nekódujícími sekvencemi (introny), které jsou z pre-mRNA odstraňovány procesem zvaným splicing. Tento objev jim v roce 1993 vynesl Nobelovu cenu.
• 1970: Howard Martin Temin a David Baltimore objevili enzym reverzní transkriptáza, který umožňuje přepis informace z RNA zpět do DNA, čímž mírně modifikovali původní centrální dogma.

⚙️ Mechanismus transkripce u prokaryot

Transkripce u prokaryot (např. bakterií) je relativně jednodušší než u eukaryot. Celý proces probíhá v cytoplazmě a je často spřažen s translací (syntézou proteinů), což znamená, že ribozomy mohou začít překládat mRNA ještě před dokončením její transkripce. Proces lze rozdělit do tří fází:

🏁 Zahájení (Iniciace)

Iniciace začíná navázáním RNA polymerázy na specifickou sekvenci DNA zvanou promotor. Prokaryotická RNA polymeráza je komplex složený z několika podjednotek. Klíčovou roli pro rozpoznání promotoru hraje tzv. sigma faktor (σ-faktor), který se dočasně váže na jádrový enzym polymerázy.

Promotory u bakterií typicky obsahují dvě konzervované sekvence:

• Pribnowův box (sekvence TATAAT) umístěný přibližně 10 párů bází před začátkem transkripce (pozice -10).
• Sekvence -35 (sekvence TTGACA) umístěná přibližně 35 párů bází před začátkem transkripce.

Po navázání sigma faktoru na tyto sekvence RNA polymeráza rozvine dvoušroubovici DNA a vytvoří tzv. transkripční bublinu. Jakmile je syntetizován krátký úsek RNA (cca 10 nukleotidů), sigma faktor se odpojí a polymeráza přechází do další fáze.

➡️ Prodloužení (Elongace)

Během elongace se RNA polymeráza pohybuje podél templátového řetězce DNA ve směru 3' → 5' a syntetizuje komplementární řetězec RNA ve směru 5' → 3'. Jako substrát slouží ribonukleosidtrifosfáty (ATP, GTP, CTP, UTP). Zařazení každého nukleotidu je řízeno principem komplementarity s templátovou DNA (A se páruje s U, G se páruje s C). Energie pro tvorbu fosfodiesterových vazeb je získána odštěpením dvou fosfátových skupin (pyrofosfátu) z každého přidaného nukleotidu.

🛑 Ukončení (Terminace)

Terminace transkripce u prokaryot může probíhat dvěma hlavními způsoby:

1. Rho-independentní terminace (vnitřní): Na konci genu se nachází sekvence bohatá na G-C páry, následovaná úsekem bohatým na A-T páry. Přepsáním této sekvence do RNA vznikne struktura zvaná "vlásenka" (hairpin loop), která fyzicky zpomalí nebo zastaví RNA polymerázu. Následná slabá vazba mezi uracily v RNA a adeniny v DNA templátu způsobí disociaci RNA-DNA hybridu a uvolnění RNA polymerázy. 2. Rho-dependentní terminace: Tento mechanismus vyžaduje protein zvaný faktor Rho (ρ). Tento faktor se váže na specifické místo na nově syntetizované RNA a pohybuje se podél ní směrem k RNA polymeráze. Když polymeráza narazí na terminační signál a zpomalí, faktor Rho ji dostihne a pomocí své helikázové aktivity rozplete RNA-DNA hybrid, což vede k ukončení transkripce.

🔬 Mechanismus transkripce u eukaryot

Transkripce u eukaryot je výrazně složitější. Probíhá v jádře, odděleně od translace v cytoplazmě. DNA je navíc organizována do struktury zvané chromatin, která musí být před transkripcí rozvolněna.

Rozdíly oproti prokaryotům

• Lokalizace: Transkripce v jádře, translace v cytoplazmě.
• RNA polymerázy: Eukaryota mají tři hlavní typy jaderných RNA polymeráz (I, II, III), každá specializovaná na transkripci jiného typu genů.
• Transkripční faktory: Iniciace vyžaduje přítomnost mnoha pomocných proteinů zvaných transkripční faktory, které pomáhají RNA polymeráze navázat se na promotor.
• Struktura chromatinu: DNA je obalena kolem histonů. Pro zahájení transkripce je nutná modifikace chromatinu (např. acetylace histonů).
• Posttranskripční úpravy: Nově syntetizovaná RNA (pre-mRNA) prochází rozsáhlými úpravami, než je transportována z jádra.

Typy RNA polymeráz

• RNA polymeráza I: Nachází se v jadérku a přepisuje geny pro většinu ribozomálních RNA (rRNA).
• RNA polymeráza II: Přepisuje všechny geny kódující proteiny (vzniká mRNA) a také některé malé jaderné RNA (snRNA) a mikroRNA (miRNA).
• RNA polymeráza III: Přepisuje geny pro transferovou RNA (tRNA), 5S rRNA a další malé RNA molekuly.

Iniciace u RNA polymerázy II

Iniciace transkripce genů kódujících proteiny je komplexní proces. Promotory pro RNA polymerázu II často obsahují sekvenci zvanou TATA box (konsenzuální sekvence TATAAA), která se nachází asi 25-35 párů bází před startem transkripce. Na TATA box se váže TATA-vazebný protein (TBP), který je součástí velkého komplexu zvaného TFIID (transkripční faktor II D). Následně se připojují další obecné transkripční faktory (TFIIA, TFIIB, TFIIF, TFIIE, TFIIH), které společně s RNA polymerázou II tvoří preiniciační komplex. Faktor TFIIH má helikázovou aktivitu, která rozplétá DNA v místě startu, a kinázovou aktivitu, která fosforyluje C-terminální doménu polymerázy, což je signál pro přechod do elongační fáze.

Elongace a posttranskripční úpravy

Jakmile se RNA polymeráza II odpoutá od promotoru, začíná fáze elongace. U eukaryot probíhají úpravy pre-mRNA souběžně s její syntézou: 1. Capping (přidání čepičky): Na 5' konec pre-mRNA je brzy po zahájení transkripce přidána modifikovaná guaninová báze (7-methylguanosin). Tato "čepička" chrání mRNA před degradací a je důležitá pro rozpoznání ribozomem při translaci. 2. Polyadenylace: Po ukončení transkripce je na 3' konec pre-mRNA enzymem poly(A) polymerázou přidán řetězec 50-250 adeninových nukleotidů, tzv. poly(A) ocas. Tento ocas zvyšuje stabilitu mRNA a usnadňuje její export z jádra. 3. Splicing (sestřih): Většina eukaryotických genů obsahuje nekódující sekvence (introny) vložené mezi kódující sekvence (exony). Introny musí být z pre-mRNA odstraněny a exony spojeny dohromady. Tento proces katalyzuje velký komplex zvaný spliceozom, složený z malých jaderných RNA (snRNA) a proteinů.

⚖️ Regulace transkripce

Regulace genové exprese na úrovni transkripce je klíčová pro buněčnou diferenciaci, adaptaci na změny prostředí a správnou funkci organismu.

U prokaryot

Regulace je často založena na systému operonů, kde jsou geny s příbuznou funkcí uspořádány do jedné transkripční jednotky. Příkladem je:

• Lac operon: Soubor genů pro metabolismus laktózy u Escherichia coli. Je aktivován pouze v přítomnosti laktózy a nepřítomnosti glukózy.
• Trp operon: Soubor genů pro syntézu aminokyseliny tryptofan. Je aktivní, pouze když je tryptofan v buňce nedostatkový.

U eukaryot

Regulace je mnohem složitější a zahrnuje:

• Specifické transkripční faktory: Proteiny, které se vážou na regulační sekvence DNA.
• Enhancery (zesilovače): Sekvence DNA, které mohou být velmi vzdálené od genu, ale po navázání aktivátorů zvyšují úroveň jeho transkripce.
• Silencery (zeslabovače): Sekvence, které po navázání represorů transkripci potlačují.
• Modifikace chromatinu: Chemické úpravy histonů (např. acetylace, metylace) a metylace samotné DNA ovlivňují dostupnost genů pro transkripci.

🔄 Reverzní transkripce

Reverzní transkripce je proces, při kterém je genetická informace přepsána z RNA do DNA. Je to výjimka z klasického centrálního dogmatu. Tento proces je katalyzován enzymem reverzní transkriptáza.

Vyskytuje se u:

• Retrovirusů: Například virus HIV. Jejich genetická informace je uložena v RNA, kterou po infekci buňky přepíší do DNA a integrují do genomu hostitele.
• Telomerázy: Enzymu, který u eukaryot udržuje konce chromozomů (telomery) a jako templát používá vlastní molekulu RNA.
• Retrotranspozonů: Mobilních genetických elementů v genomu eukaryot.

🌐 Jiné významy slova

🗣️ Lingvistika

V lingvistice znamená transkripce systematický přepis mluvené řeči do psané podoby pomocí sady symbolů. Rozlišuje se:

• Fonetická transkripce: Zaznamenává přesnou zvukovou podobu promluvy, včetně drobných nuancí výslovnosti. Často se používá Mezinárodní fonetická abeceda (IPA).
• Fonologická transkripce: Zaznamenává pouze fonémy, tedy zvuky, které v daném jazyce rozlišují význam.

🎵 Hudba

V hudbě je transkripce (též aranžmá) přepis hudební skladby pro jiný hudební nástroj nebo soubor nástrojů, než pro které byla původně napsána. Například přepis klavírní skladby pro orchestr.

✍️ Administrativa a média

V tomto kontextu se transkripcí rozumí doslovný přepis audio nebo video nahrávky (např. rozhovoru, soudního jednání, přednášky) do textové podoby.

🤔 Pro laiky

Představte si, že DNA je obrovská a vzácná kuchařská kniha uložená v bezpečné kanceláři ředitele (buněčné jádro). Když chce kuchař (ribozom) v kuchyni (cytoplazma) uvařit nějaké jídlo (protein), nemůže si vzít celou knihu. Místo toho přijde asistent (RNA polymeráza) do kanceláře, najde správný recept (gen) a opíše ho na malý papírek (mRNA). Tento proces opsání receptu je transkripce. Papírek s opsaným receptem (mRNA) se pak z kanceláře donese do kuchyně, kde podle něj kuchař uvaří jídlo. Tento druhý krok se nazývá translace. Transkripce je tedy klíčový krok, jak bezpečně a efektivně přenést instrukci z chráněného originálu na pracovní kopii.

⏰ Tento článek je aktuální k datu 23.12.2025