Transpozony mogą też zawierać geny odporności na antybiotyki (transpozony złożone). Takie transpozony mogą przemieszczać się z chromosomu do plazmidów, które następnie mogą być przeniesione do innych bakterii

Transpozycja retroelementów

Retroelementami mogą być retrowirusy (np.HIV). Pierwszym etapem retrotranspozycji jest synteza kopii RNA wstawianego retroelementu. Transkrypt służy następnie jako matryca do syntezy DNA zależnej od RNA. Zakończenie syntezy pierwszej nici DNA powoduje powstanie hybrydy DNA-RNA. RNA jest częściowo degradowany przez RNAazę H, a pozostały fragment RNA służy jako starter do syntezy drugiej nici DNA. Tak powstały retroelement jest wstawiany do genomu.

Podczas integracji usuwane są dwa nukleotydy z końców 3' dwuniciowego retroelementu przez integrazę, następnie enzym ten dokonuje niesymetrycznego cięcia w DNA genomowym tak, że zarówno retroelement jak i miejsce integracji mają wystające końce 5'. Następuje insercja retroelementu, jego wystające końce są usuwane, a luki wypełniane.

Retrotranspozony replikują i przemieszczają się w inne miejsce genomu przechodząc przez stadium DNA, który powstaje w wyniku transkrypcji. Na matrycy RNA zachodzi następnie synteza liniowego dwuniciowego DNA, a ten zostaje wprowadzony do genomu.

Udział rekombinacji w procesach reperacji DNA

Procesy rekombinacyjne odgrywają istotną rolę w czasie reperacji uszkodzeń DNA, szczególnie gdy liczba zmian jest tak duża, że inne systemy reperacyjne w komórce nie są w stanie ich zreperować. Zachodzi wówczas rekombinacja z nieuszkodzonym fragmentem drugiej homologicznej cząsteczki DNA.

Naprawa fotodimerów pirymidynowych powstałych po napromieniowaniu UV

Polimeraza DNA III napotykając fotodimer przerywa replikację i rozpoczyna ją dalej, pozostawiając lukę w łańcuchu DNA. Może być ona uzupełniona poprzez rekombinację z drugą, nieuszkodzoną nicią rodzicielską.

Transkrypcja

Molekularna definicja genu

Gen jest to odcinek DNA odpowiadający jednostce transkrypcyjnej wraz z obszarami regulatorowymi.

Transkrypcja (przepisywanie) jest syntezą jednoniciowego RNA na matrycy DNA. Jest to pierwszy etap ekspresji genów, który ostatecznie prowadzi do syntezy białka kodowanego przez gen. Sekwencja syntetyzowanego RNA odpowiada sekwencji nici DNA nazywanej nicią sensowną.

Transkrypcja jest katalizowana przez polimerazę RNA zależną od DNA. Polimeraza RNA jest to holoenzym złożony z wielu podjednostek białkowych. U E.coli są to: β β' i α (dwie jednakowe podjednostki). Przejściowo z polimerazą rdzeniową łaczy się podjednostka σ. Polimeraza RNA jest metaloenzymem zawierającym jon Zn²⁺.

W komórce E. coli występuje ok. 7000 cząsteczek polimerazy RNA, z czego 2000-5000 jest zaangażowanych w procesie transkrypcji. Wysokie stężenie enzymu wynika z jego podstawowej roli w ekspresji wszystkich, bez wyjątku, genów komórki.

Oprócz holoenzymu polimerazy RNA transkrypcja wymaga obecności matrycy DNA, jonów Mg²⁺ (kofaktor) i prekursorowych nukleotydów: ATP, GTP, CTP, UTP.

Transkrypcja genów u eukariotów jest bardziej złożona niż u prokariotów ze względu na większą ilość informacji genetycznej i konieczność jej selektywnego odczytywania. Regulacja ekspresji genów w znacznym stopniu polega na modulowaniu częstości inicjacji transkrypcji.

Polimerazy RNA u eukariotów

	Miejsce występowania	Funkcja
Polimeraza RNA I	Jąderko	Synteza prekursorów rRNA
Polimeraza RNA II	Nukleoplazma	Synteza prekursorów mRNA i niektórych małych jąderkowych RNA
Polimeraza RNA III	Nukleoplazma	Synteza prekursorów 5S rRNA, tRNA i innych małych RNA

Dostępność genomu eukariotycznego

DNA jest związany z białkami, które muszą zostać usunięte, aby polimeraza RNA wraz z białkami biorącymi udział w ekspresji genu mogła uzyskać dostęp do DNA.

Na ekspresję genu ma wpływ struktura chromatyny:

• jej stopień upakowania,

• sposób ułożenia nukleosomów wewnątrz genu i w jego sąsiedztwie.

Systemy wpływające na wzajemne położenie nukleosomów i strukturę chromatyny:

• acetylacja histonów - przyłączenie grupy acetylowej do reszt lizynowych w N-końcowym fragmencie każdego histonu rdzeniowego. Końce te tworzą ogonki wystające z rdzenia nukleosomu. Acetylacja zmniejsza powinowactwo histonów do DNA i osłabia oddziaływania między histonami.

Histony w heterochromatynie przeważnie nie są acetylowane, w przeciwieństwie do acetylowanych histonów w domenach funkcjonalnych. Grupy acetylowe przyłączane są lub odłączane od histonów z udziałem acetylotransferaz i deacetylaz. Acetylacja histonów odgrywa istotną rolę w regulacji ekspresji genów.

• remodelowanie chromatyny. W procesie tym bierze udział szereg białkowych kompleksów remodelujących chromatynę (chromatin remodeling machines; CRM). CRM oddziałują z ogonkami histonów, powodując zmiany w strukturze nukleosomów, umożliwiające ich przemieszczenie. Kompleksy CRM ułatwiają wiązanie z DNA białkom biorącym udział w ekspresji genów.

Etapy transkrypcji:

• inicjacja,

• elongacja,

• terminacja.

Inicjacja

W procesie inicjacji transkrypcji polimeraza RNA wiąze się z dwuniciowym DNA w miejscu promotorowym. Promotory są sekwencjami DNA znajdującymi się na początku genu, od strony 5' przed regionem kodującym. Różnice między promotorami różnych genów decydują o różnicach w wydajności inicjacji transkrypcji i wpływają na regulację ekspresji genów.

W miejscu promotorowym DNA ulega lokalnemu rozpleceniu i przyłącza się polimeraza RNA. Synteza nici RNA jest inicjowana w specyficznym miejscu, zwanym miejscem startu (inicjacji). Oznacza się je w sekwencji genu jako pozycje +1.

U E. coli polimeraza rozpoznaje promotor (składający się z 40-60bp) dzięki oddziaływaniu jednostki σ z blokiem -35. Występuje tu heksametrowa zachowawcza sekwencja zgodna TTGACA. Najbardziej zachowawcza w tych promotorach jest sekwencja TATATT (kaseta Pribnowa), usytuowana w pobliżu pozycji -10. Sekwencja -10 jest miejscem inicjacji rozplatania DNA przez polimerazę.

Eukariotyczne polimerazy RNA wiążą się z DNA tylko w obecności dodatkowych czynników transkrypcyjnych (TF, transcription factor) np. TF II A.

Funkcje podstawowych czynników transkrypcyjnych u człowieka

Podstawowy czynnik transkrypcyjny	Funkcja
TFIID - składnik TBP	Rozpoznaje sekwencję TATA i prawdopodobnie sekwencję Inr, umożliwia związanie TFIIB
TFIID - białka TAF	Rozpoznają promotor podstawowy: regulują wiązanie TBP z DNA
TFIIA	Stabilizuje związany z DNA kompleks TBP/białka TAF
TFIIB	Pośredniczy w przyłączeniu polimerazy RNA II; wpływa na wybór miejsca startu transkrypcji
TFIIF	Umożliwia przyłączenie do kompleksu polimerazy RNA II
TFIIE	Pośredniczy w przyłączeniu TFIIH; wpływa na różne aktywności TFIIH
TFIIH	Ma aktywność helikazy, odpowiedzialną za przejście kompleksu promotorowego zamkniętego w kompleks otwarty; prawdopodobnie wpływa również na opuszczenie promotora przez polimerazę

TBP - białko wiążące sekwencję TATA (TATA binding protein)

TAF - białka związane z TBP (TBP-associated factors)

U eukariotów na promotorach organizowane są złożone, wysoko specyficzne kompleksy białkowe, które mogą być modulowane przez różnorodne sygnały komórkowe.

Składanie kompleksu reinicjacyjnego polimerazy RNA II

• TFIIA - wiąże się z TFIID, stabilizuje kompleks TFIID-DNA,

• TFIIB - łącznik biorący udział w tworzeniu kompleksu inicjatorowego polimerazy RNA,

• TFIIE, TFIIH, TFIIJ - czynniki niezbędne w transkrypcji,

• TFIIH - udział w kontroli elongacji, fosforyluje C-końcową domenę (CTD) polimerazy RNA (powstanie aktywnego kompleksu transkrypcyjnego).

Białko wiążące sekwencję TATA (TBP) jest składnikiem kompleksów inicjacyjnych polimeraz RNA I, II, III. Ma budowę pseudodimeryczną, w której dwie sąsiednie domeny tworzą „siodło”. W promotorach zależnych od polimerazy RNA II siodło obejmuje czasteczkę DNA w obrębie małego rowka, a zewnętrzna powierzchnia białka jest dostępna dla oddziaływań z innymi czynnikami białkowymi.

Elongacja

Polimeraza RNA wiąże kowalencyjne rybonukleotydy z końcem 3' tworzącego się łańcucha RNA (wydłuża łańcuch w kierunku 5'->3'), przesuwając się wzdłuż antysensownej nici DNA w kierunku 3'->5'. Pierwszym włączanym nukleotydem jest najczęściej ATP lub GTP. Za polimerazą tworzy się ponownie struktura helisy.

Uwaga! Polimeraza RNA E. coli nie ma egzonukleolitycznej aktywności korekcyjnej 3'->5' i dlatego częstość pomyłek w czasie transkrypcji jest stosunkowo duża - 10^-4-10^-5.

Komplementarne pary zasad zostają rozdzielone na odcinku 15-20 nukleotydów tworzą pęcherzyk transkrypcyjny. W obrębie pęcherzyka rosnący transkrypt jest utrzymywany w połączeniu z matrycą DNA przez około osiem par zasad.

Polimeraza RNA przesuwa się wzdłuż DNA z nierówną szybkością - średnio włącza ok. 40 nukleotydów na sekundę w temperaturze 37°C (proces wolniejszy od przesuwania się polimerazy DNA czy widełek replikacyjnych). Efektywność transkrypcji genu w znaczniej mierze zależy od częstości inicjacji transkrypcji z promotora tego genu.

Terminacja

Terminacja transkrypcji odbywa się w miejscu specyficznych sekwencji DNA, zwanym miejscem terminacyjnym. Sekwencje te często zawierają regiony względem siebie komplementarne, które mogą tworzyć w RNA strukturę typu ramię-pętla lub spinka do włosów. Powoduje ona zatrzymanie się transkrypcji.

Połączenie RNA-RNA redukuje liczbę miejsc styku między matrycą a tran skryptem, co powoduje dysocjację → terminacja.

W terminacji może uczestniczyć helikaza rho (ρ) - heksameryczne białko, które hydrolizuje ATP w obecności jednoniciowego RNA. Białko wiąże się z RNA na długości 72 nt, przemieszcza się wzdłuż syntetyzowanego RNA w kierunku kompleksu transkrypcyjnego i umożliwia polimerazie RNA terminacje transkrypcji w miejscu terminacyjnym zależnym od rho.

---