Transkripcijski mjehurić je molekularna struktura koja se formira tokom inicijalizacije DNK transkripcije, kada se ograničeni dio dvostruke spirale DNK odmota, pružajući dovoljno prostora da se RNK-polimeraza (RNKP) veže za lanac matrice i započne sintezu RNK. Veličina transkripcijskog mjehurića je obično 12 do 14 baznih parova, što omogućava enzimu da lahko ugradi komplementarne nukleotide RNK. Dinamika i struktura transkripcijskog mjehurića su varijabilne i imaju ulogu u regulaciji ekspresije gena na transkripcijskom nivou.] Formiranje mjehurića zavisi od strukture hromatina, DNK sekvence i transkripcijskog faktora, uključujući oznake acetilacija histona, SWI/SNF nukleosomsko remodeliranje i transkripcijski faktor TFIIH i sigma (σ) faktore. Iako se evolucijska historija ne može u potpunosti potvrditi, naučnici su pružili različite modele kako bi objasnili najvjerovatniji napredak evolucije mjehurića, direktno ga povezujući s divergencijom arheja, eukariota, prokariota i bakterija od posljednjeg univerzalnog zajedničkog pretka (LUCA). Mnogi lijekovi, uključujući hemoterapeutske i antibiotske spojeve, ciljaju elemente transkripcijskog mjehurića, kako bi regulirali transkripciju gena.

Formiranje Formiranje transkripcijskog mjehurića prethodi sintezi RNK i inicijalizira se vezivanjem RNK polimeraze (RNKP) za promotorsko mjesto, nakon čega slijedi odmotavanje dvostruke spirale DNK. Ovo otkriva dio jednolančane DNK, omogućavajući sintezu RNK, koristeći je kao predložak. Kao takvo, formiranje transkripcijskog mjehurića uveliko ovisi o kvaliteti promotora i mehanizmima pretraživanja RNKP-a.

Prokariotska inicijacija Kod prokariota, uočena su tri mehanizma pretraživanja promotora RNKP-a u različitoj mjeri: 1D klizanje, prijenos između segmenata (1D difuzijski mehanizmi) i skakanje (3D difuzijski mehanizam). Iako je stepen doprinosa svakog mehanizma neizvjestan, čini se da mehanizam koji ovisi o 3D difuziji nadmašuje 1D difuziju in vitro. Međutim, zbog obilja makromolekula pronađenih u živim ćelijama, 3D difuzija može biti otežana, što dovodi do većeg doprinosa 1D difuzije nego što to primjećuju studije in vitro.

Različiti sigma (σ) faktori posreduju u povezanosti i stabilnosti vezivanja RNKP-a na mjestu promotora. Vezivanje RNKP-a za σ faktor stvara holoenzim RNA polimeraze, "aktivni" oblik bakterijske RNKP. Vezivanje RNKP formira zatvoreni promotorski kompleks (RPc) koji se zatim mora izomerizirati u otvoreni promotorski kompleks (RPo), što dovodi do formiranja transkripcijskog mjehurića. Postoje dvije široke klase σ faktora: σ54 i σ70. σ54 se veže za konsenzusne sekvence na -12 i -24 iz mjesta početka transkripcije (TSS; +1), i regrutuje RNKP da bi formirao stabilan RPc koji rijetko izomerizira u RPo. U međuvremenu, faktori klase σ70 regrutuju RNKP na -10 i -35, spontano formirajući RPo. Regrutacija σ70 je posredovana različitim aktivatorima koji mogu promovirati formiranje RPc. Nakon formiranja transkripcijskog mjehurića, σ faktori se disociraju od holoenzimskog kompleksa, omogućavajući RNKP da nastavi duž lanca DNK matrice kako bi samostalno završio sintezu RNK. Napredovanje RNKP-a odvija se istovremeno s premotavanjem jednolančane DNK uzvodno od enzima i odmotavanjem dvolančane DNK nizvodno od enzima, što rezultira "pomicanjem" transkripcijskog mjehurića s RNKP-om. thumb| Rotirajuća 3D struktura eukariotske RNK- polimeraze II, esencijalne za transkripciju iRNK Eukariotska inicijacija

Kod eukariota, potraga za lokusima za otvaranje transkripcijskih mjehurića odvija se putem regrutacije općeg transkripcijskog faktora u promotorsku regiju i formiranja preinicijacijskog kompleksa (PIC). Nakon što se PIC formira, DNK dupleks se topi, formirajući transkripcijski mjehurić. Od uključenih enzima, TATA-vezujući protein (TBP) se veže za TATA kutiju i uzrokuje savijanje DNK, što dovodi do topljenja promotorske regije. ATP-zavisna helikazna aktivnost XPB-a, podjedinice TFIIH, neophodna je za odmotavanje DNK dupleksa i formiranje transkripcijskog mjehurića nakon formiranja PIC-a.

Nakon što se odmota oko 25 baznih parova dvostrukog lanca DNK, sinteza RNK se odvija unutar regije transkripcijskog mjehurića. Regije DNK ispred RNK-polimeraze II odmotavaju se, kako bi se prilagodile kretanju enzima, dok se regije DNK iza nje istovremeno premotavaju kako bi reformirale dvostruku spiralu na način sličan onome kod prokariota.

RNKP provodi većinu koraka tokom transkripcijskog ciklusa, posebno u održavanju transkripcijskog mjehurića otvorenim za komplementarni bazni par. Neki koraci transkripcijskog ciklusa koji zahtijevaju više proteina, kao što su Rpb4/7 kompleks i faktor elongacije, transkripcijski faktor IIS (TFIIS).

Nakon inicijacije, RNKP se kreće nizvodno duž lanca matrice. Neto efekat svakog koraka ekstenzije RNK je da RNKP uzima jedan nukleotid-trifosfat, izdužuje nascentnu RNK za jedan nukleotid i generira jedan pirofosfatni ion (PPi). Ovo je energetski povoljna reakcija sa promjenom slobodne energije od približno –5,6 kcal/mol, što omogućava RNKP-u da ide naprijed duž svog ciljnog kalupa koji asocijacijom pomiče i mjehur naprijed.

Terminacija Prokariotska terminacija thumb|Struktura RNK petlje koja inducira rho-nezavisnu intrinzičnu terminaciju transkripcije kod E. coli i drugih bakterija. Kod Escherichia coli, utvrđeno je da proces terminacije transkripcije putem disocijacije RNK polimeraze zavisi od 3 moguća mehanizma: interakcije između polimeraze i intrinzične terminatorske sekvence koja se nalazi na ukosnicama završene RNK, prisustva RNK-zavisnog faktora terminacije Rho i ATP-zavisne DNK translokaze Mfd.

Studije su otkrile da je poremećaj transkripcijskog kompleksa RNKP-DNK uzrokovan faktorom terminacije Rho inhibiran sve dok uzvodna DNK u transkripcijskom mjehuriću ostane nesparena. Dakle, odvajanju bakterijskog RNKP od DNK u rho-zavisnom procesu prethodi i zavisi od ponovnog vezivanja DNK unutar transkripcijskog mjehurića.

Tokom terminacije nezavisne od rho, transkripcija petlje u obliku ukosnice na završenoj RNK, koja služi kao intrinzična sekvenca za terminaciju, doprinosi kolapsu transkripcijskog mjehurića. Nakon toga slijedi odvajanje RNKP od matrice DNK i ponovno vezivanje lanaca DNK. Ova metoda terminacije ne zahtijeva prisustvo transkripcijskog mjehurića, jer je kod E. coli RNKP in vitro uočeno da oslobađaju kompletan RNK transkript dok koriste jednolančane kalupe DNK. Treći proces terminacije, koji uključuje DNK translokazu Mfd, prvenstveno utiče na transkripcijske mjehuriće koji su zastali u prisustvu oštećenja DNK. Prisustvo Mfd u transkripcijskom mjehuriću prisiljava kretanje RNKP nizvodno bez dodavanja nukleozid trifosfata, što inducira ponovno vezanje DNK u transkripcijskom mjehuriću i odvajanje i RNKP i nascentne RNK.

Terminacija transkripcijskog mjehurića kod E. coli regulirana je raznim transkripcijskim faktorima. Jedan takav faktor je NusG, ribosomski protein koji poboljšava efikasnost Rho-ovisne terminacije pomažući Rho prepoznavanju terminacijskih sekvenci. Djelovanje NusG je obavezno u situacijama kada se oslobađanje RNK mora izvršiti u kratkom vremenskom okviru.

Eukariotska terminacija Terminacija transkripcije eukariotskom RNK-polimerazom I (Pol I) zahtijeva faktore terminacije transkripcije slične rho-zavisnoj terminaciji kod prokariota. Kod miševa, ponovljeni terminatori kodirani na DNK su izloženi kao jednolančana mjesta vezivanja za protein TTF-I kada ih dostigne transkripcijski mjehurić. Kompleks koji proizvode terminator i vezivanje TTF-I zatim indukuje oslobađanje transkripta. RNK-polimeraza II prekida se direktnim vezivanjem kompleksa za cijepanje i poliadenilaciju (CPA) na 3'-kraju za enzim, koji zatim oslobađa transkribovanu RNK. Regrutovanje CPA kompleksa u transkripcijski mjehurić inducirano je transkripcijom signala Poli-A na nascentnoj RNK.

U oba slučaja, cijepanje i oslobađanje RNK se dešava prije disocijacije polimeraze iz transkripcijskog mjehurića. Dakle, integritet transkripcijskog mjehurića je privremeno očuvan nakon početka terminacije. Predložena su dva modela za objašnjenje procesa disocijacije polimeraze nakon oslobađanja RNK za obje polimeraze. Prvi je torpedni model, u kojem polimeraza nastavlja sintetizirati RNK nakon oslobađanja nascentne RNK. Egzonukleazna aktivnost zatim degradira novi lanac RNK, destabilizirajući RNK polimerazu i postižući njenu disocijaciju od transkripcijskog mjehurića. Drugi mehanizam, alosterini model, pretpostavlja da transkripcija poli A sekvence blizu kraja nascentnih RNK uzrokuje postepenu disocijaciju drugih transkripcijskih faktora iz transkripcijskog mjehurića, uzrokujući lančani efekat koji na kraju urušava transkripcijski mjehurić kroz destabilizaciju.

Regulacija

Efekti sekvence DNK i superspiralizacije Molekularno dinamičke simulacije su otkrile da je životni vijek transkripcijskog mjehurića zavisan od sekvence, a duži životni vijek mjehurića povezan je s A-T bogatim sekvencama promotorskog jezgra. Slabije interakcije A-T baza omogućavaju formiranje transkripcijskih mjehurića zbog manje energije potrebne za razdvajanje A-T parova. Stanje superspiralitacije DNK snažno utiče na regulaciju procesa transkripcije. Negativno superspiriraliranje koje se javlja prije mjesta početka transkripcije stvara razdvajanje lanca DNK što dovodi do inicijacije transkripcije. Pozitivno superspiralno namatanje ispred RNK polimeraze stvara barijeru koja dovodi do zastoja transkripcije tokom elongacije. Upravljanje stresom superspiralnog namatanja zavisi od enzima, uključujući DNK-girazu i topoizomerazu. DNK giraza stvara negativne superspiralne namotaje, dok opušta pozitivne superspiralne namotaje, kako bi se uspostavila potrebna superheliksna napetost za efikasnu transkripciju.. Topoizomeraza I relaksira negativne superzavojnice, što održava strukturu DNK pogodnom za transkripcijske aktivnosti.

Uloga transkripcijskih faktora Opći transkripcijski faktori (GTF) TFIIH funkcioniraju kao ključni elementi za inicijaciju transkripcije u eukariotskim ćelijama. XPB i XPD helikazne podjedinice TFIIH omogućavaju odmotavanje DNK, putem translokacije DNK dupleksa, što proizvodi jednolančane regije potrebne da RNK-polimeraza II započne transkripciju. σ faktori u bakterijama služe kao esencijalne komponente za usmjeravanje RNK-polimeraze prema određenim promotorskim sekvencama, što dovodi do stvaranja transkripcijskog mjehurića i početka transkripcije. Protein p53 veže se blizu promotorskih regija, kako bi uticao na stabilnost transkripcijskog mjehurića, dok istovremeno pokazuje različite efekte na inicijaciju transkripcije na različitim ciljnim promotorima.

Različiti transkripcijski faktori također utiču na stabilnost inicijacije transkripcijskog mjehurića. DksA je ključan za regulaciju transkripcije rRNK. Utvrđeno je da smanjuje vrijeme poluraspada RNKP kompleksa, čime inhibira transkripciju iz rRNK promotora i uzrokuje destabilizaciju transkripcijskog mjehurića. Slično tome, GreA i GreB su homologni faktori koji imaju slične efekte kao DksA, a za oba je također poznato da smanjuju vrijeme poluraspada RNKP kompleksa. Međutim, otkriveno je da delecija GreA i GreB ima samo minimalne efekte na aktivnost rRNK promotora i stabilnost transkripcijskog mjehurića. thumb| Nukleosom na pojačivaču sa acetilacijom H3K122, što promoviše relaksaciju hromatina za inicijaciju transkripcije

Epigenetičke modifikacije i struktura hromatina