Det sentrale dogmet

Innhold

Det sentrale dogmet i molekylærbiologien beskriver hvordan informasjon overføres fra DNA til RNA og deretter til proteiner. Dette innebærer tre hovedprosesser: transkripsjon, translasjon, og replikasjon.

Egenskap	DNA	RNA
Sukker	Deoksyribose	Ribose
Nitrogenbaser	Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Tymin (T)	Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Uracil (U)
Struktur	Vanligvis dobbelttrådet	Vanligvis enkelttrådet
Funksjon	Lagrer genetisk informasjon	Spiller en rolle i uttrykket av genetisk informasjon

Forskjellen mellom DNA og RNA

Egenskap	RNA Polymerase	DNA Polymerase
Funksjon	Syntetiserer RNA fra DNA-mal	Syntetiserer DNA fra DNA-mal
Produkt	RNA (mRNA, tRNA, rRNA)	DNA
Prosess	Transkripsjon	Replikasjon
Primerbehov	Trenger ikke primer	Trenger primer
Retning	5′ til 3′	5′ til 3′
Sted i cellen	Hovedsakelig i cellekjernen	I cellekjernen og mitokondriene
Nukleotider brukt	Ribonukleotider (A, U, G, C)	Deoksyribonukleotider (A, T, G, C)

Dette skjemaet viser de viktigste forskjellene mellom RNA polymerase og DNA polymerase, to essensielle enzymer.

Transkripsjon – Fra DNA til RNA

Når en celle trenger å bruke informasjonen som ligger lagret i DNA, skjer det gjennom en prosess som kalles transkripsjon. Dette er det første steget i det sentrale dogmet for molekylærbiologi:
DNA → RNA → Protein

I transkripsjonen overføres genetisk informasjon fra DNA til et RNA-molekyl, som senere kan brukes til å lage proteiner. Det er altså som å ta en kopi av en oppskrift – originalen (DNA) blir liggende trygt i kjernen, mens kopien (RNA) sendes ut for bruk.

Hos eukaryote celler foregår transkripsjon inne i cellekjernen. Først når RNA-transkriptet er ferdig bearbeidet (prosessert), kan det fraktes ut i cytoplasma og brukes til proteinsyntese.

Hvilket enzym står for transkripsjonen?

Transkripsjonen katalyseres av RNA-polymerase, ikke DNA-polymerase (som brukes i replikasjon).

Det finnes tre typer RNA-polymeraser i eukaryote celler:

RNA-polymerase I: Lager ribosomalt RNA (rRNA), som inngår i ribosomene.
RNA-polymerase II: Lager mRNA (budbringer-RNA), som koder for proteiner.
RNA-polymerase III: Lager tRNA (transport-RNA) og noen små rRNA-molekyler.

Blant disse er RNA-polymerase II særlig viktig for å transkribere gener som skal bli til proteiner.

RNA-polymerase trenger hjelp

I motsetning til DNA-replikasjon, der enzymet helikase åpner DNA-heliksen, klarer ikke RNA-polymerasen å starte alene. Den trenger hjelp fra ulike transkripsjonsfaktorer – proteiner som kjenner igjen spesifikke DNA-sekvenser og hjelper polymerasen å finne startstedet.

Disse transkripsjonsfaktorene binder seg ofte til promotor-sekvenser – områder foran genet som fungerer som “startskilt” for transkripsjonen.

Visste du?

I DNA-replikasjon åpnes dobbelheliksen av enzymet helikase, som bryter hydrogenbindingene mellom baseparene.
I transkripsjon åpner RNA-polymerasen selv opp DNA-trådene lokalt – men den må ha hjelp til å finne riktig startpunkt.

RNA Polymerase	Funksjon
RNA Polymerase I	Transkriberer rRNA-gener
RNA Polymerase II	Transkriberer mRNA og de fleste snRNA og miRNA
RNA Polymerase III	Transkriberer tRNA, 5S rRNA og andre små RNA

Transkripsjonens start, initiering

For at et gen skal uttrykkes, må RNA-polymerase II finne riktig sted å starte transkripsjonen. Men polymerasen klarer ikke dette alene. Den trenger hjelp fra en gruppe proteiner som kalles transkripsjonsfaktorer.

Transkripsjonsfaktorer er proteiner som regulerer genuttrykk ved å binde seg til spesifikke DNA-sekvenser, ofte i promotorområdet foran genet. De kan enten aktivere eller hemme transkripsjonen, avhengig av behovet i cellen.

Viktige transkripsjonsfaktorer:

TBP (TATA-binding protein): Binder seg spesifikt til TATA-boksen i DNA – en sekvens som ofte finnes rundt 25–30 basepar før startpunktet for transkripsjon. Dette er det første trinnet i å danne transkripsjonskomplekset.
TFIID: Et protein-kompleks som inkluderer TBP. Fungerer som en plattform for rekruttering av de andre faktorene.
TFIIB, TFIIE, TFIIF og TFIIH: Disse bidrar trinnvis med å plassere RNA-polymerase II på riktig sted og gjøre DNA-et tilgjengelig for transkripsjon.

Transkripsjonsinitierings-komplekset

Når alle transkripsjonsfaktorene og RNA-polymerase II har samlet seg på promotorregionen, dannes det vi kaller transkripsjonsinitierings-komplekset.

RNA-polymerase II har en hale kalt CTD (carboxy-terminal domain).

Når denne halen blir fosforylert, skjer det en viktig endring: RNA-polymerasen slipper taket på initieringskomplekset og begynner å bevege seg langs DNA og lage RNA.

Elongering – RNA-molekylet vokser

Etter at transkripsjonsinitieringskomplekset er på plass og RNA-polymerase II har «sluppet løs» fra promotoren, går prosessen over i elongering. Nå begynner selve produksjonen av RNA-molekylet – basen for basen.

Når RNA-polymerase II har fått grønt lys, beveger den seg langs DNA-tråden og leser én tråd av DNA – den som kalles den templat- eller antisense-tråden. For hver base den møter, setter den sammen en komplementær RNA-base.

Et eksempel:

Ser den en G på DNA? → Legger til en C i RNA.
Ser den en T på DNA? → Legger til en A i RNA.
Ser den en A på DNA? → Legger til en U i RNA (ja, uracil i stedet for tymin!).

RNA-syntesen skjer alltid i 5’ til 3’ retning, noe som betyr at nye nukleotider hele tiden legges til 3’-enden av RNA-tråden.

Hvordan klarer polymerasen å holde seg på DNA?

RNA-polymerase II åpner en liten boble i DNA-dobbelheliksen mens den jobber.

Inne i denne boblen leses DNA-tråden av og matches med frie RNA-nukleotider i cytosol. Når polymerasen har passert et område, lukker DNA-heliksen seg bak den igjen, og RNA-tråden løsner forsiktig fra DNA-et.

Under elongeringen trenger ikke polymerasen like mye hjelp som i initieringen, men det finnes likevel støttespillere:

Elongeringsfaktorer: Proteiner som stabiliserer RNA-polymerase og hjelper den gjennom DNA med høy GC-innhold eller andre vanskelige områder.
Topoisomerase: Løser opp spenning og supercoiling foran polymerasen (akkurat som i replikasjon).
Histonmodifiserende enzymer: Gir polymerasen adgang til DNA pakket rundt nukleosomer ved å løsne på strukturen midlertidig.

Hvor lenge varer elongeringen?

Elongeringen fortsetter så lenge RNA-polymerase II følger DNA-templatet og ikke møter på en terminatorsekvens – da går prosessen over i neste fase: terminasjon.

Terminering av transkripsjon – slutten på RNA-syntesen

Når RNA-polymerase II har laget et langt nok RNA-molekyl og nærmer seg slutten av genet, må prosessen avsluttes på en kontrollert måte. Dette kalles terminering.

Inne i DNA-sekvensen ligger det en terminatorsekvens – et slags «sluttskilt» som signaliserer at genet er ferdig transkribert. Når RNA-polymerase II leser denne sekvensen, skjer det flere ting:

Polymerasen bremser ned og løsner fra DNA
RNA-tråden (pre-mRNA) frigjøres
RNA-polymerasen defosforyleres, noe som gjør den inaktiv og klar for en ny runde senere

Dette skjer ikke helt automatisk – det krever hjelp fra spesifikke termineringsfaktorer.

Et viktig element: Poly-A-signal

I eukaryote celler finnes det ofte en AAUAAA-sekvens på det nye RNA-et like før terminering. Denne sekvensen kalles polyadenyleringssignal, og den forteller cellen:

“Her skal du snart klippe!”

Dette signalet gjenkjennes av spesialiserte proteiner som klipper RNA-tråden noen basepar lenger nedstrøms. Deretter skjer polyadenylering, altså at en hale av mange adeninbaser (poly-A-hale) blir lagt til på 3’-enden. Dette er del av RNA-bearbeidingen.

RNA-prosessering – veien fra pre-mRNA til modent mRNA

Når RNA er ferdig transkribert, er det ikke umiddelbart klart for bruk. Det er som et førsteutkast til et manuskript – det må redigeres og bearbeides før det kan tas i bruk som instruks for å lage protein. Dette førsteutkastet kalles pre-mRNA, og det må gjennom tre sentrale bearbeidingsprosesser før det kan regnes som modent mRNA:

1. Spleising – redigering av det genetiske innholdet

Pre-mRNA inneholder både eksoner og introner.

Eksoner er de delene som faktisk skal bli med i det ferdige proteinet, mens intronene er ikke-kodende sekvenser som må fjernes.

Ved hjelp av et spesialisert enzymkompleks kalt spliceosomet, blir intronene klippet ut, og eksonene blir sydd sammen til en kontinuerlig, kodende sekvens.

Dette sørger for at RNA-molekylet inneholder bare den informasjonen som trengs for å lage riktig protein.

💡 Husk: Ekson = «expressed sequence» – altså den delen av RNA-et som uttrykkes som protein.

2. 5’ Capping – beskytter RNA og hjelper ribosomet

Rett etter at transkripsjonen har startet, legges det til en spesialisert struktur på 5’-enden av RNA-molekylet. Dette kalles en 5’ cap, og består av et molekyl som heter 7-metylguanosin.

Denne cap’en har flere viktige roller:

Den beskytter RNA-tråden mot enzymatisk nedbrytning
Den hjelper ribosomet å finne rett startpunkt for proteinsyntese
Den bidrar til transporten av RNA ut av kjernen

3. 3’ Polyadenylering – hale som gir stabilitet og signal

Etter at RNA-polymerasen har passert en spesifikk polyadenyleringssignal-sekvens i DNA, kuttes RNA-tråden, og en lang hale av adeninbaser (A) blir lagt til på 3’-enden. Denne kalles poly-A-hale.

Poly-A-halen fungerer som:

En beskyttende buffer mot nedbrytning
Et signal for eksport av RNA fra kjernen
En regulator for hvor lenge RNA-et skal leve i cytoplasma

Kilder: Anatomy and Physiology 2e

Et klart og modent mRNA – på vei ut i cytoplasma

Når RNA-et har gjennomgått spleising, fått på seg en 5’ cap og en poly-A-hale, er det klart til å forlate cellekjernen gjennom kjerneporene. Nå kan det møte ribosomene i cytoplasma og settes i gang med den neste fasen: translasjon, altså selve produksjonen av protein.

På denne måten er transkripsjon ikke bare en enkel kopieringsprosess – det er en finjustert og kontrollert operasjon der både korrekt DNA-avlesning og etterarbeid må fungere perfekt.

Hvorfor går RNA-polymerasen baklengs når den lager RNA?

Når cellen skal lage RNA ut fra DNA, brukes kun én av DNA-trådene som mal – denne kalles templatstrengen (eller antisensstrengen). Det kan virke litt forvirrende at denne malen går i 3′ til 5′-retning, mens det nye RNA-molekylet bygges i 5′ til 3′-retning. Hvorfor skjer det slik?

La oss se nærmere på dette.

🧬 To DNA-tråder – bare én brukes

DNA består av to tråder som løper i motsatt retning:

Én tråd går fra 5′ til 3′
Den andre går fra 3′ til 5′

Disse er komplementære og antiparallelle, som to glidelåshalvdeler.

Når RNA skal lages, må RNA-polymerasen velge én av dem som mal.

Den velger alltid 3′ → 5′-tråden som templat, fordi enzymet bare bygger nytt RNA fra 5′ til 3′.

Hvordan fungerer dette i praksis?

RNA-polymerase leser DNA-malen i 3′ til 5′-retning.

Samtidig bygger den RNA i 5′ til 3′-retning, ved å legge til nukleotider én etter én.

Basene i RNA danner komplementære basepar med DNA-templatet:
- A (i DNA) → U (i RNA)
- T (i DNA) → A (i RNA)
- G ↔ C

Denne orienteringen gjør det mulig å få riktig baseparring og riktig retning på RNA-tråden.

Translasjon – Fra RNA til protein

Etter at genetisk informasjon har blitt transkribert fra DNA til mRNA i cellekjernen, må denne informasjonen oversettes til et protein.

Denne prosessen kalles translasjon, og den foregår i cytoplasmaet – nærmere bestemt i cellens ribosomer.

Ribosomet fungerer som en avansert og presis «fabrikk» for proteinsyntese, der mRNA leses av og omsettes til en kjede av aminosyrer.

mRNA – Oppskriften

mRNA (messenger-RNA) bærer kopien av et gen fra cellekjernen til ribosomet. Sekvensen av baser i mRNA leses i grupper på tre og tre nukleotider, som kalles kodoner.

Hvert kodon koder for én bestemt aminosyre. Slik fungerer mRNA som en oppskriftsbok – hver trebasers «setning» forteller hvilken ingrediens (aminosyre) som skal brukes.

Det finnes 64 mulige kodoner (kombinasjoner av A, U, G og C i grupper på tre). Av disse koder 61 for aminosyrer, mens 3 er stoppsignaler. AUG er alltid startkodonet – det markerer begynnelsen på proteinet og koder også for aminosyren metionin. UAA, UAG og UGA er stopkodoner som signaliserer at proteinet er ferdig bygd.

tRNA – Budbringeren

For at riktig aminosyre skal settes inn på riktig sted i proteinet, trenger cellen en «tolk» som kan forstå både mRNA-språket og aminosyrene. Dette er tRNA (transfer-RNA). Hvert tRNA har to viktige deler:

En aminosyre festet i den ene enden.
Et antikodon – en gruppe på tre baser som er komplementære til kodonet på mRNA.

Antikodonet er som en nøkkel som passer nøyaktig i låsen (kodonet) på mRNA. Når antikodonet binder seg til kodonet, bringer tRNA med seg riktig aminosyre inn i ribosomet – der den kobles til den voksende polypeptidkjeden.

Aminoacyl-tRNA – Aktivert tRNA

Når tRNA har fått bundet på sin spesifikke aminosyre, kalles det aminoacyl-tRNA. Dette er den aktive, «klare til bruk»-formen av tRNA. Denne bindingen krever energi og hjelp fra et enzym kalt aminoacyl-tRNA syntetase. Hver aminosyre har sitt eget syntetase-enzym, som sikrer at kun riktig tRNA kobles til riktig aminosyre.

Ribosomet – Fabrikken

Ribosomet har tre seter (områder) for tRNA:

A-setet (Aminoacyl-setet): Her kommer nytt aminoacyl-tRNA inn og binder til mRNA.
P-setet (Peptidyl-setet): Her holder ribosomet på tRNA som bærer den voksende peptidkjeden.
E-setet (Exit-setet): Her havner tRNA som er ferdige og skal forlate ribosomet.

Aminosyrene kobles sammen i rekkefølge, og det oppstår en peptidbinding mellom dem – som perler på en snor. Denne kjeden vil til slutt folde seg til et ferdig, funksjonelt protein.

Initieringsfasen – Åpningen av proteinsyntesen

Translasjonen starter med at ribosomet må finne riktig sted å begynne.

Dette skjer når den lille ribosomale subenheten, sammen med et spesialisert tRNA og flere initieringsfaktorer, binder seg til 5′-enden av et modent mRNA.

Selve starten på translasjonen skjer når ribosomet gjenkjenner startkodonet AUG, som alltid koder for aminosyren metionin.

Det er derfor alle nysyntetiserte proteiner starter med metionin, selv om dette ofte fjernes senere.

Et initiator-tRNA, som bærer metionin, binder seg direkte til P-setet – noe som er unikt for dette tRNA. Vanlige tRNA binder seg først til A-setet.

Når startkodonet er identifisert, kobler den store ribosomale subenheten seg på. Translasjonsmaskineriet er nå ferdig montert og klart til å bygge et protein.

Elongeringsfasen – Oppbyggingen av proteinet

Når initieringen er fullført, går ribosomet over i elongering – det vil si at den faktiske kjeden av aminosyrer bygges opp. Denne prosessen gjentas mange ganger, én aminosyre av gangen, og består av tre hovedtrinn i hver syklus:

Inngang av ny tRNA: En ny aminoacyl-tRNA (dvs. tRNA bundet til riktig aminosyre) entrer A-setet, der kodonet på mRNA bestemmer hvilken tRNA som passer.
Peptidbinding: Ribosomet katalyserer dannelsen av en peptidbinding mellom den nye aminosyren i A-setet og kjeden i P-setet. Hele kjeden overføres fra P-setet til A-setet.
Translokasjon: Ribosomet beveger seg én kodon fremover på mRNA. tRNA med den voksende kjeden flyttes nå fra A-setet til P-setet, mens det “tomme” tRNA fra forrige runde flyttes til E-setet og forlater ribosomet.

Denne rytmen gjentas som et samlebånd: ny tRNA kommer inn i A-setet, kobles til kjeden, og ribosomet flytter seg videre. Dette gjør det mulig å bygge en lang polypeptidkjede som etter hvert folder seg til et protein.

Terminering – Proteinet ferdigstilles

Når ribosomet møter et stopp-kodon (UAA, UAG eller UGA), finnes det ikke noe tRNA som passer. I stedet binder det seg en release factor til A-setet, som signaliserer at syntesen skal avsluttes.

Denne faktoren katalyserer en reaksjon der et vannmolekyl tilføres i stedet for en ny aminosyre. Dette gjør at bindingen mellom den ferdige polypeptidkjeden og tRNA i P-setet brytes, og proteinet frigjøres.

Etterpå dissosierer ribosomet: de to subenhetene skiller lag, mRNA slippes fri, og systemet er klart for en ny runde med translasjon.

Translasjon er en ekstremt nøyaktig prosess. Hver feil i kodon-antikodon-gjenkjenningen kan føre til feil aminosyre, og dermed et feilfoldet protein. Men takket være det intrikate samspillet mellom mRNA, tRNA, ribosomet og ulike regulatoriske proteiner, skjer translasjon med imponerende presisjon.

Medisinstudenten.no