Transcription: Copying DNA to RNA

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Questions and Answers

Which of the following scenarios would most likely result in a complete blockage of transcription in a eukaryotic cell?

  • The addition of acetyl groups to histone proteins near the promoter region of a gene.
  • A mutation in a silencer region that prevents the binding of a repressor protein.
  • The presence of a non-functional TFIID complex that cannot bind to the TATA box. (correct)
  • A slight decrease in the concentration of available CTP and GTP nucleotides.

If a eukaryotic cell's RNA Polymerase II was unable to be phosphorylated, what would be the most likely consequence?

  • The cell would stall during the elongation phase due to the polymerase's inability to maintain a stable transcription bubble.
  • The cell would fail to terminate transcription properly due to deficient signaling.
  • The cell would be unable to initiate transcription because the PIC could not form.
  • The cell would initiate transcription, but RNA Pol II would remain bound to the promoter, preventing further transcription cycles. (correct)

Consider a bacterial cell where a mutation has occurred, preventing the Rho factor from functioning correctly. Which outcome is most likely?

  • Transcription initiation will be blocked due to the sigma factor's inability to recognize promoter regions.
  • Transcription will continue indefinitely, producing abnormally long RNA molecules.
  • Transcription will proceed normally, as Rho factor is only a backup termination mechanism.
  • Termination of transcription will only occur at intrinsic termination sites. (correct)

A researcher is studying a newly discovered eukaryotic gene and observes that its transcription rate is significantly reduced after exposure to a specific chemical. Further analysis reveals that the chemical does not directly interact with the DNA or any transcription factors. What is the most probable mechanism by which this chemical is affecting transcription?

<p>The chemical is inducing hypercondensation of chromatin in the region surrounding the gene. (B)</p> Signup and view all the answers

In a hypothetical scenario, a mutation in a eukaryotic cell results in a non-functional TFIIH. What is the most direct consequence of this mutation on transcription?

<p>The DNA double helix will be unable to unwind at the transcription start site. (C)</p> Signup and view all the answers

Which of the following scenarios would have the most significant impact on the ability of a eukaryotic cell to produce a specific protein?

<p>A mutation in the gene encoding for an snRNA required for splicing. (A)</p> Signup and view all the answers

A scientist introduces a mutation into the gene for the sigma factor in bacteria. Which of the following outcomes would you predict?

<p>Transcription would initiate at random sites along the DNA. (C)</p> Signup and view all the answers

A researcher discovers a new molecule that inhibits the function of the spliceosome. What direct effect would this molecule have on gene expression in eukaryotes?

<p>Production of pre-mRNA molecules with unspliced introns. (C)</p> Signup and view all the answers

If a mutation occurred in the gene encoding the AAUAAA sequence in eukaryotes, what would be the most likely consequence?

<p>The transcript would not be cleaved and polyadenylated correctly. (D)</p> Signup and view all the answers

Which of the following scenarios would be most likely to result in the constitutive (always on) expression of a gene that is normally tightly regulated?

<p>A mutation that prevents the binding of a repressor to a silencer. (C)</p> Signup and view all the answers

What is the most direct consequence of treating eukaryotic cells with a drug that inhibits the enzyme responsible for adding the 7-methylguanosine cap to mRNA?

<p>Decreased stability of mRNA and impaired translation initiation. (A)</p> Signup and view all the answers

A mutation occurs in a bacterium that prevents the formation of the hairpin loop structure during intrinsic transcription termination. What is the most likely outcome?

<p>Transcription will continue past the termination site, producing longer transcripts. (D)</p> Signup and view all the answers

Which of the following scenarios would most directly lead to a decrease in gene expression due to transcriptional gene silencing (TGS)?

<p>Recruitment of a microRNA complex to the DNA, inducing methylation. (D)</p> Signup and view all the answers

How does the action of α-amanitin, a toxin found in poisonous mushrooms, directly interfere with eukaryotic gene expression?

<p>It inhibits the activity of RNA Polymerase II, blocking mRNA synthesis. (B)</p> Signup and view all the answers

What is the primary mechanism by which DNA methylation typically leads to transcriptional repression in eukaryotes?

<p>By recruiting proteins that compact chromatin and inhibit transcription. (D)</p> Signup and view all the answers

How would a significant deficiency in the availability of ATP, UTP, CTP and GTP most directly impact the process of transcription?

<p>Slowing down the synthesis of the RNA molecule. (D)</p> Signup and view all the answers

A researcher discovers that a particular gene is transcribed at a much lower rate in differentiated cells compared to embryonic stem cells. Which of the following epigenetic mechanisms is most likely responsible for this difference?

<p>Increased acetylation of histones in the embryonic stem cells. (C)</p> Signup and view all the answers

A eukaryotic cell is treated with a drug that inhibits the addition of the poly(A) tail to mRNA molecules. What is the most likely consequence of this treatment?

<p>Decreased mRNA stability and reduced translation efficiency. (D)</p> Signup and view all the answers

Which of the following best describes how a mutation in a gene coding for a transcription factor could affect transcription?

<p>It could result in a non-functional transcription factor, altering gene expression. (D)</p> Signup and view all the answers

A researcher is studying a bacterial gene and identifies a mutation in the -35 sequence of the promoter. What effet, if any, would you expect this mutation to have?

<p>RNA polymerase will not be able to recognize and bind to the promoter. (D)</p> Signup and view all the answers

Flashcards

Transcription

Biological process where DNA's genetic information is copied into a complementary RNA molecule.

The role of RNA

Serves as intermediate for carrying instructions from DNA to ribosomes, facilitates protein synthesis.

Template Strand

DNA strand used as a template for RNA synthesis.

RNA Polymerase

Enzyme that catalyzes the synthesis of RNA.

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Ribonucleoside Triphosphates

Building blocks of RNA, provide the bases and energy for RNA formation.

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Transcription Factors

Proteins aiding RNA Polymerase in recognizing where to start and regulating efficiency.

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Promoter

DNA sequence near a gene's start, acting as a binding site for transcription machinery.

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TATA-binding protein (TBP)

Protein that recognizes and binds to the TATA box in eukaryotes.

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Pre-Initiation Complex (PIC)

Complex formed by GTFs and RNA Polymerase II at the promoter.

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DNA Strand Separation

Unwinding of DNA at the start site, exposes the template strand.

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CTD Phosphorylation

Addition of phosphate groups to the CTD of RNA Pol II, weakens GTF interaction.

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Elongation

Phase where RNA Polymerase moves along DNA, synthesizing RNA molecule.

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Capping

Addition of a 7-methylguanosine cap to the 5' end of pre-mRNA.

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Splicing

Removal of introns and joining of exons.

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Termination Signals

Signals recognized by proteins to cut the RNA in eukaryotes.

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Poliadenylation

Addition of a poly(A) tail to the 3' end of the pre-mRNA.

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Intrinsic Termination

End of transcription independent of Rho factor.

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Rho-dependent Termination

Transcription ends induced by Rho factor which separates RNA from DNA.

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Mutations in Regulatory Sequences

Mutations altering the promoter, enhancers, silencers or in termination sites.

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Chromatin Condensation

When DNA is tightly packed, transcription cannot occur.

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Study Notes

  • Transcripción

Definición General

  • La transcripción es el proceso biológico donde la información genética en el ADN se copia a una molécula de ARN complementaria.
  • Es el primer paso de la expresión génica, transfiriendo información del ADN (archivo maestro) al ARN (copia de trabajo).

Necesidad de la Transcripción

  • El ADN se encuentra principalmente en el núcleo en eucariotas, mientras que las proteínas se sintetizan en los ribosomas del citoplasma.
  • El ARN actúa como mensajero intermediario (ARNm) que transporta las instrucciones del ADN nuclear a los ribosomas.
  • Otros tipos de ARN (ARNt, ARNr) tienen funciones estructurales o catalíticas directas.

Actores Principales

  • Plantilla de ADN: La hebra de ADN que sirve como molde para la síntesis de ARN; también llamada hebra molde, no codificante o antisentido.
  • La hebra complementaria a la molde se llama hebra codificante o sentido, y su secuencia es similar a la del ARN transcrito, con uracilo (U) en lugar de timina (T).
  • ARN Polimerasa: Enzima clave que cataliza la síntesis de ARN leyendo la hebra molde de ADN y ensamblando la cadena de ARN.
  • Eucariotas: ARN Pol I (ARNr grandes), ARN Pol II (ARNm y ARN pequeños), ARN Pol III (ARNt y ARNr pequeño); el enfoque está en la ARN Pol II.
  • Procariotas: Un solo tipo de ARN polimerasa.
  • Ribonucleósidos Trifosfato (ATP, UTP, CTP, GTP): Bloques de construcción del ARN que proporcionan bases (A, U, C, G) y energía para la formación de enlaces.
  • Factores de Transcripción: Proteínas que ayudan a la ARN Polimerasa a reconocer dónde empezar (promotor) y regular la eficiencia del proceso (principalmente en eucariotas).

Fases de la Transcripción

  • La transcripción se divide en iniciación, elongación y terminación.

Iniciación

  • Comienza cuando la ARN Polimerasa se une al ADN en el lugar correcto para empezar a copiar el gen.
  • Reconocimiento del Promotor (Eucariotas - ARN Pol II):
  • Promotor: Secuencia de ADN cerca del inicio de un gen que actúa como sitio de unión para la maquinaria de transcripción.
  • Contiene secuencias consenso como la "caja TATA", rica en timina y adenina, ubicada aproximadamente 25-35 pares de bases antes del sitio de inicio de la transcripción (+1).
  • Factores Generales de Transcripción (GTFs): Proteínas que ayudan a la ARN Pol II a unirse al promotor.
  • El proceso suele empezar con TFIID, que contiene la Proteína de Unión a TATA (TBP), reconociendo y uniéndose a la caja TATA.
  • Formación del Complejo de Pre-iniciación (PIC): Tras la unión de TFIID, otros GTFs (TFIIA, TFIIB, TFIIF, TFIIE, TFIIH) y la ARN Polimerasa II se ensamblan secuencialmente en el promotor, formando el PIC.
  • TFIIB es crucial para posicionar la Pol II correctamente.
  • Separación de las Hebras de ADN:
  • TFIIH tiene actividad helicasa para desenrollar la doble hélice de ADN en el sitio de inicio (+1), creando la "burbuja de transcripción".
  • Inicio de la Síntesis de ARN:
  • La ARN Polimerasa II sintetiza una corta cadena de ARN (unos 10 nucleótidos) utilizando la hebra molde como guía.
  • Este inicio puede ser "abortivo" hasta lograr "escapar" del promotor.
  • Escape del Promotor (Promoter Clearance):
  • La ARN Pol II debe liberarse del promotor y de la mayoría de los GTFs para pasar a la elongación.
  • Un paso clave es la fosforilación de la "cola" de la ARN Pol II (Dominio C-Terminal o CTD) por parte de TFIIH, debilitando su interacción con los GTFs y el promotor.
  • Diferencia en Procariotas:
  • La iniciación es más simple.
  • La ARN Polimerasa (con una subunidad llamada factor sigma) se une directamente a secuencias promotoras específicas.
  • El factor sigma se libera una vez que comienza la elongación. No se requieren múltiples GTFs ni fosforilación del CTD.

Elongación

  • La ARN Polimerasa se mueve a lo largo del ADN y sintetiza la molécula de ARN.
  • Lectura de la Hebra Molde: La ARN Polimerasa lee la hebra molde de ADN en la dirección 3' a 5'.
  • Síntesis del ARN: Se añaden ribonucleótidos complementarios uno por uno a la cadena de ARN en crecimiento en la dirección 5' a 3'.
  • Formación del Enlace Fosfodiéster: La energía proviene de la hidrólisis del ribonucleósido trifosfato, formando un enlace fosfodiéster entre el grupo 5'-fosfato del nucleótido entrante y el grupo 3'-hidroxilo del último nucleótido añadido.
  • Burbuja de Transcripción: La polimerasa mantiene una burbuja de ADN desenrollado (unos 12-14 pares de bases) a medida que avanza
  • Liberación del ARN: La cadena de ARN recién sintetizada se separa de la hebra molde de ADN, permitiendo que el ADN se re-aparea detrás de la burbuja.
  • Procesamiento Co-transcripcional (Eucariotas):
  • El ARN naciente (pre-ARNm) sufre modificaciones químicas durante la elongación, orquestadas por factores asociados a la cola fosforilada (CTD) de la ARN Pol II.
  • Capping (Encaperuzamiento) en 5': Se añade una "caperuza" de 7-metilguanosina tan pronto como emerge el extremo 5' del ARN (unos 20-30 nucleótidos).
  • Esta caperuza protege al ARNm de la degradación, ayuda a exportarlo del núcleo y es reconocida por los ribosomas para iniciar la traducción.
  • Splicing (Empalme o Corte y Empalme): Los intrones son eliminados y los exones se unen entre sí. Este proceso es realizado por el espliceosoma.

Terminación

  • La síntesis de ARN se detiene y la molécula de ARN y la ARN Polimerasa se liberan del ADN.
  • Señales de Terminación (Eucariotas - ARN Pol II):
  • La ARN Pol II transcribe más allá de la secuencia que codificará el final del ARNm.
  • Señal de Poliadenilación: Una secuencia específica en el ARN (comúnmente AAUAAA) es reconocida por proteínas de procesamiento.
  • Corte del ARN: Un complejo proteico corta el ARN después de la señal AAUAAA, liberando el pre-ARNm.
  • Poliadenilación: La Poli(A) Polimerasa añade una cola de múltiples residuos de Adenina (50-250 As), la cola de Poli(A), al extremo 3' recién cortado.
  • Esta cola ayuda a la estabilidad del ARNm, a su exportación del núcleo y a la iniciación de la traducción.
  • Desprendimiento de la Polimerasa: Una exonucleasa se une al extremo 5' del ARN remanente y lo degrada rápidamente hasta alcanzar a la polimerasa, provocando que esta se disocie del ADN.
  • Diferencia en Procariotas:
  • Terminación Independiente de Rho (Intrínseca): La secuencia de ADN transcrita genera una estructura en horquilla seguida de una serie de Uracilos, lo que desestabiliza la unión de la polimerasa.
  • Terminación Dependiente de Rho: El factor Rho se une al ARN naciente y viaja hacia la polimerasa, separando el ARN del ADN y de la polimerasa.

Resultado Final

  • Procariotas: Se produce directamente un ARNm funcional que puede ser traducido inmediatamente.
  • Eucariotas: Se produce un pre-ARNm que debe sufrir un procesamiento completo (capping 5', splicing, poliadenilación 3') antes de convertirse en ARNm maduro y ser exportado al citoplasma para la traducción.

Factores que Interfieren en la Transcripción

  • La transcripción es un proceso muy regulado, y diversos factores pueden interferir con él.
  • Estos factores pueden actuar en distintos niveles.

Factores a Nivel del ADN

  • Mutaciones en Secuencias Reguladoras:
  • Promotor: Pueden impedir o debilitar la unión de la ARN Polimerasa y los factores de transcripción, reduciendo o eliminando la iniciación de la transcripción.
  • Potenciadores / Silenciadores: Pueden impedir la unión de factores de transcripción específicos, alterando la tasa de transcripción del gen.
  • Sitios de Terminación: Pueden provocar que la transcripción continúe más allá del punto adecuado o termine prematuramente.
  • Daño en el ADN: Lesiones causadas por agentes mutagénicos pueden detener o ralentizar el avance de la ARN Polimerasa durante la elongación.
  • Estructura de la Cromatina:
  • Condensación de la Cromatina: La maquinaria de transcripción no puede acceder a los genes.
  • Modificaciones Epigenéticas:
  • Metilación del ADN: Generalmente se asocia con la represión de la transcripción, impidiendo la unión de factores activadores o reclutando proteínas que compactan la cromatina.
  • Modificaciones de Histonas: La acetilación generalmente relaja la cromatina y favorece la transcripción, mientras que ciertos tipos de metilación pueden compactarla y reprimirla.

Factores a Nivel de Proteínas

  • Inhibidores de la ARN Polimerasa:
  • Toxinas: La a-amanitina inhibe potentemente la ARN Polimerasa II eucariota, bloqueando la síntesis de ARNm.
  • Antibióticos: La Rifampicina inhibe la ARN Polimerasa bacteriana. La Actinomicina D se intercala en el ADN y bloquea la elongación.
  • Disponibilidad o Funcionalidad de Factores de Transcripción:
  • Ausencia/Baja Concentración de Activadores: Si los TFs específicos necesarios para activar un gen no están presentes, la transcripción será baja o nula.
  • Presencia de Represores: Pueden unirse a silenciadores o competir con activadores, o interactuar directamente con la maquinaria basal para inhibir la transcripción.
  • Mutaciones en genes de TFs: El TF puede ser no funcional o tener una actividad alterada.
  • Modificaciones Post-Traduccionales: Si estas modificaciones no ocurren correctamente, su función se ve afectada.

Factores Regulatorios Celulares

  • Señales Celulares: La ausencia de señales externas o internas que normalmente inducen la expresión de un gen interferirá con su transcripción.
  • Mecanismos de Retroalimentación Negativa: El producto final puede inhibir la transcripción de un gen clave.
  • ARN no codificantes: Algunos ARN pequeños (como microARNs o siARNs) pueden inducir metilación o cambios en histonas, llevando al silenciamiento transcripcional.

Factores Ambientales y Químicos

  • Temperatura y pH extremos: Pueden desnaturalizar la ARN Polimerasa y los factores de transcripción, o alterar la estructura del ADN.
  • Disponibilidad de Sustratos: Una carencia severa de ribonucleósidos trifosfato limitará la velocidad de síntesis de ARN.
  • Fuerza iónica: Concentraciones salinas inadecuadas pueden afectar las interacciones proteína-ADN y proteína-proteína.

Estado Celular General

  • Ciclo Celular: La tasa de transcripción global varía durante el ciclo celular, siendo generalmente menor durante la mitosis.
  • Estrés Celular: Diversas condiciones de estrés pueden activar o reprimir programas transcripcionales específicos.
  • Infecciones Virales: Los virus pueden secuestrar la maquinaria de transcripción de la célula huésped o inhibir la transcripción de genes del huésped.

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