שעתוק (ביולוגיה)

תהליך המעבר מ-DNA לחלבון מכונה "הדוֹגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית"

שעתוק (על פי המינוח התקני: תעתוק; באנגלית: Transcription, לעיתים בתעתיק לעברית: טרנסקריפציה) הוא תהליך בביולוגיה של התא שבו מולקולת RNA מיוצרת לפי תבנית של מולקולת DNA.

תהליך השעתוק, המתרחש בתאיהם של כל היצורים החיים, הוא התהליך המייצר את תוצרי הגנים. תוצר גן יכול להיות פעיל כמולוקולת RNA, או לעבור תהליכים נוספים שיהפכו אותו לחלבון.

בתהליך יצירת חלבון, שעתוק הוא שלב הביניים המקשר בין תבנית ה-DNA ובין החלבונים הבונים את התא. השעתוק הוא שלב מקדים לתהליך התרגום, שבו ה-RNA משמש כתבנית ליצירת חלבון. השעתוק מתבצע על ידי האנזים RNA פולימראז.

תיאור כללי של התהליך

תהליך השעתוק והתרגום בתא איקריוטי

בתהליך השעתוק, מולקולת RNA חדשה מסונתזת על גבי תבנית של מולקולת DNA קיימת. בדומה לתהליך שכפול ה-DNA, הגדיל החדש נוצר על פי עקרון זיווג הבסיסים, שבו אדנין נקשר לאורציל (בשונה מתימין ב-DNA) וגואנין נקשר לציטוזין. כך נוצר רצף של נוקלאוטידים שהוא גדיל ה-RNA; כל נוקלאוטיד ב-RNA מזווג לנוקלאוטיד ב-DNA, לפי הרצף. הרצף של ה-RNA, אם כן, הוא רצף משלים לרצף תבנית ה-DNA שלפיה נוצר (למעט החלפת הנוקלאוטיד תימין ב-אורציל).

ה-DNA מורכב מגדיל כפול. בתחילת השעתוק נפרם הגדיל הכפול ורק אחד הגדילים משמש תבנית ליצירת ה-RNA. גדיל זה קרוי גדיל התבנית; הגדיל השני, שאינו מתועתק, קרוי הגדיל המקודד (שכן הרצף שלו זהה לרצף ה-RNA, מלבד העובדה שהוא מכיל תימין במקום אורציל). גדיל ה-RNA מסונתז, כמקובל בכתיב הגנטי, מקצה ה-'5 ועד לקצה ה-'3. גדיל התבנית של ה-DNA מסודר בצורה הפוכה, מ-'3 ועד ל-'5.

בניגוד לתהליך שכפול ה-DNA, תהליך השעתוק אינו מכיל מנגנון תיקון, ולכן מידת האמינות שלו נמוכה יותר ויש סבירות גבוהה יותר לטעויות בשעתוק. עם זאת, מכיוון שמשך זמן החיים של מולקולות ה-mRNA קצר מאוד (בין חצי דקה לשתי דקות), הסיכוי שטעות בתהליך תגרום נזק משמעותי לתא הוא נמוך. מולקולות ה-mRNA מתחלפות פעמים רבות במהלך חיי התא, ולכן טעות באחת מהן תגרום לנזק זמני בלבד, אם בכלל.

מולקולת ה-RNA אשר נוצרת בתהליך השעתוק מכונה, פעמים רבות, תעתיק (באנגלית: Transcript).

שלבי התהליך

תהליך השעתוק מתחלק לשלושה שלבים עיקריים: אתחול, התארכות וסיום.

אתחול

בחיידקים מורכב האנזים RNA פולימראז ממספר יחידות. "אנזים הליבה" בנוי מארבע תת-יחידות: שתי תת-יחידות α (אלפא), אחת β (בתא) ואחת 'β. האנזים השלם (ההולואנזים) כולל יחידה נוספת: σ (סיגמא), הקרויה לעיתים "גורם סיגמא".

ליבת אנזים לבדה מסוגלת לבנות גדיל RNA לפי תבנית ה-DNA. למרות זאת, גורם הסיגמא חיוני לשעתוק מוצלח, שכן הוא מסייע לאנזים להיקשר ל-DNA בתחילתם של גנים. הודות לכך לא מתבצעים שעתוקים אקראיים לכל אורך הגנום אלא רק מתחילתם של גנים ועד סופם. ההולואנזים (אנזים הליבה וגורם הסיגמא) נצמדים לפני השעתוק לאזור המצוי לפני תחילת הגן והקרוי קדם (פרומוטר). כל המקדמים בתאים פרוקריוטיים מכילים רצפים מסוימים של נוקלאוטידים, אותם מסוגל גורם הסיגמא לזהות.

אנזימי RNA פולימראז נקשרים למקומות אקראיים ב-DNA בכל העת. לאחר קשירתם הם משוטטים לאורך גדיל ה-DNA עד שהם מגיעים לקדם, אזי הם נעצרים ומתחילים את השעתוק. בתחילת השעתוק נפרמת המולקולה הדו-גדילית של ה-DNA. בקדם קיים רצף קטן המכיל תימין ואדנין בלבד; הרצף קרוי תיבת TATA. תימין נקשר לאדנין בשני קשרי מימן בלבד (לעומת שלושה קשרי מימן בין גואנין לציטוזין), כך שתיבת ה-TATA מאפשרת פרימה קלה יחסית של ה-DNA, תוך השקעה מינימלית של אנרגיה.

טרם קישור האנזים ל-DNA נקשרים גורמי שעתוק לרצפים שונים בקדם ועוזרים בגיוס הפולימראז. קיימת העדפה לכך שהנוקלאוטיד הראשון בגדיל ה-RNA החדש יהיה אדנין או גואנין. לאחר שעתוק של כעשרה בסיסים ניתק גורם הסיגמא מהאנזים והמשך השעתוק מתבצע בלעדיו. לעיתים מתבצע שעתוק הולך וחוזר של גדילים קצרים בני עשרה נוקלאוטידים, אשר נפלטים אל חלל התא ונהרסים מאוחר יותר; דבר זה מתרחש עד שגורם הסיגמא מצליח להינתק מהאנזים. גורם הסיגמא, עקב האפיניות הרבה שלו לקדם, מונע מהאנזים לצאת מהקדם ולהמשיך בשעתוק. שלב האתחול מסתיים "רשמית" עם ייצורו של גדיל RNA בן לפחות 12 נוקלאוטידים.

שעתוק נוסף של אותו גן או אופרון (על ידי מולקולות נוספות של RNA פולימראז) מתרחש לעיתים קרובות. לאחר שהאנזים מפנה את הקדם נקשר אל האחרון אנזים נוסף ומתחיל בייצור גדיל חדש של RNA.

התארכות

האנזים מתקדם על גבי תבנית ה-DNA ולכל בסיס בתבנית מביא לקשירת נוקלאוטיד משלים, לפי כללי זיווג הבסיסים. הנוקלאוטידים המרחפים בחלל התא או הגרעין מגיעים אל האנזים בצורת NTP (כלומר, נוקלאוטיד בעל שלוש קבוצות זרחה). כל נוקלאוטיד שנוסף מתחבר לגדיל ה-RNA ההולך ומתארך באמצעות קשר פוספודיאסטרי. חלבונים נוספים הקרויים גורמי התארכות חיוניים לתהליך.

סיום

ידועים שני מנגנונים לסיום (בלועזית: טרמינציה) תהליך השעתוק. בשניהם מתרחשת האטה של תנועת ה-RNA פולימראז על גבי ה-DNA. ההאטה מתרחשת ברצפים מסוימים ב-DNA הקרויים אתרי סיום או טרמינטורים:

• המנגנון הפנימי או המנגנון שאינו תלוי ברו. במנגנון זה רצף מסוים של DNA כגון משתיק גורם לסיום השעתוק. הרצף, אשר נמצא מחוץ לגבולות האזור המקודד של הגן (כלומר, הרצף אינו מתורגם לחלבון מאוחר יותר; הרצף מצוי לאחר קודון הסיום של הגן), גורם לשעתוק RNA המתקפל לאחר שעתוקו למבנה מרחבי של לולאה. מבנה הלולאה נוצר כתוצאה מזיווג בין בסיסי גואנין לציטוזין. מחוץ ללולאה קיים תמיד רצף של מספר בסיסי אורציל. הלולאה גורמת לעיכוב האנזים. כשהאנזים מגיע לבסוף לרצף האורציל, מתרחשת התנתקות של ה-RNA מה-DNA והשעתוק מופסק. בסיסי האורציל ב-RNA המזווגים לאדנין ב-DNA קשורים ל-DNA בשני קשרי מימן, זאת לעומת שלושה קשרי מימן בין גואנין לציטוזין. הקישור החלש המתפרס על פני מספר נוקלאוטידים באתר הסיום גורם לערעור יציבות מערך השעתוק ולפירוקו.

ניתן לראות כי מנגנון זה דומה למנגנון אתחול השעתוק בתיבת ה-TATA שבקדם, מנגנון המבוסס אף הוא על הקשרים החלשים שיוצר אדנין. רצף הסיום המביא ליצירת הלולאה משתנה מגן לגן, למעט אזור ה-GC בבסיס הלולאה ואזור האורציל. שעתוקם של כמחצית מהגנים ב-E. coli מסתיים באמצעות המנגנון הפנימי.

• מנגנון תלוי חלבון רו. מנגנון זה משתמש בגורם סיום, חלבון הקרוי ρ (רו) ואשר מורכב משש תת-יחידות זהות. החלבון נקשר לקצה ה-'5 של גדיל ה-RNA החדש (כלומר, הקצה שתועתק בהתחלה ואשר עתה נמצא הרחק מחוץ למערך השעתוק) ומתחיל לנדוד לעבר ה-RNA פולימראז. כשהאנזים מגיע לרצף מסוים המסמן את סיום השעתוק מתרחש עיכוב בתנועתו; אזי מדביק רוֹ את הפער, מגיע אל האנזים ומביא לפירוק מערך השעתוק. רצף ה-DNA הגורם לעיכוב האנזים אינו קשור לרצף הגורם ליצירת לולאות במנגנון הפנימי, והוא משתנה בצורה ניכרת מגן לגן; אתר סיום של חלבון רוֹ תמיד עשיר בציטוזין ודל בגואנין.

בקרה

ערך מורחב – בקרת שעתוק

בשל חשיבותו הרבה של התהליך הוא נמצא תחת בקרה כבדה. היום מאמינים שעיקר בקרת הגנים בתהליך המעבר מ-DNA לחלבון פעיל מתרחשת בשלב השעתוק. הסיבה לבקרה הכבדה כבר בתחילת התהליך היא האנרגיה הרבה, בעיקר בדמות מולקולות ATP, שהתא משקיע על מנת לסנתז מולקולת RNA ולאחר מכן ליצור לפיה חלבון פעיל.

עיקר הבקרה מתבצע בכך שקישור של בין ארבעה לשמונה גורמי שעתוק דרוש לרוב על מנת להתחיל את תהליך השעתוק. לעומת גורמים אלו, המעודדים שעתוק, קיימים גורמים אחרים כגון:גורמים מדכאים הנצמדים לרוב לקדם ומונעים היצמדות של RNA פולימראז.

עיבוד

לתהליך השעתוק מתלווים, בעיקר בתאים איקריוטיים, מספר תהליכים נוספים שעוזרים, בין השאר, לשמור על יציבות מולקולת ה-mRNA הנוצרת. בתאים איקריוטיים בלבד קרוי תוצר השעתוק pre-mRNA; לאחר תהליכי העיבוד, אשר במקרים רבים מתחילים עוד לפני סיום תהליך השעתוק, קרוי הגדיל mRNA בוגר. התהליכים הבולטים הם:

• הוספת כיפה לקצה '5 של ה-mRNA.
• פוליאדנילציה: הוספת זנב פוליאדנין (polyA) לקצה '3 של ה-mRNA.
• מתילציה של מספר בסיסים ב-mRNA.
• שחבור. ה-pre-mRNA באיקריוטים כולל אקסונים ואינטרונים. בתהליך השחבור מוסרים האינטרונים והאקסונים מוצמדים זה לזה.

הבדלים בשעתוק בין פרוקריוטים לבין איקריוטים

• בפרוקריוטים חסרי הגרעין, התהליך כולו מתרחש בציטופלזמה. באאוקריוטים מתרחש התהליך בגרעין התא; לאחר סיום השעתוק ומספר פעולות עריכה (כגון שחבור), ה-RNA שליח הסופי יוצא מהגרעין לציטופלזמה, שם מתרחש תהליך התרגום. היתרון בהפרדה זו באיקריוטים הוא שקיימת אפשרות לביצוע בקרה נוספת באמצעות סלקטיביות משתנה של מעטפת הגרעין.
• השלכה נוספת של הפרדת התהליכים באיקריוטים היא שבפרוקריוטיים יכול תהליך התרגום להתחיל בטרם מסתיים השעתוק. הריבוזומים, האחראיים לתהליך התרגום, נצמדים לגדיל ה-mRNA הנוצר בטרם ניתק הגדיל מה-DNA. דבר זה אינו אפשרי באיקריוטיים בשל הפרדת התהליכים (הריבוזומים מצויים בציטופלזמה והשעתוק מתבצע בגרעין).
• באיקריוטים התהליך כולו מורכב יותר וקיימים יותר גורמי שעתוק שמעורבים בכל שלביו.
• בפרוקריוטים קיים אנזים RNA פולימראז בודד; באיקריוטיים מוכרים מספר אנזימים שונים: RNA פולימראז I המסנתז rRNA,RNA פולימראז II המסנתז mRNA וסוגים נוספים של ncRNA, RNA פולימראז III המסנתז tRNA, סוגים נוספים של rRNA ומולקולות RNA קטנות נוספות, RNA פולימראז IV ו-RNA פולימראז V הייחודיים לצמחים ומסנתזים ncRNA. נוסף אל RNA פולימראזות אלו קיימים סוגים נוספים במיטוכונדריה ובכלורופלסטים. ההפרדה בין האנזימים מבטיחה אספקת כמויות גדולות של שני סוגי ה-RNA האחרונים, להם זקוק התא האיקריוטי.
• באיקריוטים מתועתק בכל עת גן בודד; כל גדיל mRNA שנוצר מקביל כמעט תמיד לגן בודד; גדיל כזה מכונה מונוציסטרוני. בפרוקריוטים מתועתקים במקרים רבים קבוצות של גנים הצמודים זה לזה. גדיל ה-mRNA הנוצר הוא פוליציסטרוני. לעיתים קשורים הגנים בתפקודם ובאופן הבקרה שלהם זה לזה, אזי הם אופרון.

שעתוק והמחקר הביולוגי

גילוי ראשוני של תהליך השעתוק התרחש ב-1965 במספר מעבדות במקביל. בסוף שנות ה-60 תיארו מספר עבודות מאוניברסיטת הרוורד חלקים נרחבים ממנגנון השעתוק. חקר המנגנון נמשך עד היום, והדרך להבנה מלאה של התהליך עודנה ארוכה.

את רמת ההתבטאות של גנים שונים ניתן למדוד בשלבים שונים של התהליך. קיימות מספר שיטות למדידת רמת השעתוק; שיטות אלו התפתחו בצורה ניכרת לקראת סוף המאה ה-20. באמצעות מערכי DNA ניתן למדוד בבת אחת את רמת השעתוק של כל הגנים בתא מסוים. שיטות נוספות למדידת רמת השעתוק הן PCR ותספיג דנ"א (Southern blot). כל השיטות מבוססות על זיהוי וכימות של גדילי ה-mRNA המיוצרים בתהליך השעתוק.

רצף קונצנזוס

רצף קונצנזוס הוא רצף נוקלאוטידים, הנמצא למשל ב-DNA או RNA, ויש לו קוד מסוים המוכר על ידי גורמים אחרים (חלבונים למשל), ומהווה סיגנל מסוים לאותם גורמים.

DNA- רצף קונצנזוס, הנמצא בפרומוטר, תיבת TATA. תיבת TATA מזוהה על ידי קומפלקס מסוים המשתתף בשעתוק וברגע שמתלבש עליו, מתחיל תהליך השעתוק, בנוכחות RNA פולימראז.

RNA- בגן ישנם קומבינציות של אינטרונים ואקסונים, ואזור הנקרא מסגרת קריאה פתוחה הנמצא אחרי הפרומוטר. לאחר תהליך השעתוק של RNA על תבנית ה-DNA, בתהליך השחבור ל-RNA יש רצף המוכר GT והוא התחלת השחבור ו-AG הוא סיום השחבור, אלה נמצאים ב-RNA לאחר השחבור כשביניהם יש אקסונים שונים מהגן, המקודדים לחלבון.

חלבונים- NLS לכל חלבון רצף קונצנזוס כך שהחלבונים האחרים מכירים אותו, ויכולים לשאת את החלבון למקומות אחרים בגוף.

ראו גם

• בקרת שעתוק
• תרגום (ביולוגיה)

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא שעתוק בוויקישיתוף

• ארז גרטי, השעתוק – יצירת תבנית RNA, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 31 אוגוסט 2009
• שעתוק, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• שעתוק גנטי, דף שער בספרייה הלאומית