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Die Transkription überträgt genetische Information von der DNA auf die RNA, die bei Eukaryoten durch Capping, Polyadenylierung und Splicing zur reifen mRNA prozessiert wird.
Die Transkription ist der erste Schritt der Genexpression. Dabei wird ein DNA-Abschnitt durch das Enzym RNA-Polymerase in eine einzelsträngige RNA-Kopie umgeschrieben. Im Gegensatz zur DNA-Replikation wird hier nicht das gesamte Genom verdoppelt, sondern nur ein spezifischer Genabschnitt aktiviert. Die Synthese erfolgt, wie bei der DNA-Polymerase, immer in 5' bis 3'-Richtung. Wichtig ist, dass die RNA-Polymerase (anders als DNA-Polymerasen) im Allgemeinen keine 3'-5'-Exonuklease-Aktivität (Proofreading) besitzt.
Der Prozess beginnt an einer spezifischen Startsequenz auf der DNA, dem Promoter. Ein wichtiger Bestandteil vieler eukaryotischer Promoter ist die TATA-Box, eine Sequenz aus Thymin und Adenin (typischerweise bei Position -25 bis -30), die der RNA-Polymerase signalisiert, wo sie binden muss. In Prokaryoten übernimmt ein verwandtes, AT-reiches Element an Position -10 (die Pribnow-Box) diese Funktion. Der Strang, der als Vorlage dient, wird Matrizenstrang (oder antisense-Strang) genannt; die entstehende RNA ist komplementär zu diesem Strang und damit identisch mit dem nicht-gelesenen 'codogenen' Strang (außer dass Uracil statt Thymin verwendet wird).
In der Phase der Elongation entwindet die RNA-Polymerase die DNA-Doppelhelix und fügt RNA-Nucleotide an das 3'-Ende der wachsenden Kette an. Sobald die Polymerase eine Terminationssequenz erreicht, löst sie sich von der DNA, und die neu synthetisierte RNA wird freigesetzt. Bei Prokaryoten, denen ein Zellkern fehlt, sind Transkription und Translation räumlich und zeitlich gekoppelt (die Translation beginnt oft co-transkriptionell). Bei Eukaryoten entsteht zunächst eine instabile Prä-mRNA im Zellkern.
Die Prä-mRNA muss im Zellkern modifiziert werden, um die RNA-Prozessierung zu durchlaufen. Der erste Schritt ist das Capping: Am 5'-Ende wird eine modifizierte Guanin-Struktur (7-Methylguanosin) angehängt. Dieses 'Cap' schützt die RNA vor enzymatischem Abbau und dient als Erkennungssignal für das Ribosom, damit die Translation später korrekt starten kann.
Am 3'-Ende erfolgt die Polyadenylierung. Ein Enzym hängt eine Kette von bis zu 250 Adenin-Nucleotiden an, den sogenannten Poly-A-Schwanz. Dieser stabilisiert die mRNA zusätzlich und reguliert deren Lebensdauer im Cytoplasma sowie den Export aus dem Zellkern. Ohne diese Modifikationen würde die mRNA in der Zelle sehr schnell durch RNasen (RNA-abbauende Enzyme) zerstört werden.
Ein entscheidender Unterschied zwischen eukaryotischer und prokaryotischer DNA ist der Aufbau der Gene: Eukaryotische Gene enthalten nicht-codierende Abschnitte, die Introns (Intervening regions), und codierende Abschnitte, die Exons (Expressed regions). Beim Splicing (Spleißen) werden die Introns präzise herausgeschnitten und die Exons miteinander verknüpft.
Dieser Vorgang wird vom Spleißosom katalysiert, einem großen Komplex aus Proteinen und kleinen RNA-Molekülen (snRNAs). Das Spleißosom erkennt spezifische Sequenzen an den Grenzen zwischen Introns und Exons. Die Erkennung erfolgt durch spezifische Basenpaarung zwischen den snRNAs und der Prä-mRNA (snRNAs sind somit direkt an der Sequenzerkennung beteiligt, nicht nur ein strukturelles Gerüst). Ein Intron beginnt am 5'-Ende (Donor-Site) typischerweise mit dem Dinukleotid GU und endet am 3'-Ende (Acceptor-Site) mit AG.
Der Spleißvorgang verläuft chemisch über zwei aufeinanderfolgende Umesterungen (Transesterifizierungen). Zuerst greift die 2'-OH-Gruppe eines spezifischen Adenosins im Intron (Verzweigungsstelle) die 5'-Spleißstelle nukleophil an. Dabei spaltet sich das 5'-Ende des Introns vom ersten Exon ab und bildet eine Lasso-Struktur (Lariat) über eine ungewöhnliche 2'-5'-Phosphodiesterbindung mit dem Verzweigungsadenin. Danach greift die freie 3'-OH-Gruppe des ersten Exons die 3'-Spleißstelle nukleophil an, wodurch die beiden Exons miteinander verknüpft werden und das Intron als Lasso freigesetzt und abgebaut wird.
Bei Eukaryoten erfolgt das Spleißen in der Regel co-transkriptionell, also noch während die RNA-Polymerase transkribiert. Ein weiterer wichtiger Unterschied ist, dass eukaryotische mRNAs meist monocistronisch sind (nur ein Protein codieren), während prokaryotische mRNAs oft polycistronisch sind (mehrere Proteine codieren).
Ein besonderer Mechanismus ist das alternative Splicing. Hierbei können aus einer einzigen Prä-mRNA durch unterschiedliche Kombinationen der Exons verschiedene reife mRNAs entstehen. Dies ermöglicht es der Zelle, aus einem einzigen Gen mehrere unterschiedliche Proteine zu produzieren, was die enorme Komplexität eukaryotischer Organismen trotz einer begrenzten Genanzahl erklärt. Beim alternativen Splicing können Exons auch fragmentiert werden, indem alternative Spleißstellen innerhalb des Exons genutzt werden.
