Созревание (процессинг РНК)

Синтез РНК (транскрипция РНК).

Структура РНК.

Организация генетического материала у эукариот.

Способ записи генетической информации

Организация генетического материала. Функциональные отделы генома.

Общие сведения об экспрессии генов.

1. Общие сведения об экспрессии генов

Как известно, в ДНК содержится определенная генетиче­ская информация:

- о структуре всех белков и РНК организма, а также о порядке реализации этой информации в раз­ных клетках в процессе онтогенеза и при различных функциональных состояниях.

Поскольку во всех соматических клетках организма — один и тот же набор из 46 хромосом, — то, несмотря сильные отличия между клетками, все они содержат в своих ДНК одну и ту же генетическую информацию. (Некоторое исключение составляют лимфоциты, в процессе формирования которых происходит перестройка генов иммуноглобулинов.)

В процессе репликации ДНК генетиче­ская информация воспроизводится целиком, чтобы затем передаваться дочерним клеткам. Но, кроме того, эта информация экспрессируется (реализуется) в клетке, обуславливая все проявления ее жизнедеятель­ности. Однако экспрессии подвергается не вся имеющая­ся в ядре генетическая информация, а лишь какая-то ее часть.

Экспрессия информации о структуре определенного белка включает 2 основных этапа:

а) Первый из них — транскрипция: образование в клеточ­ном ядре на соответствующем гене (локализующемся в одной из хромосом) специального посредника — матричной РНК (мРНК).

Смысл этого процесса — переписывание информации о структуре белка с огромного неподвижного носителя (ДНК в составе хромосомы) на небольшой подвижный носитель —мРНК. Примерно так же обстоит дело, когда с же­сткого диска компьютера, содержащего тысячи фай­лов, переписывают один из них на дискету. Следовательно, мРНК, считанные с разных генов, должны отличаться друг от друга — как отли­чаются друг от друга сами гены. Другое важное обстоя­тельство: непосредствен­ный продукт транскрип­ции гена правильней называть предшественником мРНК (пре- мРНК). Дело в том, что новообразован­ная мРНК подвергается тут же (в ядре) созреванию, или процессингу. При этом она пре­терпевает существенную модификацию. И лишь после того зрелая мРНК поступает из ядра в цитоплазму.

б) Второй из основных этапов экспрессии гена трансля­ция: синтез белка на рибосомах по программе, диктуемой мРНК. Суть этой программы — определение очередности, в ко­торой аминокислоты должны включаться в строящуюся пеп­тидную цепь. Причем в процессе участвуют не свободные, а активированные аминокислоты: каждая из них связана с т. н. транспортной РНК (тРНК), т. е. находится в виде аминоацил- тРНК (аа- тРНК). Для каждой из 20 аминокислот имеется своя специфическая форма тРНК, а чаще даже не одна, а несколько форм.

Рибосомы же играют в трансляции роль молекулярных ма­шин, обеспечивающих правильное взаимодействие участников. В состав рибосомы входят четыре молекулы т. и. рибосомной РНК (рРНК) - по одной молекуле каждого из 4 х видов рРНК. Объединяясь с рибосомными белками, они образуют две субъе­диницы рибосомы и выполняют в них структурную, а также, возможно, каталитическую функции. Таким образом, в трансляции участвуют PНK трех клас­сов - мРНК, тРНК и рРНК.

2. Организация генетического материала. Функциональные отделы генома

Гены и их структура

Собственно информация о структуре белков и РНК записа­на в участках ДНК, называемых генами и цистронами.

Ген — это участок ДНК, кодирующий один белок.

Цистрон же участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь.

У животных и чело­века цистроны нередко рас­полагаются в разных хромосомах и обычно тоже называ­ются генами. Кроме генов всех белков организма, в хромосомах имеются также гены РНК — четырех видов рибосомных РНК и нескольких десятков транспортных РНК.

Общая совокупность генов, определяющих наследственную информацию организма, называется геномом.

Почти все гены эукариот (в отличие от генов прокариот) имеют характерную особенность: содержат не только кодирую­щие участки - экзоны, но и некодирующие - интроны. Экзоны и интроны перемежаются друг с другом, что придает гену как бы «разорванную» структуру.

Число интронов в гене варьирует от 2 до несколь­ких десятков; в гене миози­на их около 50. Порой на ин­троны приходится до 90 % общей длины гена.

Прочие отделы ДНК

Между генами также находятся некодирующие последовательности — спейсеры. Несмотря на общее название, функциональная роль их может быть обсалютно различной.

а) Многие спейсерные участки, видимо, выполняют струк­турную роль:

- участвуют в правильной укладке нуклеосомной цепи в высшие структуры хроматина,

- в прикреплении хромосом к аппарату центриолей и т. д.

б) Другие некодирующие участки ДНК служат специфиче­скими локусами связывания определенных белков:

- функционирующих на ДНК ферментов,

- белков, выполняющих регуляторную функцию.

При этом участки связывания РНК-полимеразы (фермента, синтезирующего РНК на ДНК) называются промоторами. Они либо вплотную примыкают к началу гена (или группы ге­нов), либо отделены от гена какими-либо другими функцио­нальными локусами.

в) У эукариот (включая человека) регуляцию «прочтения» ге­нов осуществляют не только белки-репрессоры, но и белки-ак­тиваторы — т. н. транскрипционные факторы.

К последним относятся уже упоминавшиеся общие факторы транскрипции, необходимые для связывания РНК полимеразы с промотором. Эти факторы имеются во всех клетках и необходи­мы для «прочтения» любого функционирующего гена.

Другие транскрипционные факторы повышают активность только определенных генов, и локусы ДНК, связывающие такие факторы, называются энхансерами.

г) Наконец, в ДНК могут содержаться короткие локусы, служащие сигналами об окончании (терминации) транскрип­ции ДНК.

Терминирующие участки, распола­гающиеся после генов, называются терминаторами.

3. Способ записи генетической информации

Функциональная роль цепей ДНК

Две цепи ДНК в области гена принципиально различаются по своей функциональной роли: одна из них является кодирую­щей или смысловой, вторая — матричной.

Это значит, что в процессе «считывания» гена (транскрип­ции, или синтеза пре-мРНК) в качестве матрицы выступает только одна — матричная — цепь ДНК. Продукт же этого про­цесса — пре- мРНК по последовательности нуклеотидов сов­падает с кодирующей цепью ДНК (с заменой тиминовых основа­ний на урациловые).

Таким образом, получается, что с помощью матричной це­ни ДНК при транскрипции воспроизводится в структуре РНК генетическая информации кодирующей цепи ДНК.

На рисунках ген принято изображать так, чтобы кодирую­щая цепь была сверху; тогда, в соответствии с общим правилом изображения ДНК, 5'-конец кодирующей цепи дол­жен располагаться слева.

Информация на кодирующей цепи записана в направлении 5´→3´; следовательно, промотор находится со стороны 5'-конца кодирующей цепи гена. И этот же конец принято считать 5'-концом всего гена (хотя у его матричной цепи здесь находится 3‘- конец).

Основные свойства генетического кода

Единицей информации в кодирующей цепи ДНК является триплет — последовательность из трех нуклеотидов.

4 вида нуклеотидов (встречающиеся в ДНК) могут образо­вывать 64 вида триплетов. Из них 61 триплет является смы­словым, т. е. кодирует ту или иную из 20 аминокислот, а 3 три­плета являются «бессмысленными».

Как видим, на одну аминокислоту приходится в среднем несколько смысловых триплетов (в реальности от 1 до 6). По этой причине генетический код называют вырожденным. Не будь он таким, случайные точечные мутации (замены в ДНК одних нуклеотидов на другие) с очень высокой частотой приво­дили бы к появлению «бессмысленных» триплетов.

В то же время код специфичен: каждому из смысловых три­плетов соответствует только одна аминокислота.

Сама же информация о белке состоит в том, что в полном ге­не (исключая интроны) линейная последовательность триплетов кодирует аналогичную линейную последовательность аминоки­слот в первичной структуре данного белка (в направлении от аминного к карбоксильному концу пептидной цепи).

Этого оказывается вполне достаточно, поскольку первич­ная структура белка определяет пространственную конфигура­цию белковой молекулы, а также ее физико-химические и био­логические свойства.

Линейное соответствие между последовательностью три­плетов в экзонах гена и аминокислот в пептидной цепи обозначается как коллинеарность генетического кода.

Итак, генетический код является триплетным. специфиче­ским, вырожденным, коллинеарным и непрерывным. К этому списку обычно добавляют универсальность: у всех видов организмов смысл любого триплета один и тот же.

Генетический код

Говоря о коде, до сих пор мы имели в виду смысловую цепь ДНК. Но такова же, с учетом замены тимина (Т) на урацил (У), последовательность нуклеотидов в пре-мРНК.

Триплеты мРНК, соответствующие триплетам ДНК, назы­ваются кодонами. Действительно, именно они непосредственно:

- определяют порядок включения аминокислот в пептидную цепь, синтезируемую на рибосоме.

- кодоны одной аминокислоты различаются лишь последним (третьим) нуклеотидом.

- у сходных по стро­ению аминокислот кодоны также сходны между собой: совпада­ют по двум нуклеотидам или по одному, но центрально­му, нуклеотиду.

4. ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА У ЭУКАРИОТ

Гены ряда белков и РНК

Одна из отличительных черт мно­гих генов эукариот — наличие в их составе некодирующих участков — интронов.

Другая особенность состоит в том, что наряду с уникальны­ми генами (представленными в гаплоидном геноме единичным числом копий) встречаются многократно повторяющиеся гены.

Чтобы проиллюстрировать эти две особенности, рассмо­трим некоторые конкретные гены:

Гены гистонов

Гистоны — основные (по кислотно-щелочным свой­ствам) белки, участвующие в формировании нуклеосомной структуры хроматина. Каждый из пяти видов эт­их белков (HI, Н2А, Н2В, НЗ и Н4) кодируется соответству­ющим геном.

Гены рибосомных РНК

В состав рибосом входят рРНК четырех видов. Данные РНК различаются по константе седиментации.

На функционирование генов оказывают влияние очень многие белки.

Общие факторы транскрипции

Общие факторы транскрипции – это такие транскрипционные факторы, которые необходимы для связывания РНК-полимера­зы с промотором, причем и сами тоже взаимодействуют с промотором.

Белок р53 как транскрипционный фактор

Среди большого числа уже открытых транскрипционных факторов наиболее известен, пожалуй, белок р53. Это объясня­ется тем, что он контролирует исключительно важные клеточ­ные процессы и, благодаря этому, вовлечен в большое количе­ство всевозможных регуляторных цепей.

Функциональная роль.

Белок р53 (или его ген) активируется в ответ на разнообраз­ные повреждения клеточной структуры:

-нерепарированные разрывы и другие повреждения ДНК,

-нарушение расхождения хромосом в митозе,

-разрушение микротрубочек и т. д.

В итоге через посредничество белка р53 клетка в ответ на повреждения своей структуры

-либо задерживается на той или иной стадии митотиче­ского цикла и исправляет эти повреждения;

- либо (при невозможности исправлений) вообще прекра­щает деления и вступает в процесс клеточного старения;

- либо (при потенциальной опасности поврежденной клет­ки для ее окружения) осуществляет апоптоз, т. е., по­просту говоря, самоубийство.

В частности, апоптозу, помимо прочих, подвергаются и клетки, в которых произошла опухолевая трансформация. В этой связи понятно, почему одновременно тормозится ангио­генез: это еще один способ ограничения опухолевого роста.

Поэтому белок р53 — один из наиболее важных опухоле­вых супрессоров. В большинстве же развивающихся опухолей функции белка р53 оказываются в том или ином отношении на­рушены.

5. СТРУКТУРА РНК

Все транскрипционные факторы, как и сама транскрипция, призваны обеспечить только одно — образование с нужной ско­ростью РНК на тех или иных участках хромосом.

Общий план строения РНК

Как и ДНК, РНК представляют собой линейные (т. е. неразветвленные) полинуклеотиды с тем же принципом организации:

- состоят из четырех видов нуклеотидов, каждое из которых включает азотистое основание, пентозу и фосфатный остаток;

- нуклеотиды связаны в цепь с помощью 5´,3´-фосфоди- эфирных связей;

- полинуклеотидные цепи полярны, т. е. имеют различи­мые 5'- и 3'-концы.

Но имеются и отличия от ДНК. Главное из них — то, что мо­лекулы РНК (кроме РНК некоторых вирусов) являются не двух-, а одноцепочечными. Причиной служат следующие три особен­ности первичной структуры.

а) Во-первых, пентоза в РНК это не дезоксирибоза, а ри боза, которая содержит дополнительную гидроксигруппу. По­следняя делает двухцепочечную структуру менее компактной.

б) Во вторых, среди четырех главных, или мажорных, азо­тистых основании вместо тимина содержится урацил, отличающнйся от тимина лишь отсутствием метильной группы в 5-м по­ложении.

6. СИНТЕЗ РНК (ТРАНСКРИПЦИЯ ДНК)

Общая характеристика транскрипции

В отличие от репликации ДНК, транскрипция ДНК происходит прак­тически во всех ядросодержащих клетках - как делящихся, так и неделящихся.

Причем в делящихся клетках она совершается в любой мо­мент митотического цикла, кроме периода репликации (у эука­риот) и собственно деления.

Более того, транскрипция какого либо участка ДНК может совершаться не только почти в любой момент цикла, но и много­кратно - сколь угодное число раз. С другой стороны, набор транскрибируемых в клетке участков под действием тех или иных факторов нередко меняется.

Ферментативное обеспечение процесса осуществляется РНК-полимеразой. У эукариот три вида этого фермента:

РНК-полимераза I - для синтеза пре-рРНК.

РНК-полимераза II - для синтеза пре-мРНК и

РНК-полимераза III — для синтеза пре-тРНК

Фермент ползет вдоль ДНК и катализирует поочередное включение в растущую цепь рибонуклеотидов, комплементар­ных нуклеотидам матричной цепи ДНК.

Еще одно сходство с синтезом ДНК состоит в направлении роста строящейся цепи — 5´→3´. Это значит, что у этой цепи оче­редные нуклеотиды присоединяются к З'-концу.

Как при всех матричных синтезах, строящаяся цепь антипараллельна матричной цепи ДНК. Следовательно, по­следняя транскрибируется ферментом в направлении 3´→5´.

Но имеются и принципиальные отличия от синтеза ДНК.

а) Асимметричность процесса: в качестве матрицы, как мы знаем, используется лишь одна цепь ДНК. Не совсем ясно, как ферментная система осуществляет правильный выбор нужной це­пи. Видимо, ключевую роль тут играют какие-то последователь­ности нуклеотидов на одной из цепей, узнаваемые системой.

б) Консервативность процесса: молекула ДНК по оконча­нии синтеза РНК возвращается в исходное состояние. При син­тезе же ДНК молекулы наполовину обновляются, что делает ре­пликацию полуконсервативной.

в) Наконец, синтез РНК не требует для своего начала ника­кой затравки, тогда как при репликации ДНК необходима РНК- затравка.

Механизм транскрипции

Инициация транскрипции

Первый и, пожалуй, важнейший этап транскрипции — это ее инициация: связывание РНК- полимеразы с промотором и образование первой межнуклеотидной связи.

О связывании РНК-полимеразы мы говорили уже не раз, поэтому сейчас лишь напомним основные моменты (с добавле­нием некоторых сведений).

У эукариот всегда требуется предварительное связывание с промотором целой совокупности белков общих факторов транскрипции, с образованием комплекса. Связавшись с промотором, РНК- полимераза вызывает ло­кальную денатурацию ДНК, т. е. разделение цепей ДНК на про­тяжении примерно 1,5 витка ДНК. Как говорят, образуется транскрипционный «гла­зок». Благодаря этому нуклеотиды матричной цепи ДНК в обла­сти «глазка» становятся доступными для спаривания с рНТФ (рибонуклеозидтрифосфат).

Первым в строящуюся цепь РНК всегда включается пури­новый нуклеотид — АТФ или ГТФ, причем все три его фосфат­ных остатка сохраняются.

Затем образуется первая 5',3'-фосфатная связь со вторым нуклеотидом.

Элонгация транскрипции

Следующий за инициацией этап — элонгация: постепенное удлинение растущей цепи пре- РНК до окончательного размера.

Это происходит по мере продвижения РНК-полимеразы по ДНК. Соответственно, перемещается и транскрипционный «глазок», т. е. участок локального расплетения ДНК. На транскрибированной же части ДНК двухцепочечная спи­ральная структура восстанавливается сразу после ухода РНК- полимеразы.

Примерная скорость движения фермента и синтеза РНК — 30 нуклеотидов в секунду.

Терминация транскрипции

Последний этап терминация, или окончание транскрип­ции.

Сигналом для этого служат специальные ГЦ-богатые участ­ки в конце генов. Поскольку сила взаимодействия пар ГЦ до­вольно велика, локальная денатурация таких участ­ков в ДНК происходит трудней. Это замедляет продвижение РНК -полимеразы и может служить для нее сигналом к прекра­щению транскрипции.

Но еще до окончания процесса в конце новосинтезированной РНК тоже успевает появиться ГЦ богатый участок. Благо­даря взаимодействию между своими нуклеотидами, он образует «шпильку».

Т. е. взаимодействия с нуклеотидами матричной цепи ДНК заменяются на «внутришпилечные» взаимодействия. Это облегчает отсоединение РНК от ДНК.

7. СОЗРЕВАНИЕ (ПРОЦЕССИНГ) РНК

Практически все процессы созревания РНК могут быть по­дразделены на три типа:

-удаление одних,

-присоединение других и

-модификация тех же или третьих нуклеотидов.

Удаление «лишних» последовательностей

Общее описание

Удаление «лишних» нуклеотидов осуществляется спе­циальными нуклеазами. Экзонуклеазы последовательно отще­пляют с определенного конца цепи (3´ или 5´) по одному нуклео­тиду. А эндонуклеазы разрезают цепь где-то в средних участ­ках, приводя к ее фрагментации.

Механизм, сплайсинга

Один из ключевых моментов рассматриваемого механизма обеспечение точности разрезания цепи пре-РНК: ошибка даже на один нуклеотид приведет к «сдвигу рамки», что изменит смысл всех кодонов мРНК или антикодона тРНК.

Точность достигается благодаря двум обстоятельствам:

Во-первых, в начале и в конце каждого интрона имеются определенные последовательности нуклеотидов: так, интроны всегда начинаются с Г-У, а кончаются дуплетом А-Г.

Во-вто­рых, для узнавания этих последовательностей используются специальные РНК т. н. малые ядерные РНК (мяРНК). По­следние связаны с ферментами, катализирующими сплайсинг. Такие рибонуклеопротеидные комплексы называются сплайосомами.

Сплайсинг начинается со взаимодействия двух мяРНК с на­чалом и концом интрона. Это дает «ориентацию» для эндону­клеазы: последняя действует на границах двух- и одноцепочеч­ных участков.

Первый разрыв пре-РНК происходит в области 5´ конца ин­трона - это место нахождения левого края левой мяРНК. При этом 5' конец интрона связывается с одним из ну­клеотидов в средней части того же интрона, что приводит к обра­зованию кольцевой структуры.

Присоединение и модификация нуклеотидов

Итак, в процессе созревания пре-РНК последняя теряет значительную часть нуклеотидов. Но происходит также и не­транскрипционное присоединение отдельных нуклеотидов.

В случае пре-мРНК со стороны 5'-конца присоединяется (с помощью нетипичной для полинуклеотидов пирофосфатной связи) 7-метилгуаниловый нуклеотид — компонент «колпач­ка». А со стороны З'-конца понуклеотидно наращивается поли(А)-фрагмент примерно из 200 нуклеотидов. Для этого ис­пользуются специальные ферменты; в частности, для образова­ния поли(А) - фрагмента полиаденилатполимераза.

В случае же пре-тРНК с З'-конца по очереди присоединяют­ся три нуклеотида — Ц, Ц и А, образующие акцепторную ветвь.

Дата добавления: 2014-01-07