Жизнь в углеродной форме существует благодаря наличию белковых молекул. И биосинтез белка в клетке является единственной возможностью для экспрессии гена. Но для реализации этого процесса требуется запуск ряда процессов, связанных с «распаковкой» генетической информации, поиска нужного гена, его считывания и воспроизведения. Термин "транскрипция" в биологии как раз обозначает процесс переноса информации с гена на информационную РНК. Это старт биосинтеза, то есть непосредственной реализации генетической информации.
Хранение генетической информации
В клетках живых организмов генетическая информация локализована в ядре, митохондриях, хлоропластах и плазмидах. В митохондриях и хлоропластах имеется незначительное количество ДНК животных и растений, тогда как плазмиды бактерий являются местом хранения генов, ответственных за быстрое приспособление к окружающим условиям.
В вирусных телах наследственная информация также хранится в виде РНК или ДНК-полимеров. Но процесс ее реализации также связан с необходимостью транскрипции. В биологии этот процесс имеет исключительную важность, так как именно он приводит к реализации наследственной информации, запуская биосинтез белка.
В животных клетках наследственная информация представлена полимером ДНК, который компактно упакован внутри ядра. Потому перед тем синтезом белка или считыванием любого гена должны пройти некоторые этапы: раскручивание конденсированного хроматина и «освобождение» нужного гена, его распознавание ферментными молекулами, транскрипция.
В биологии и биологической химии эти этапы уже изучены. Они приводят к синтезу белка, первичная структура которого была закодирована в считанном гене.
Схема транскрипции в эукариотических клетках
Транскрипция в биологии хоть и изучена недостаточно, но ее последовательность традиционно представляется в виде схемы. Она состоит из инициации, элонгации и терминации. Это значит, что весь процесс делится на три составляющие его явления.
Инициация — это совокупность биологических и биохимических процессов, которые приводят к началу транскрипции. Суть элонгации заключается в продолжении наращивания молекулярной цепочки. Терминация — это совокупность процессов, которые приводят к прекращению синтеза РНК. Кстати, в контексте биосинтеза белка процесс транскрипции в биологии принято отождествлять с синтезом матричной РНК. На основании нее позднее будет синтезирована полипептидная цепочка.
Инициация
Инициация — наименее изученный механизм транскрипции в биологии. Что это с точки зрения биохимии, неизвестно. То есть конкретные ферменты, ответственные за запуск транскрипции, совсем не распознаны. Также неизвестными остаются внутриклеточные сигналы и способы их передачи, которые свидетельствуют о необходимости синтеза нового белка. Для цитологии и биохимии это фундаментальная задача.
Элонгация
Разделить процесс инициации и элонгации во времени пока нельзя из-за невозможности проведения лабораторных исследований, призванных подтвердить наличие специфических ферментов и триггер-факторов. Потому данная граница весьма условная. Суть процесса элонгации сводится к удлинению растущей цепочки, синтезированной на основе матричного участка ДНК.
Считается, что элонгация начинается уже после первой транслокации РНК-полимеразы и начала присоединения первого кадона к стартовому участку РНК. В ходе элонгации на деспирализованном и разделенном на две цепочки участке ДНК происходит считывание кадонов по направлению 3"-5"-цепочки. В это же время растущая цепочка РНК прибавляется новыми нуклеотидами, комплементарными матричному участку ДНК. При этом ДНК «расшивается» на ширину 12 нуклеотидов, то есть на 4 кадона.
Фермент РНК-полимераза движется по растущей цепочке, а «сзади» ее происходит обратное «сшивание» ДНК в двухцепочечную структуру с восстановлением водородных связей между нуклеотидами. Это отчасти отвечает на вопрос о том, какой процесс называется транскрипцией в биологии. Именно элонгация является главной фазой транскрипции, потому как в ее ходе собирается так называемый посредник между геном и синтезом белка.
Терминация
Процесс терминации в транскрипции эукариотических клеток слабо изучен. Пока что ученые сводят его суть к прекращению считывания ДНК у 5"-конца и присоединения группы адениновых оснований к 3"-концу РНК. Последний процесс позволяет стабилизировать химическую структуру полученной РНК. В бактериальных клетках имеется два вида терминации. Это Rho-зависимый и Rho-независимый процесс.
Первый протекает в присутствии Rho-белка и сводится к простому обрыву водородных связей между матричным участком ДНК и синтезированной РНК. Второй, Rho-независимый, происходит после появления стебель-петли, если за ней имеется совокупность урациловых оснований. Эта комбинация приводит к отсоединению РНК от матрицы ДНК. Очевидно, что терминация транскрипции — это ферментативный процесс, однако конкретных его биокатализаторов пока найти не удается.
Вирусная транскрипция
Вирусные тельца не имеют собственной системы биосинтеза белка, а потому не могут размножаться без эксплуатации клеток. Но вирусы имеют свой генетический материал, который нужно реализовывать, а также встраивать в гены зараженных клеток. Для этого они имеют ряд ферментов (или эксплуатируют ферментные системы клетки), которые транскрибируют свою нуклеиновую кислоту. То есть этот фермент на основании генетической информации вируса синтезирует аналог матричной РНК. Но он представляет собой совсем не РНК, а ДНК-полимер, комплементарный генам, например, человека.
Это полностью нарушает традиционные принципы транскрипции в биологии, что следует рассмотреть на примере вируса HIV. Его фермент ревертаза из вирусной РНК способен синтезировать ДНК, комплементарную нуклеиновой кислоте человека. При этом процесс синтеза комплементарной ДНК на основании РНК называется обратной транскрипцией. Это в биологии определение процесса, ответственного за встраивание наследственной информации вируса в геном человека.
Прежде чем начнут синтезироваться белки, информацию об их строении необходимо "достать" из ДНК и доставить ее к месту синтеза белков. Этим занимаются информационные или матричные РНК . Одновременно клетке нужны транспортеры аминокислот – транспортные РНК и структурные компоненты органелл, синтезирующих белок, – рибосомальные РНК . Вся информация о строении транспортных и рибосомальных РНК также находится в ДНК.
Поэтому существует процесс переписывания или транскрипции данных с ДНК на РНК (англ. transcription – переписывание) – биосинтез РНК на матрице ДНК.
Как в любом матричном биосинтезе в транскрипции выделяют 5 необходимых элементов:
- матрица – одна из цепей ДНК,
- растущая цепь – РНК,
- субстрат для синтеза – рибонуклеотиды (УТФ, ГТФ, ЦТФ, АТФ),
- источник энергии – УТФ, ГТФ, ЦТФ, АТФ.
- ферменты РНК-полимеразы и белковые факторы транскрипции.
Биосинтез РНК происходит в участке ДНК, который называется транскриптон , с одного края он ограничен промотором (начало), с другого – терминатором (конец).
РНК-полимеразы эукариот имеют по две больших субъединицы и несколько малых субъединиц.
Стадии транскрипции
Выделяют три стадии транскрипции: инициация, элонгация и терминация.
Инициация
Промотор содержит стартовый сигнал транскрипции – ТАТА-бокс . Так называется определенная последовательность нуклеотидов ДНК, связывающая первый фактор инициации ТАТА-фактор . Этот ТАТА-фактор обеспечивает присоединение РНК-полимеразы к той нити ДНК, которая будет использоваться в качестве шаблона для транскрипции (матричная нить ДНК). Так как промотор ассиметричен ("ТАТА"), то он связывает РНК-полимеразу только в одной ориентации, что определяет направление транскрипции от 5"-конца к 3"-концу (5"→3"). Для связывания РНК-полимеразы с промотором необходим еще один фактор инициации – σ-фактор (греч. σ – "сигма"), но сразу после синтеза затравочного фрагмента РНК (длиной 8-10 рибонуклеотидов) σ-фактор отрывается от фермента.
Другие факторы инициации раскручивают спираль ДНК перед РНК-полимеразой.
Схема процесса транскрипции
Элонгация
Белковые факторы элонгации обеспечивают продвижение РНК-полимеразы вдоль ДНК и расплетают молекулу ДНК на протяжении примерно 17 нуклеотидных пар. РНК-полимераза продвигается со скоростью 40-50 нуклеотидов в секунду в направлении 5"→3". Фермент использует АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ одновременно в качестве субстрата и в качестве источника энергии.
Терминация
РНК-полимераза остановится, когда достигнет терминирующих кодонов. С помощью белкового фактора терминации, так называемого ρ-фактора (греч. ρ – "ро"), от матрицы ДНК отделяются фермент и синтезированная молекула РНК, которая является первичным транскриптом , предшественником мРНК или тРНК или рРНК.
Транскрипция
- процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК.
В процессе транскрипции генов происходит биосинтез молекул РНК, комплементарных одной из цепей матричной ДНК, сопровождаемый полимеризацией четырех рибонуклеозидтрифосфатов (ATP, GTP, CTP и UTP) с образованием 3"–5"-фосфодиэфирных связей и освобождением неорганического пирофосфата.
Транскрипция катализируется ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой
. Процесс синтеза РНК протекает в направлении от 5"- к 3"- концу, то есть по матричной цепи ДНК РНК-полимераза движется в направлении 3"->5"
РНК-полимеразы могут состоять из одной или нескальких субъединиц. У митохондрий и некоторых бактериофагов, например SP6, T7 с небольшим числом генов простых геномов, где отсутствует сложная регуляция РНК-полимераза состоит из одной субъединицы. Для бактерий и эукариот, с большим числом генов и сложными системами регуляции РНК-полимеразы состоят из нескольких субъединиц. Показано, что фаговые РНК-полимеразы состоящие из одной субъединицы могут взаиодействовать с белками бактерий, которые меняют их свойства [Патрушев, 2000].
У прокариот синтез всех видов РНК осуществляется одним и тем же ферментом.
У эукариот - 3 ядерные РНК-полимеразы, митохондриальные РНК-полимеразы, хлоропластные РНК-полимеразы.
Субстратами для РНК-полимераз служат рибонуклеозид-трифосфаты (активированные нуклеотиды). Весь процесс транскрипции осуществляется за счет энергии макроэргических связей актвированных нуклеотидов.
Первый нуклеотид в РНК всегда пурин в форме трифосфата.
Факторы транскрипции
- белки взаимодействующие с друг другом, регуляторными участками ДНК и РНК-полимеразой с образованием транскрипционного комплекса и регулирующие транскрипцию. Благодаря факторам транскрипции и регуляторным последовательностям генов становится возможным специфический синтез РНК.
Принципы транскрипции
комплиментарность - mRNA комплиментарна матричной цепи ДНК и аналогична кодирующей цепи ДНК
антипараллельность
униполярность
беззатравочность - РНК-полимераза не требует праймера
асимметричность
Стадии транскрипции
- распознавание промотора и связывание - РНК-полимераза связывается с ТАТА-боксом 3’-промотора при помощи основных факторов транскрипции, дополнительные факторы ингибируют или стимулируют присоединение
- инициация - образование первой фосфодиэфирной связи между Pu и первым нуклеотидом. К пуринтрифосфату присоед нуклеотид комплиментарный второму нуклеотиду ДНК с отщеплением пирофосфата от нуклеозидтрифосфата с образ диэфирной связи
- элонгация (3’→5’)- мРНК гомологичная нематричной (кодирующей, смысловой) ДНК, синтезируется на матричной ДНК; какая из двух цепей ДНК будет матрицей, определяется направлением промотора
- терминация
Транскрипционные фабрики
Существует ряд экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что транскрипция осуществляется в так называемых транскрипционных фабриках: огромных, по некоторым оценкам, до 10 МДа комплексах, которые содержат около 8 РНК-полимераз II и компоненты последующего процессинга и сплайсинга, а также пруф-ридинга новосинтезированного транскрипта. В ядре клетки происходит постоянный обмен между пулами растворимой и задействованной РНК-полимеразы. Активная РНК-полимераза задействована в таком комплексе, который в свою очередь является структурной организовывающей компактизацию хроматина единицей. Последние данные. свидетельствуют о том, что транскрипционные фабрики существуют и в отсутствие транскрипции, они фиксированы в клетке (пока не ясно, взаимодействуют ли они с матриксом клетки или нет) и представляют собой независимый ядерный субкомпартмент. Попытки выделить белковый функциональный комплекс транскрипционной фабрики пока не привели к успеху ввиду его огромных размеров и низкой растворимости.
С понятием транскрипции мы встречаемся, изучая иностранный язык. Она помогает нам правильно переписывать и произносить неизвестные слова. Что понимают под этим термином в естествознании? Транскрипция в биологии - это ключевой процесс в системе реакций биосинтеза белка. Именно он позволяет клетке обеспечивать себя пептидами, которые будут выполнять в ней строительную, защитную, сигнальную, транспортную и другие функции. Только переписывание информации с локуса ДНК на молекулу информационной рибонуклеиновой кислоты запускает белоксинтезирующий аппарат клетки, обеспечивающий биохимические реакции трансляции.
В данной статье мы рассмотрим этапы транскрипции и синтеза белка, протекающие у различных организмов, а также определим значение этих процессов в молекулярной биологии. Кроме этого, мы дадим определение, что такое транскрипция. В биологии знания по интересующим нас процессам можно получить из таких ее разделов, как цитология, молекулярная биология, биохимия.
Особенности реакций матричного синтеза
Для тех, кто знаком с основными типами химических реакций, изучаемые в курсе общей химии, процессы матричного синтеза окажутся совершенно новыми. Причина здесь следующая: такие реакции, протекающие в живых организмах, обеспечивают копирование материнских молекул с использованием специального кода. Его открыли не сразу, лучше сказать, что сама идея существования двух разных языков для хранения наследственной информации, пробивала себе путь на протяжении двух столетий: с конца 19 и до середины 20. Чтобы лучше представить, что такое транскрипция и трансляция в биологии и почему они относятся к реакциям матричного синтеза, обратимся для аналогии к технической лексике.
Все как в типографии
Представьте, что нам нужно напечатать, например, сто тысяч экземпляров популярной газеты. Весь материал, который войдет в нее, собирают на материнский носитель. Этот первый образец называется матрицей. Затем на типографских станках его тиражируют - снимают копии. Аналогичные процессы протекают и в живой клетке, только матрицами в ней поочередно служат молекулы ДНК и и-РНК, а копиями - информационная РНК и молекулы белков. Давайте рассмотрим их подробнее и выясним, что транскрипцией в биологии называется реакция матричного синтеза, протекающая в клеточном ядре.
Генетический код - ключ к тайне биосинтеза белка
В современной молекулярной биологии уже никто не спорит о том, какое вещество является носителем наследственных свойств и хранит данные обо всех без исключения белках организма. Конечно же, это дезоксирибонуклеиновая кислота. Однако она построена из нуклеотидов, а белки, информация о составе которых в ней хранится, представлены молекулами аминокислот, не имеющими никакого химического сродства с мономерами ДНК. Иными словами, мы имеем дело с двумя разными языками. В одном из них слова - это нуклеотиды, в другом - аминокислоты. Что же выступит в роли переводчика, который осуществит перекодировку информации, полученной в результате транскрипции? Молекулярная биология считает, что эту роль выполняет генетический код.
Уникальные свойства клеточного кода
Вот что представляет собой код, таблица которого представлена ниже. Над его созданием трудились цитологи, генетики, биохимики. Кроме того, в разработке кода использовали знания из криптографии. Учитывая его правила, можно установить первичную структуру синтезированного белка, ведь трансляция в биологии - это процесс перевода информации о структуре пептида с языка нуклеотидов и-РНК на язык аминокислот белковой молекулы.
Идея кодирования в живых организмах впервые была озвучена Г. А. Гамовым. Дальнейшие научные разработки привели к формулировке основных его правил. Сначала установили, что строение 20 аминокислот зашифровано в 61 триплете информационной РНК, что привело к понятию вырожденности кода. Далее выяснили состав нонснес-кодонов, выполняющих роль старта и остановки процесса биосинтеза белка. Затем появились положения о его коллинеарности и универсальности, завершившие стройную теорию генетического кода.
Где происходит транскрипция и трансляция?
В биологии несколько ее разделов, изучающих строение и биохимические процессы в клетке (цитология и молекулярная биология), определили локализацию реакций матричного синтеза. Так, транскрипция происходит в ядре с участием фермента РНК-полимеразы. В его кариоплазме из свободных нуклеотидов по принципу комплементарности синтезируется молекула и-РНК, списывающая информацию о строении пептида с одного структурного гена.
Затем она через поры в ядерной оболочке выходит из клеточного ядра и оказывается в цитоплазме клетки. Здесь и-РНК должна соединиться с несколькими рибосомами, чтобы сформировать полисому - структуру, готовую встретить молекулы транспортных рибонуклеиновых кислот. Их задача - принести аминокислоты к месту еще одной реакции матричного синтеза - трансляции. Рассмотрим механизмы обеих реакций подробно.
Особенности образования молекул и-РНК
Транскрипция в биологии - это переписывание информации о строении пептида со структурного гена ДНК на молекулу рибонуклеиновой кислоты, которая называется информационной. Как мы уже говорили ранее, она происходит в ядре клетки. Вначале фермент ДНК-рестриктаза разрывает водородные связи, соединяющие цепи дезоксирибонуклеиновой кислоты, и ее спираль расплетается. К свободным полинуклеотидным участкам присоединяется фермент РНК-полимераза. Он активирует сборку копии - молекулы и-РНК, которая кроме информативных участков - экзонов - содержит еще и пустые последовательности нуклеотидов - интроны. Они являются балластом и требуют удаления. Этот процесс в молекулярной биологии называют процессингом или созреванием. На нем завершается транскрипция. Биология кратко объясняет это следующим образом: только потеряв ненужные мономеры, нуклеиновая кислота сможет покинуть ядро и будет готовой к дальнейшим этапам биосинтеза белка.
Обратная транскрипция у вирусов
Неклеточные формы жизни разительно отличаются от прокариотических и эукариотических клеток не только своим внешним и внутренним строением, но и реакциями матричного синтеза. В семидесятых годах прошлого столетия наука доказала существование ретровирусов - организмов, геном которых состоит из двух цепей РНК. Под действием фермента - ревертазы - такие вирусные частицы копируют с участков рибонуклеиновой кислоты молекулы ДНК, которые затем внедряются в кариотип клетки-хозяина. Как видим, списывание наследственной информации в этом случае идет в обратном направлении: от РНК к ДНК. Такая форма кодирования и считывания характерна, например, для патогенных агентов, вызывающих различные виды онкологических заболеваний.
Рибосомы и их роль в клеточном метаболизме
Реакции пластического обмена, к которым относится и биосинтез пептидов, протекают в цитоплазме клетки. Чтобы получить готовую молекулу протеина, недостаточно скопировать последовательность нуклеотидов со структурного гена и перенести ее в цитоплазму. Необходимы также структуры, которые займутся считыванием информации и обеспечат соединение аминокислот в единую цепь посредством пептидных связей. Это рибосомы, строению и функциям которых большое внимание уделяет молекулярная биология. Где происходит транскрипция, мы уже выяснили - это кариоплазма ядра. Место процессов трансляции - клеточная цитоплазма. Именно в ней расположены каналы эндоплазматической сети, на которой группами сидят белоксинтезирующие органеллы - рибосомы. Однако и их наличие еще не обеспечивает начало пластических реакций. Нужны структуры, которые доставят к полисоме молекулы-мономеры белков - аминокислоты. Их называют транспортными рибонуклеиновыми кислотами. Что они собой представляют и какова их роль в трансляции?
Переносчики аминокислот
Небольшие молекулы транспортных РНК в своей пространственной конфигурации имеют участок, состоящий из последовательности нуклеотидов - антикодон. Для осуществления трансляционных процессов нужно, чтобы возник инициативный комплекс. Он должен включать триплет матрицы, рибосомы и комплементарный участок транспортной молекулы. Как только такой комплекс организовался - это сигнал к началу сборки белкового полимера. Как трансляция, так и транскрипция в биологии - это процессы ассимиляции, всегда происходящие с поглощением энергии. Для их осуществления клетка готовится заранее, аккумулируя большое количество молекул аденозинтрифосфорной кислоты.
Синтез этого энергетического вещества происходит в митохондриях - важнейших органеллах всех без исключения эукариотических клеток. Он предшествует началу реакций матричного синтеза, занимая место в пресинтетической стадии жизненного цикла клетки и после реакций репликации. Расщепление молекул АТФ сопровождает транскрипционные процессы и реакции трансляции, высвободившаяся при этом энергия используется клеткой на всех этапах биосинтеза органических веществ.
Стадии трансляции
В начале реакций, приводящих к образованию полипептида, 20 видов мономеров белка связываются с определенными молекулами транспортных кислот. Параллельно в клетке происходит образование полисомы: рибосомы присоединяются к матрице в месте расположения старт-кодона. Запуск биосинтеза начинается, и рибосомы передвигаются по триплетам и-РНК. К ним подходят молекулы, транспортирующие аминокислоты. Если кодон в полисоме комплементарен антикодону транспортных кислот, то аминокислота остается в рибосоме, и образующаяся полипептидная связь соединяет ее с уже находящимися там аминокислотами. Как только белоксинтезирующая органелла доходит до стоп-триплета (обычно это УАГ, УАА или УГА), трансляция прекращается. В итоге рибосома вместе с белковой частицей отделяется от и-РНК.
Как пептид приобретает свою нативную форму
Последним этапом трансляции является процесс перехода первичной структуры белка в третичную форму, имеющую вид глобулы. Ферменты удаляют в ней ненужные аминокислотные остатки, присоединяют моносахариды или липидны, а также дополнительно синтезируют карбоксильные и фосфатные группы. Все это происходит в полостях эндоплазматического ретикулума, куда пептид поступает после завершения биосинтеза. Далее нативная белковая молекула переходит в каналы. Они пронизывают цитоплазму и способствуют тому, чтобы пептид попал в определенный участок цитоплазмы и далее использовался для потребностей клетки.
В данной статье мы выяснили, что трансляция и транскрипция в биологии - это основные реакции матричного синтеза, лежащие в основе сохранения и передачи наследственных задатков организма.
IV. ТРАНСКРИПЦИЯ
Транскрипция - первая стадия реализации генетической информации в клетке. В ходе процесса образуются молекулы мРНК, служащие матрицей для синтеза белков, а также транспортные, рибосомальные и другие виды молекул РНК, выполняющие структурные, адапторные и каталитические функции (рис. 4-26).
Рис. 4-26. Схема реализации генетической информации в фенотипические признаки. Реализацию потока информации в клетке можно представить схемой ДНК-"РНК-"белок. ДНК-"РНК обозначает биосинтез молекул РНК (транскрипцию); РНК-"белок означает биосинтез полипептидных цепей (трансляцию).
Транскрипция у эукариотов происходит в ядре. В основе механизма транскрипции лежит тот же структурный.принцип комплементарного спаривания оснований в молекуле РНК (G ≡ C, A=U и Т=А). ДНК служит только матрицей и в ходе транскрипции не изменяется. Рибонукле-озидтрифосфаты (ЦТФ, ГТФ, АТФ, УТФ) -субстраты и источники энергии, необходимые для протекания полимеразной реакции, образования 3",5"-фосфодиэфирной связи между рибонуклеозидмонофосфатами.
Синтез молекул РНК начинается в определённых последовательностях (сайтах) ДНК, которые называют промоторы, и завершается в терминирующих участках (сайты терминации). Участок ДНК, ограниченный промотором и сайтом терминации, представляет собой единицу транскрипции -транскриптон. У эукариотов в состав транскриптона, как правило, входит один ген (рис. 4-27), у прокариотов несколько. В каждом транскриптоне присутствует неинформативная зона; она содержит специфические последовательности нуклеотидов, с которыми взаимодействуют регуляторные транскрипционные факторы.
Транскрипционые факторы - белки, взаимодействующие с определёнными регуляторными сайтами и ускоряющие или замедляющие процесс транскрипции. Соотношение информативной и неинформативной частей в транскриптонах эукариотов составляет в среднем 1:9 (у прокариотов 9:1).
Соседние транскриптоны могут быть отделены друг от друга нетранскрибируемыми участками ДНК. Разделение ДНК на множество транскриптонов позволяет осуществлять с разной активностью индивидуальное считывание (транскрипцию) разных генов.
В каждом транскриптоне транскрибируется только одна из двух цепей ДНК, которая называетсяматричной, вторая, комплементарная ей цепь, называется кодирующей. Синтез цепи РНК идёт от 5"- к З"-концу, при этом матричная цепь ДНК всегда антипараллельна синтезируемой нуклеиновой кислоте (рис. 4-28).
Транскрипция не связана с фазами клеточного цикла; она может ускоряться и замедляться в зависимости от потребности клетки или организма в определённом белке.
РНК-полимеразы
Биосинтез РНК осуществляется ДНК-зависимыми РНК-полимеразами. В ядрах эукариотов обнаружены 3 специализированные РНК-полимеразы: РНК-полимераза I, синтезирующая пре-рРНК; РНК-полимераза II, ответственная за синтез пре-мРНК; РНК-полимераза III, синтезирующая пре-тРНК. РНК-полимеразы - олигомерные ферменты, состоящие из нескольких субъединиц - 2α, β, β", σ. Субъединица о (сигма) выполняет регуляторную функцию, это один из факторов инициации транскрипции, РНК-полимеразы I, II, III, узнающие разные промоторы, содержат разные по строению субъединицы σ.
А. Стадии транскрипции
В процессе транскрипции различают 3 стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.
Инициация
Активация промотора происходит с помощью большого белка - ТАТА-фактора, называемого так потому, что он взаимодействует со специфической последовательностью нуклеотидов промотора -ТАТААА- (ТАТА-бокс) (рис. 4-29).
Присоединение ТАТА-фактора облегчает взаимодействие промотора с РНК-полимеразой. Факторы инициации вызывают изменение кон-формации РНК-полимеразы и обеспечивают раскручивание примерно одного витка спирали ДНК, т.е. образуется транскрипционная вилка,
Рис. 4-27. Строение транскриптона.
Рис. 4-28. Транскрипция РНК на матричный цепи ДНК. Синтез РНК всегда происходит в направлении 5" → 3".
Рис. 4-29. Строение промотора эукариотов. Промоторные элементы - специфические последовательности нуклеотидов, характерные для любого промотора, связывающего РНК-полимеразу. Первый промоторный элемент - последовательность АТАТАА- (ТАТА-бокс) отделён от сайта начала транскрипции приблизительно на 25 пар нуклеотидов (п.н.). На расстоянии примерно 40 (иногда до 120) п.н. от него располагается последовательность GGCCAATC- (СААТ-бокс).
в которой матрица доступна для инициации синтеза цепи РНК (рис. 4-30).
После того как синтезирован олигонуклеотид из 8-10 нуклеотидных остатков, σ-субъединица отделяется от РНК-полимеразы, а вместо неё к молекуле фермента присоединяются несколько факторов элонгации.
Элонгация
Факторы элонгации повышают активность РНК-полимеразы и облегчают расхождение цепей ДНК. Синтез молекулы РНК идёт от 5"- к З"-концу комплементарно матричной цепи ДНК. На стадии элонгации, в области транскрипционной
вилки, одновременно разделены примерно 18 нуклеотидных пар ДНК. Растущий конец цепи РНК образует временную гибридную спираль, около 12 пар нуклеотидных остатков, с матричной цепью ДНК. По мере продвижения РНК-полимеразы по матрице в направлении от 3"- к 5"-концу впереди неё происходит расхождение, а позади - восстановление двойной спирали ДНК.
Терминация
Раскручивание двойной спирали ДНК в области сайта терминации делает его доступным для фактора терминации. Завершается синтез РНК в
Рис. 4-30. Стадии транскрипции. 1 - присоединение ТАТА-фактора к промотору. Чтобы промотор был узнан РНК-полимера-зой, необходимо образование транскрипционного комплекса ТАТА-фактор/ТАТА-бокс (промотор). ТАТА-фактор остаётся связанным с ТАТА-боксом во время транскрипции, это облегчает использование промотора многими молекулами РНК-полимеразы; 2 - образование транскрипционной вилки; 3 - элонгация; 4.- терминация.
строго определенных участках матрицы - терминаторах (сайты терминации). Фактор терминации облегчает отделение первичного транскрипта (пре-мРНК), комплементарного матрице, и РНК-полимеразы от матрицы. РНК-полимераза может вступить в следующий цикл транскрипции после присоединения субъединицы σ.
Б. Ковалентная модификация (процессинг) матричной РНК
Первичные транскрипты мРНК, прежде чем будут использованы в ходе синтеза белка, подвергаются ряду ковалентных модификаций. Эти модификации необходимы для функционирования мРНК в качестве матрицы.
Модификация 5"-конца
Модификации пре-мРНК начинаются на стадии элонгации. Когда длина первичного транскрипта достигает примерно 30 нуклеотидных остатков, происходит кэпирование его 5"-конца. Осуществляет кэпирование гуанилилтрансфераза. Фермент гидролизует макроэргическую связь в молекуле ГТФ и присоединяет нуклеотиддифосфатный остаток 5"-фосфатной группой к 5"-концу синтезированного фрагмента РНК с образованием 5", 5"-фосфодиэфирной связи. Последующее метилирование остатка гуанина в составе ГТФ с образованием N 7 -метилгуанозина завершает формирование кэпа (рис. 4-31).
Рис. 4-31. Ковалентная модификация концевых нуклеотидных остатков первичного транскрипта мРНК.
Модифицированный 5"-конец обеспечивает инициацию трансляции, удлиняет время жизни мРНК, защищая её от действия 5"-экзонуклеаз в цитоплазме. Кэпирование необходимо для инициации синтеза белка, так как инициирующие триплеты AUG, GUG распознаются рибосомой только если присутствует кэп. Наличие кэпа также необходимо для работы сложной ферментной системы, обеспечивающей удаление нитронов.
Модификация 3"-конца
3"-Конец большинства транскриптов, синтезированных РНК-полимеразой II, также подвергается модификации, при которой специальным ферментом полиА-полимеразой формируется полиА-последовательность (полиА-"хвост"), состоящая из 100-200 остатков аде-ниловой кислоты.
Сигналом к началу полиаденилирования является последовательность -AAUAAA- на растущей цепи РНК. Фермент полиА-полимераза, проявляя экзонуклеазную активность, разрывает 3"-фосфоэфирную связь после появления в цепи РНК специфической последовательности -AAUAAA-. К 3"-концу в точке разрыва полиА-полимераза наращивает по-лиА-"хвост", Наличие полиА-последовательности на 3"-конце облегчает выход мРНК из ядра и замедляет её гидролиз в цитоплазме.
Ферменты, осуществляющие кэширование и полиаденилирование, избирательно связываются с РНК-полимеразой II, и в отсутствие полимеразы неактивны.
Сплайсинг первичных транскриптов мРНК
С появлением методов, позволяющих изучать первичную структуру молекул мРНК в цитоплазме и последовательность нуклеотидов кодирующей её геномной ДНК, было установлено, что они не комплементарны, а длина гена в несколько раз больше "зрелой" мРНК. Последовательности нуклеотидов, присутствующие в ДНК, но не входящие в состав зрелой мРНК, были названы некодирующими, или интроны, а последовательности, присутствующие в мРНК, - кодирующими, или экзоны. Таким образом, первичный транскрипт - строго комплементарная матрице нуклеиновая кислота (пре-мРНК), содержащая как экзоны, так и интроны. Длина интронов варьирует от 80 до 1000 нуклеотидов. Последовательности интронов "вырезаются" из первичного транскрипта, концы экзонов соединяются друг с другом. Такую модификацию РНК называют "сплайсинг" (от англ, to splice - сращивать). Сплайсинг происходит в ядре, в цитоплазму поступает уже "зрелая" мРНК.
Гены эукариотов содержат больше интронов, чем экзонов, поэтому очень длинные молекулы пре-мРНК (около 5000 нуклеотидов) после сплайсинга превращаются в более короткие молекулы цитоплазматической мРНК (от 500 до 3000 нуклеотидов).
Процесс "вырезания" интронов протекает при участии малых ядерных рибонуклеопротеинов (мяРНП). В состав мяРНП входит малая ядерная РНК (мяРНК), нуклеотидная цепь которой связана с белковым остовом, состоящим из нескольких протомеров. В сплайсинге принимают участие различные мяРНП (рис. 4-32).
Нуклеотидные последовательности нитронов функционально неактивны. Но на 5"- и З"-концах они имеют высокоспецифические последовательности - AGGU- и GAGG- соответственно (сайты сплайсинга), которые обеспечивают их удаление из молекулы пре-мРНК. Изменение структуры этих последовательностей влияет на процесс сплайсинга.
На первой стадии процесса мяРНП связываются со специфическими последовательностями первичного транскрипта (сайты сплайсинга), далее к ним присоединяются другие мяРНП. При формировании структуры сплайсосомы 3"-конец одного экзона сближается с 5"-концом следующего экзона. Сплайсосома катализирует реакцию расщепления 3",5"-фосфодиэфирной связи на границе экзона с интроном. Последовательность интрона удаляется, а два экзона соединяются. Образование 3",5"-фосфодиэфирной связи между двумя экзонами катализируют мяРНК (малые ядерные РНК), входящие в структуру сплайсосомы. В результате сплайсинга из первичных транскриптов мРНК образуются молекулы "зрелой" мРНК.
Альтернативный сплайсинг первичных транскриптов мРНЕ
Для некоторых генов описаны альтернативные пути сплайсинга и полиаденилирования одного и того же транскрипта. Экзон одного варианта сплайсинга может оказаться интроном в альтернативном пути, поэтому молекулы мРНК, образованные в результате альтернативного сплайсинга, различаются набором экзонов. Это приводит к образованию разных мРНК и, соответственно, разных белков с одного первичного транскрипта. Так, в парафолликулярных клетках щитовидной железы (рис. 4-33) в ходе транскрипции гена гормона кальцитонина (см. раздел 11) образуется первичный транскрипт мРНК, который состоит из шести экзонов. Матричная РНК кальцитонина образуется путём сплайсинга первых четырёх экзонов (1-4). Последний (четвёртый) экзон содержит сигнал полиаденилирования (последовательность -AAUAAA-), узнаваемый полиА-полимеразой в парафолликулярных клетках щитовидной железы. Этот же первичный транскрипт в клетках головного мозга в ходе другого (альтернативного)
Рис. 4-32. Сплайсинг РНК. В процессе сплайсинга принимают участие различные мяРНП, которые формируют сплайсосому. мяРНП, взаимодействуя с РНК и друг с другом, фиксируют и ориентируют реакционные группы первичного транскрипта. Каталитическая функция сплайсосом обусловлена РНК-составляющими; такие РНК называют рибозимами.
Рис. 4-33. Альтернативный сплайсинг гена кальцитонина. В клетках щитовидной железы сплайсинг первичного транскрипта приводит к образованию кальцитониновои мРНК, включающей 4 экзона и полиА-последовательность, которая образуется после расщепления транскрипта в первом участке сигнала полиаденилирования. В клетках мозга образуется мРНК, содержащая: экзоны 1, 2, 3, 5, 6 и полиА-последовательность, образованную после второго сигнала полиаденилирования.
пути сплайсинга превращается в мРНК кальцитонинподобного белка, отвечающего за вкусовое восприятие. Матричная РНК этого белка состоит из первых трёх экзонов, общих с кальцитониновои мРНК, но включает дополнительно пятый и шестой экзоны, не свойственные мРНК кальцитонина. Шестой экзон тоже имеет сигнал полиаденилирования -AAUAAA-, узнаваемый ферментом полиА-полимеразой в клетках нервной ткани. Выбор одного из путей (альтернативный сплайсинг) и одного из возможных сайтов полиаденилирования играет важную роль в тканеспецифической экспрессии генов.
Разные варианты сплайсинга могут приводить к образованию разных изоформ одного и того же белка. Например, ген тропонина состоит из 18 экзонов и кодирует многочисленные изоформы этого мышечного белка. Разные изоформы тропонина образуются в разных тканях на определённых стадиях их развития.
В. Процессинг первичных транскриптов рибосомной РНК и транспортной РНК
Гены, кодирующие большую часть структурных РНК, транскрибируются РНК-полимера-зами I и III. Нуклеиновые кислоты - предшественники рРНК и тРНК - подвергаются в ядре расщеплению и химической модификации (процессингу).
Посттранскрипционные модификации первичного транскрипта тРНК (процессинг тРНК)
Первичный транскрипт тРНК содержит около 100 нуклеотидов, а после процессинга - 70-90 нуклеотидньгх остатков. Посттранскрипционные модификации первичных транскриптов тРНК происходят при участии РНК-аз (рибонуклеаз). Так, формирование 3"-конца тРНК катализирует РНК-аза, представляющая собой 3"-экзонуклеазу, "отрезающую" по одному нук-леотиду, пока не достигнет последовательности -ССА, одинаковой для всех тРНК. Для некоторых тРНК формирование последовательности -ССА на 3"-конце (акцепторный конец) происходит в результате последовательного присоединения этих трёх нуклеотидов. Пре-тРНК содержит всего один интрон, состоящий из 14-16 нуклеотидов. Удаление интрона и сплайсинг приводят к формированию структуры, называемой "антикодон", - триплета нуклеотидов, обеспечивающего взаимодействие тРНК с комплементарным кодоном мРНК в ходе синтеза белков (рис. 4-34).
Посттранскрипционные модификации (процессинг) первичного транскрипта рРНК. Формирование рибосом
В клетках человека содержится около сотни копий гена рРНК, локализованных группами на пяти хромосомах. Гены рРНК транскрибируются РНК-полимеразой I с образованием идентичных транскриптов. Первичные транскрипты имеют длину около 13 000 нуклеотид-ных остатков (45S рРНК). Прежде чем покинуть ядро в составе рибосомной частицы, молекула 45 S рРНК подвергается процессин-гу, в результате образуется 28S рРНК (около 5000 нуклеотидов), 18S рРНК (около 2000 нуклеотидов) и 5,88 рРНК (около 160 нуклеотидов), которые являются компонентами рибосом (рис. 4-35). Остальная часть транскрипта разрушается в ядре.
Рис. 4-34. Процессинг пре-тРНК. Определённые азотистые основания нукпеотидов тРНК в ходе процессинга метилируются под действием РНК-метилазы и превращаются, например, в 7-метилгуанозин и 2-метилгуанозин (минорные основания). В молекуле тРНК содержатся и другие необычные основания - псевдоуридин, дигидроуридин, которые также модифицируются во время процессинга.
Рис. 4-35. Образование и выход из ядра субъединиц рибосом. В результате процессинга из молекулы предшественника 45S рРНК образуются три типа рРНК: 18S, входящая в состав малой субъединицы рибосом, а также 28S и 5,8S, локализующиеся в большой субъединице. Все три рРНК образуются в равных количествах, так как они происходят из одного и того же первичного транскрипта. 5S рРНК большой субъединицы рибосом транскрибируется отдельно от первичного транскрипта 45S рРНК. Рибосомальные РНК, образованные в ходе посттранскрипционных модификаций, связываются со специфическими белками, и образуется рибосома.
Рибосома - органелла клетки, участвующая в биосинтезе белка. Рибосома эукариотов (80S) состоит из двух, большой и малой, субъединиц: 60S и 40S. Белки рибосом выполняют структурную, регуляторную и каталитическую функции.