Структура транскриптонов и транскрипция про- и эукариот

Структура транскриптонов и транскрипция про- и эукариот

ЛЕКЦИЯ

СТРУКТУРА ТРАНСКРИПТОНОВ И ТРАНСКРИПЦИЯ ПРО - И ЭУКАРИОТ

Транскрипция - процесс переноса генетической информации от ДНК к РНК. Все виды РНК - мРНК, рРНК и тРНК - синтезируются в соответствии с последовательностью оснований в ДНК, служащей матрицей. Сразу же следует указать на то, что матрицей для синтеза РНК служит та нить ДНК, которую иногда называют «защитной» - несмысловая цепь (3?>5?). Мы сохраним название «кодирующей» или «смысловая» (5?>3?) для той нити ДНК, которая не служит матрицей для синтеза РНК. Ведь именно ее последовательность нуклеотидов будет в точности воспроизводить РНК, синтезированная по матрице другой, комплементарной, нити ДНК. (прозрачка 1)

В некоторых случаях (бактериофаг фХ174) все мРНК транскрибируются с одной и той же цепи. Очень редко транскрипция идет на обеих цепях в одном и том же месте, так что образующиеся цепи РНК оказываются комплиментарны друг другу; возможно, подобный способ транскрипции имеет особое регуляторное значение

В основу концепции взаимосвязи генотипа и фенотипа была положена теория «один ген - один фермент». Однако эта теория не учитывала молекулярную природу носителей генетической информации и способ передачи этой информации от генов к белкам. Не содержала она и ни каких предположений о механизме регуляции экспрессии генов

Экспрессия генов - это процесс реализации информации закодированной в структуре ДНК, на уровне РНК и белков.

Прогресс в этих областях наметился сразу после того, как были установлены следующие ключевые положения:

показано, что гены - это участки ДНК;

расшифрована молекулярная структура ДНК;

установлено, что структура и функции белков определяются их уникальной аминокислотной последовательностью;

обнаружено, что передача информации от ДНК к белкам осуществляется с помощью РНК;

разработаны относительно простые бактериальные генетические системы, позволяющие связать мутационные изменения в генах со структурными изменениями в соответствующих белках;

разработаны системы для изучения синтеза РНК и сборки белков in vitro.

Природу информационной связи между ДНК и белками удалось понять, проводя генетические и биохимические исследования мутаций в данном гене и сопоставляя их со специфическими изменениями в аминокислотной последовательности соответствующего белка, благодаря этим исследованиям была выявлена также коллинеарность последовательностей нуклеотидов в ДНК и аминокислот в белках. Наличие такой корреляции подразумевало существование генетического кода, связывающего нуклеотидные и аминокислотные последовательности обоих полимеров (генетический код), какие химические процессы управляют трансляцией генетического кода и как они регулируются при формировании свойственным разным клеткам и организмам фенотипов?

Сейчас природа генетического кода известна, составлен словарь, переводящий нуклеотидную последовательность в аминокислотную. Установлены и особенности различных этапов экспрессии генов и их регуляция, хотя многие молекулярные детали еще ждут своего разъяснения.

Процесс транскрипции у про- и эукариот существенно отличается

Транскрипция у прокариот

Фермент, ведущий матричный синтез РНК называется «РНК-полимераза» (не синтезируют РНК-праймеры для репликации, РНК-праймеры синтезируют специальные РНК-полимеразы - праймазы). Он копирует информацию, «записанную» в гене. Так мы будем называть участок ДНК, направляющий комплементарный синтез молекул РНК. Одни из этих молекул кодируют далее синтез белков, а также элементов, участвующих в регулировании этого синтеза. Такие РНК условимся называть «информационными» (иРНК). Другие гены направляют (непосредственно) синтез стабильных молекул клеточных РНК. Впрочем, иногда гены нескольких функционально связанных белков располагаются на ДНК рядом, в виде «кластера» генов и «прочитываются» РНК-полимеразой за один проход. Такую группу генов именуют «опероном». Соответствующая ему иРНК направляет рибосомальный синтез всех этих белков.

В клетке E.coli одна и та же РНК-полимераза (ДНК-зависимая РНК-полимераза) ведет синтез всех типов РНК (информационных -- иРНК, рибосомальных -- рРНК и транспортных -- тРНК). Для холофермента РНК-полимеразы известны: молекулярный вес М ~ 487 тыс. дальтон и 5 субъединиц: две ?, одна ?, одна ??, одна ? и одна ? (?2?????). Альтернативная, форма фермента, называемая кор-ферментом или кором, лишена ?-субъединицы (т.е. кор-фермент + ?-субъединица = холофермент). ?-субъединица участвует в связывании рибонуклеозидтрифосфатов в реакциях инициации и элонгации. Комплекс ?- и ??-субъединиц (?2??) участвует в неспецифическом прочном связывании с ДНК и в специфичном взаимодействии фермента с промоторами - сайтами, детерминирующими инициацию транскрипции. ?-субъединица (прозрачка 5) обеспечивает эффективное связывание холофермента с промотором, а при ее отсоединении оставшийся кор-фермент переключается на элонгацию. ?-субъединица может снова стимулировать инициацию, специфически связавшись с другой молекулой РНК-полимеразы.

У высших организмов известны три различных фермента: РНК-полимераза I, РНК-полимераза II, РНК-полимераза III.

Место посадки РНК-полимеразы строго фиксировано «промотором» -- участком ДНК, как правило, обогащенным стоящими подряд основаниями А и Т. Промоторы различных генов сходны по своему строению, но не тождественны.

РНК-полимераза снимается с ДНК по достижении ею «терминатора» -- определенной последовательности нуклеотидов ДНК, нередко образующих небольшие петли -- комплементарно спаренные участки одной нити. Терминатор всегда располагается дальше «стоп-кодона» -- тройки нуклеотидов, определяющих окончания синтеза белка по матрице иРНК.

Синтез РНК на ДНК-матрице

Двухцепочечная молекула ДНК - это физиологическая матрица для синтеза всех клеточных РНК. Даже если геном, как у некоторых вирусов, представлен одноцепочечной ДНК, последняя перед транскрипцией обязательно переходит в двуцепоччечную репликативную форму. Транскрибирована может быть любая из двух цепей геномной ДНК. Однако матрицей при транскрипции отдельного гена обычно служит только какая-то одна из низ (прозрачка 1).

Нуклеотидными предшественниками для синтеза РНК являются четыре рибонуклеозид 5?трифосфата: АТФ, ГТФ, УТФ и ЦТФ (прозрачка 2). Многие РНК содержат модифицированные нуклеотиды, но изменения в основаниях и рибозных остатках происходят после полимеризации, т.е. посттракскипционно. Тем не менее РНК-полимеразы могут использовать рибонуклеозид 5?трифосфаты, отличные от указанных четырех при условии, что модифицированные основания обладают способностью к спариванию, сравнимой с таковой для А, Г, Ц и У.

РНК-полимеразы катализируют реакцию присоединения 3`-ОН-группы нуклеотида, находящегося на растущем конце цепи, к ?-фосфату следующего рибонуклеозид 5?трифосфата (прозрачка 3). Многократное повторение этой реакции приводит к постепенному удлинению цепи РНК. Образование каждой новой фосфодиэфирной связи сопровождается высвобождением неорганического пирофосфата; быстрый гидролиз пирофосфата до неорганического фосфата in vivo делает реакцию образования фосфодиэфирной связи энергетически выгодной.

Транскрипция аналогична репликации в том смысле, что для ее осуществления также нужна ДНК-матрица (прозрачка 3). Порядок присоединения нуклеотидов определяется комплементарным спариванием оснований. Чтобы могло происходить комплементарное спаривание каждого следующего нуклеозидтрифосфата с матричным транскрибируемым основанием, спираль ДНК во время транскрипции должна раскручиваться с помощью РНК-полимеразы (прозрачка 4). Растущая цепь РНК остается связанной с ферментом и спаренной своим растущим концом с участком матричной цепи длиной 20-30 нуклеотидов; остальная часть образовавшейся цепи не связана ни с ферментом, ни с ДНК. По мере продолжения транскрипции временно разошедшиеся цепи ДНК воссоединяются и восстанавливается исходная дуплексная структура.

Отсюда различия транскрипции и репликации:

транскрипция - консервативна (двойная спираль ДНК сохраняется, а синтезированная РНК отделяется), а репликация - полуконсервативна (обе цепи исходного дуплекса паспределяются по двум дочерним спиралям);

репликация начинается только с затравки, а инициации синтеза РНК с помощью РНК-полимеразы идет de novo, начинаясь с рибонуклеозидтрифосфата, соответствующего первому нуклеотиду в цепи РНК

Наращивание РНК идет в направлении 5` - к 3`-концу вдоль матричной цепи, ориентированной в направлении 3?>5?, т.е. антипараллельно (прозрачка 3). Несмотря на процессвный характер элонгации (фермент не отделяется от матрицы на протяжении всего раунда транскрипции), ее скорость вдоль матрицы непостоянна в некоторых местах фермент делает остановки; возможно, это происходит там, гле в одноцепочечнтной ДНК или в самой РНК образуются внутрицепочечные дуплексы, мешающие продвижению полимеразы. Такие паузы могут при определенных обстоятельствах приводить к преждевременной терминации транскрипции. сигналами для нормальной терминации и отделению синтезированной РНК и полимеразы от матрицы являются особые структуры РНК-шпильки.

Каков механизм однонаправленного движения РНК-полимеразы вдоль матричной ДНК остается неясным. Неизвестно пока и как расплетается и заплетается вновь во время транскрипции дуплекс ДНК и почему восстановление этого дуплекса более выгодно, чем образование дуплекса ДНК-РНК. Можно лишь отметить, что поскольку РНК-полимераза одна осущесествляет эти функции in vitro даже в случае ковалентнозамкнутых кольцевых матричных ДНК, все секреты, по-видимому, кроются в самом этом ферменте. Для сравнения вспомним, что ДНК-полимеразы не способны к инициации синтеза новых цепей de novo и что в процессах расплетания и восстановления дуплексов при репликации двуцепочечной ДНК участвуют геликазы и топоизомеразы.

Последовательности ДНК, являющиеся сигналами остановки транскрипции, называются транскрипционными терминаторами. Обнаружено два типа сигналов терминации - ?-зависимый и ?-независимый терминаторы. Оба они имеют некоторые общие признаки (прозрачка 11). И тот и другой содержат инвертированные повторы, благодаря чему 3`-концы РНК-транскриптов складываются с образованием шпилек разной длины. Стебли шпилек ?-независимых терминаторов обычно содержат ГЦ-богатые участки; один из них находится вблизи основания стебля, и к нему примыкает участок, состоящий из 4-6- У и 1-2- А-остатков. В стебле ?-зависимых терминаторов, напротив, содержится лишь несколько ГЦ-пар (а иногда и не содержится вообще), а У-3`-концы могут отсутствовать. Точный механизм ?-независимой и ?-зависимой терминации транскрипции является пока предметом дискуссий. Наиболее вероятно следующее объяснение ?-независимой терминации: РНк-полимераза останавливается после транскрипции инвертированного повтора потому, что шпилечная структура оказывается помехой. В результате сразу после остановки процесса РНК отделяется от матричной цепи вблизи У-богатого участка, который относительно слабо связан с А-богатым участком матрицы. Этим, по-видимому, объясняется то обстоятельство, что наиболее часто на конце цепи РНК находятся У-или А-остатки.

? - это олигомерный белок, прочно связывающийся с РНК и в этом состоянии гидголизующий АТФ до АДФ и неорганического фосфата. В одной их моделей действие ?-белка объясняется тем, что он связывается с синтезируемой цепью РНК и перемещается вдоль нее в направлении 5?>3? к месту синтеза РНК; необходимая для его перемещения энергия выделяется при гидролизе АТФ (прозрачка 12). Если ?-белок наталкивается на образующуюся в РНК шпильку, он останавливает полимеразу, которая могла бы продолжать транскрипцию. Возможно, для отсоединения РНК от матрицы достаточно этой ?-индуцированной остановки, но не исключено, что диссоциации и отделению способствует сам ?-белок.

Терминация транскрипции редко является абсолютно зависимой или абсолютно независимой от ?-белка. Некоторые ?-независимые терминаторы работают в присутствии ? более эффективно. А в некоторых условиях так называемые ?-зависимые терминаторы вызывают терминацию и в отсутствии ?, хотя и не столь успешно.

Терминация, как и инициация синтеза РНК является регулируемым процессом. Существуют белки, функционирующие как антитерминаторы и предотвращающие терминацию в ?-независимых терминаторах; известны также другие белки, ингибирующие ? и тем самым обеспечивающие удлинение цепи после сигналов терминации. При определенных обстоятельствах молекулы РНК могут образовывать альтернативные шпилечные структуры на особых последовательностях определенных участков ДНК. Одни их таких структур могут приводить к абортивной терминации, а другие, к продолжению транскрипции.

Это процесс созревания, при котором первичный РНК-транскрипт модифицируется и превращается в зрелую РНК. Характер и степень модификации РНК завися от типа РНК.

Молекула мРНК у прокариот не подвергается процессингу. У некоторых бактерий транскрипция и трансляция сопряжены, т.е. происходят одновременно. 5`-конец мРНК может транслироваться на рибосоме и затем подвергаться деградации еще до завершения синтеза ее 3`-конца.

Молекулы тРНК вначале синтезируются в виде протРНК, которая примерно на 20% длиннее, чем соответствующая тРНК. Лишние последовательности, расположенные у 5`и 3`-концов, удаляются с помощью таких ферментов, как рибонуклеаза Q и P (прозрачка 17). Иногда молекула протРНК состоит из двух или более молекул тРНК, соединенных между собой (прозрачка 16). Их разделение также осуществляется с помощью рибонуклеаз. Если 3`-конец тРНК не несет концевой последовательности ЦЦА, то эти основания присоединяются при постсинтетической модификации (прозрачка 17). Все тРНК содержат минорные основания. Эта модификация происходит после завершения транскрипции.

Гены рРНК прокариот расположены в транскрипционных блоках. Три гена рРНК (прозрачка 14) E.coli (16S, 23S, 5S) располагаются вместе с генами нескольких тРНКв одном таком блоке и транскрибируются в виде одной молекулы РНК. Эти молекулы рРНК и тРНК отделены друг от друга спейсорной РНК. Ращипление первичного транскрипта на отдельные составляющие катализирует рибонуклеаза Q; поскольку этот фермент специфичен к двуцепочечной РНК, предполагают, что в области спейсеров образуются двухцепочечные шпильки (прозрачка 15), которые фермент узнает и вырезает.

а) последовательность, кодирующая либо зрелую РНК, либо белковый продукт;

б) интроны;

в) 5`-лидерная и 3`-трейлерная последовательности, которые присутствуют в зрелых мРНК, а также промежуточные последовательности (спейсеры), которые удаляются в ходе процессинга первичных транскриптов генов, кодирующих РНК.

Минимальные последовательности, необходимые для начала правильной транскрипции (промотор) и для образования правильного 3`-конца зрелой РНК

Последовательности, регулирующие частоту инициации транскрипции; к ним относятся последовательности, ответственные за индуцибельность и репрессию транскрипции, а также клеточную, тканевую и временную специфичность транскрипции. к их числу относятся энхансеры и сайленсеры - последовательности, которые оказывают дистанционное влияние на инициацию транскрипции независимо от своей ориентации относительно точки начала транскрипции.

Для инициации транскрипции с участием трех разных РНК-полимераз используются разные регуляторные последовательности, при этом последние располагаются каждая на определенном расстоянии от точки начала транскрипции. Кроме того, для РНК-полимеразы каждого типа требуются свои вспомогательные белки (факторы транскрипции), которые связываются с этими регуляторными последовательностями.