Синтез информационной РНК (иРНК): строение генов, транскрипция

Обновлено: 01.05.2024

Согласно принципу последовательности, информация переносится от ДНК к РНК и белкам: ДНК —> РНК —> белок. В связи с этим обратимся к содержанию транскрипции (от лат. transcriptio — переписывание), наряду с репликацией ДНК являющейся важнейшим генно-молекулярным механизмом. Транскрипция во многом похожа на репликацию, но, разумеется, у нее есть и многочисленные особенности. Одна из них состоит в том, что при выяснении содержания транскрипции непременно необходимо учитывать строение генов. Дело в том, что в репликации воспроизводятся все структурные единицы генов, чего нет при транскрипции.

Традиционно ген определяется как единица наследственной информации, детерминирующая выполнение организмом определенной функции. Ген состоит из регуляторной и кодирующей части. Транскрибируется только кодирующая часть, которая состоит из экзонов и нитронов. Такая транскрипция характерна для незрелой РНК. Она находит свое продолжение в окончательной стадии транскрипции, при которой из незрелой РНК исключаются все интроны, а оставшиеся экзоны объединяются. В месте промотора с регуляторной частью гена связывается РНК-полимераза, которая в результате инициирует начало транскрипции на одной из двух цепей ДНК. На рис. 6.8 представлена схема устройства гена эукариотов, а также зрелой и незрелой РНК.

Некоторые из использованных выше терминов, очевидно, нуждаются в характеристике.

Рис. 6.8. Схема устройства гена эукариотов и РНК

Промотор (от фраиц. promoteur — основатель, инициатор) — это последовательность нуклеотидов ДНК, которая позволяет регулировать экспрессию генов. Он находится около 5'-гена и, следовательно, непосредственно перед той частью гена, которая кодирует РНК. Существенным признаком промотора является его специфическое взаимодействие с ДНК зависимыми белками, которые посредством РНК-полимеразы определяют начало транскрипции. Такие белки называются факторами транскрипции.

Наряду с промотором к регуляторной части гена относятся последовательности нуклеотидов, которые также оказывают существенное влияние на экспрессию генов. Энхансеры (англ, enhancer — усилитель, увеличитель) ее усиливают, а сайленсеры (от англ, silencer — глушитель) подавляют, но не сами по себе, а лишь в случае воздействия на них факторов транскрипции. Пространственное положение энхансеров и сайленсеров не является четко определенным, они могут находиться на меньшем или большем расстоянии от промотора.

Экзон (англ, expressed region — область выражения) — участок гена, кодирующий зрелую РНК и белки. Экзоны являются первичными генетическими единицами, от которых решающим образом зависит облик всего биологического мира. Именно их перекомбинация приводит к образованию новых генов и белков. Всего лишь 1,5% генного состава ДНК определяет синтез белков. Другая часть этого состава либо вообще не транскрибируется, либо определяет строение таких разновидностей РНК, например транспортных РНК, которые не обладают функцией синтеза белков.

Интрон (от англ, intervening regions — промежуточные области) — участок гена, который не содержит информации о зрелых РНК и белках. Биологические функции интронов изучены значительно хуже, чем функции экзонов. Большие споры вызывает также вопрос об их происхождении: то ли они возникли вместе с прокариотами, то ли вместе с эукариго- тами или же даже позже их. В одном гене человека в среднем содержится 8,8 экзона и 7,8 ингрона, но ингроны в среднем приблизительно в 25 раз длиннее экзонов [1] .

После сказанного нетрудно представить в себе в основных чертах весь процесс транскрипции (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Транскрипция РНК

Этап инициации. Под воздействием ферментов, в частности энхансеров, присоединившись к промотору, РНК-полимераза разрывает азотистые основания (указаны на рис. 6.9 вертикальными короткими линиями) и выбирает ту ветвь ДНК, которая становится матрицей транскрипции (на рис. 6.9. это нижняя линия). Она также создает глазок транскрипции (на рис. 6.9. это треугольная крышечка). При этом для этапа элонгации обнажается 10—20 пар неклеотидов. Интересно, что в случае транскрипции нет необходимости в формировании праймера, характерного для процесса репликации ДНК. Транскрипция обходится без праймера.

Этап элонгации. Под действием РНК-полимеразы в области транскрипционного глазка формируется РНК. В отличие от ДНК-полимеразы РНК-полимераза не способна корректировать правильность синтеза РНК-цепи и исправлять допущенные ошибки. Если в процессе синтеза возникают затруднения, то движение РНК-полимеразы приостанавливается. В результате вероятность ошибочной сборки РНК снижается. Транскрипция не прекращается, глазок удаляется от промотера. В тех областях, которые миновал глазок, восстанавливается дуплексная структура ДНК. Цепь синтезируемой РНК постепенно удлиняется. Она растет в направлении 5'—3'.

Этап терминации. Он наступает в силу воздействия на РНК-полимеразу вспомогательных факторов. Как только область транскрипции достигается экзонуклеазами, транскрипция прекращается, а РНК-полимераза и РНК отделяются друг от друга. ДНК полностью восстанавливает свою дуплексную структуру.

До сих пор мы рассматривали транскрипцию PI IK в самом общем плане, абстрагируясь от нескольких существенных обстоятельств, в частности, не учитывалось наличие различных типов как РНК, так и РНК-полимераз. Различают следующие типы РНК:

1) участвующие в синтезе белков;
2) участвующие в модификациях транскрибированных РНК, а также в репликации ДНК;
3) регулирующие функционирование некоторых биологических единиц, например генов;
4) паразитарные РНК (часто саморазмножающиеся и входят в состав вирусов);
5) другие РНК (тип которых не поддается однозначной классификации).

Информация обо всех разновидностях РНК содержится в ДНК. Впрочем, не все они транскрибируются непосредственно на матричной ДНК.

Некоторые РНК являются модификациями ранее транскрибированных РНК. Для нас, знакомящихся с основаниями молекулярной генетики, наибольший интерес представляют РНК, участвующих непосредственно в синтезе белков. Их всего 5 типов (табл. 6.4).

Синтез информационной РНК (иРНК): строение генов, транскрипция

Большинство процессов метаболизма в организме катализируются белковыми ферментами. Кроме того, белки — основные структурные компоненты тела человека. Аминокислотные последовательности всех белков зашифрованы в ДНК, а процесс превращения закодированной информации в сам белок включает её транскрипцию на гяРНК, процессинг на иРНК, трансляцию на полипептид и окончательную сборку белка.

Строение гена

В отличие от прокариот у эукариот большинство генов имеют участок ДНК, который прерывает кодирующую последовательность. Данные некодирующие фрагменты называют нитронами, в то время как другие, кодирующие участки— экзонами. У обеих групп после кодирующего участка присутствуют лидерная и трейлерная последовательности, а также ряд последовательностей, контролирующих процесс транскрипции.

Гены, которые кодируют белок, называют «структурными генами», их транскрипция происходит при участии РНК-полимеразы II. Участок, расположенный непосредственно перед кодирующей последовательностью (в направлении от 3'- к 5'-концу), называют промотором. Он служит для связывания с факторами транскрипции, которые указывают, где РНКаза II должна начать своё действие.

Среди белков различают белки «домашнего хозяйства», которые присутствуют во всех клетках организма, а также белки «роскоши», осуществляющие специальные функции. В состав промоторов генов, кодирующих белки «роскоши», входит «бокс TATA», имеющий последовательность наподобие 5'-ТАТААА-3', повторяющуюся на протяжении примерно 25 пар нуклеотидов и предшествующую участку начала транскрипции.

Гены, кодирующие белки «домашнего хозяйства», имеют на подобных участках один или несколько «боксов ГЦ», составляющих последовательность наподобие 5'-ГГГГДТГ-3. Другой распространённый промоторный участок— «бокс ЦААТ» (например, 5'-ЦЦААТ-3') длиной до 80 пар нуклеотидов, имеющий энхансерные и сайленсерные последовательности на некотором расстоянии от него, которые связывают факторы контроля, взаимодействующие с промотором, образуя петлю ДНК.

Некоторые гены «роскоши» также имеют дополнительные специфические факторы контроля.

Фрагмент, расположенный ниже участка начала транскрипции (5'—3'), называют лидерной последовательностью, он не транслируется. Затем следует кодирующий участок, обычно прерываемый одним или несколькими интронами, а после — некодирующий трейлерный (концевой) участок, на конце которого участок полиаденилирования (поли-А-сайт), имеющий вариабельную последовательность наподобие 5'-ААТАА-3' (5'-ААУАА-3' на РНК-транскрипте) длиной 10-30 пар нуклеотидов в направлении 3'—5'.

Интроны начинаются последовательностью ГТА(/Г)ГАГТ и заканчиваются серией из Ц- или Т-оснований, предшествующих АГ. Для удаления интрона значение имеют первые основания Г и Т (Г и У в гяРНК) и последние АГ, а также остаток аденина в составе последовательности ближе к 5'-концу. Участок, находящийся ближе к 5'-концу, известен под названием донор, ближе к З'-концу — акцептор, а остаток аденина называют участком ветви.

У прокариот транскрипция останавливается на особом участке, состоящем из инвертированного повтора трейлера и ряда Т-остатков. К прекращению транскрипции приводит появление петли-«шпильки», образованной путём спаривания оснований в копии иРНК. Подобная структура существует и в трейлерах гистонных генов. У эукариот не обнаружено общего сигнального участка терминации транскрипции.

Транскрипция при синтезе иРНК

Сигналом к началу транскрипции служит комплекс белков-факторов транскрипции, находящийся в промоторе. Молекула РНКазы II связывается с данным транскрипционным комплексом и разрывает двойную спираль. После этого комплекс, уже имеющий в своём составе фермент, движется подобно «застёжке на молнии» в направлении 5'—3', вызывая разматывание и разделение цепи в месте, где он проходит, а затем восстанавливая структуру двойной спирали сразу после прохождения участка.

Таким образом формируется транскрипционное вздутие. Как только он достигает участка начала транскрипции, происходит отщепление одного из факторов транскрипции и присоединение другого, после чего начинается процесс синтеза РНК.

Используя в качестве матрицы цепь в направлении 3'—5' (слева направо), РНКаза II поочерёдно захватывает рибонуклеотиды и соединяет их друг с другом, образуя комплементарную последовательность РНК, ориентированную в обратном направлении (то есть от 5' к 3').

Другими словами, используя правила комплементарного спаривания оснований при взаимодействии с матричной цепью, РНКаза создаёт точную РНК-копию кодирующей цепи. Фермент транскрибирует лидерный и трейлерный участки, экзоны, интроны и (по всей видимости, напрасно) продвигается дальше в направлении 5'—3'.

Факторы транскрипции при синтезе иРНК

Факторы транскрипции — белки, прикрепляющиеся к промоторной последовательности и запускающие процесс транскрипции. В их состав обычно входят активационный домен и ДНК-связывающий домен. Активационные домены богаты глутаматом, а также аспартатом или пролином, которые облегчают формирование транскрипционного комплекса. Кроме того, различают четыре типа ДНК-связывающих доменов.

• Лейциновая «молния» представляет собой а-спираль, состоящую из аминокислотных остатков, каждый седьмой из которых представлен лейцином, что в свою очередь соответствует каждому второму повороту двойной цепи ДНК. Это позволяет парам оснований сцепляться и образовывать расходящийся участок на конце, который предположительно сжимает нить ДНК наподобие прищепки.

• Спираль-петля-спираль состоит из двух белковых а-спиралей, которые соединены длинной, гибкой петлёй, позволяющей параллельно упаковывать их близко друг к другу. Считают, что данная структура осуществляет контроль процесса транскрипции путём блокирования других регуляторных белков гена.

• Спираль-поворот-спираль состоит из двух коротких а-спиралей, разделённых аминокислотной последовательностью, слишком короткой, чтобы позволить им лежать в одной плоскости. Этот фрагмент — характерный признак гомеобокса (см. главу 12).

• Цинковый палец — структура, напоминающая по строению палец, включающая около 23 аминокислот, удерживаемых четырёхвалентным ионом цинка, который находится в основании «пальца» и обычно связан с четырьмя основаниями цистеина либо двумя — цистеина, двумя — гистидина.

Процессинг РНК

Для того чтобы только что синтезированные гяРНК стали кодирующими матрицами для последующей трансляции и образования полипептидов, они претерпевают ковалентное видоизменение. При этом вначале к 5'-концу в обратном направлении прикрепляется 7-метил-ГТФ (кэп). Как только на цепи гяРНК возникает участок полиаденилирования, она в этом месте расщепляется, а затем при помощи полиА-полимеразы происходит присоединение 100—200 остатков адениловой кислоты и таким образом формируется поли-А-хвост (полнаденильный хвост).

Наряду с кэпом поли-А-хвост предположительно защищает молекулу от разрушения экзонуклеазами, служит так называемым паспортом, необходимым для её попадания в цитоплазму, а позже становится сигнальным участком для рибосомы, указывающим на возможность начала трансляции.

Молекула гяРНК в среднем содержит около 7000 нуклеотидов, количество которых в иРНК сокращается до 1200 путём удаления примерно 50 интронов. Характерная особенность гистонных генов — отсутствие интронов.

Рибонуклеиновые комплексы, которые удаляют нитроны, называют сплайсомами. Они имеют в своём составе несколько малых ядерных РНК (U1—U6), каждая из которых соединена со специфическим белком. Рибонуклеопротеин, содержащий малую ядерную РНК U1 (Ul-малая ядерная РНК), благодаря наличию комплементарной последовательности, присоединяется к участку начала сплайсинга в направлении 3'—5'.

К участку ветви прикрепляется малая ядерная РНК U2, которая затем связывается с U1, в результате чего возникает петля гяРНК. После этого U2 отсекает гяРНК в направлении 3'—5' сразу после последовательности Г—У (см. выше) и соединяет ближний к 5'-конец интрона с участком соединения, образуя так называемое лассо. Конец интрона, находящийся ближе к 3', отсекается сразу после последовательности А—Г, распуская лассо РНК. При этом сплайсома соединяет между собой экзоны.

Иногда в некоторых транскриптах (особенно при производстве антител) обнаруживают альтернативные механизмы сплайсинга, однако ошибки в данном процессе играют важную роль в развитии многих генетических заболеваний. Так, церебральный паралич и задержка умственного развития при синдроме Жильбера обусловлены внедрением Т—А в нормальную последовательность ТАТАА промотора гена УДФ-гликозилтрансферазы. А-аманитин, содержащийся в бледной поганке (Amanita phalloides), блокирует действие РНКазы II.

Антибиотик рифампицин блокирует транскрипцию у бактерий путём связывания с b-субъединицей бактериальной РНК-полимеразы, в то время как актиномицин внедряется между парами оснований Г—С .

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Структура и типы РНК человека: транспортная, ядерная, рибосомальная, митохондриальная и т.д.

ДНК представляет собой двухцепочечную нуклеиновую кислоту, которая содержит генетическую информацию, получаемую нами от родителей и передаваемую от нас нашим детям.
РНК — подобная структура, облегчающая экспрессию данной информации в наших клетках. Основное различие между ДНК и РНК: РНК (обычно) имеет только одну цепь, дезоксирибоза в ней замещена на рибозу, а тимин — на урацил. У эукариот (организмов с «настоящим ядром», или высших существ) существует девять основных типов РНК: информационная РНК (иРНК или мРНК) и её предшественница— гяРНК, транспортная РНК (тРНК), рибосомная (рРНК), малая ядерная РНК (snPHK), малая ядрышковая РНК (snoPHK), сигналраспознающая РНК (srpPHK), микро-РНК (miPHK) и митохондриальная РНК (т+ РНК).

ГяРНК свойственна исключительно эукариотам, её нет у прокариот («доядерные» организмы, например бактерии и вирусы). Некоторые вирусы для хранения и передачи генетической информации следующим поколениям используют РНК вместо ДНК.

Гетерогенная ядерная и информационная РНК

ГяРНК и её производное — информационная (или матричная) РНК переносят генетическую информацию от ядерной ДНК к цитоплазме.

Количество видов гяРНК равно количеству генов, так как она служит прямой копией кодирующих последовательностей генома. В процессе транскрипции РНК с ДНК ключевую роль играет фермент РНК-полимераза II. Информационная РНК образуется в результате процессинга гяРНК, при котором происходят вырезание некодирующих участков (интронов) и склеивание кодирующих экзонов. Таким образом, в состав иРНК входят кодирующая информация соответствующих видов гяРНК, а также фланкирующий лидерный и трейлерный участки, по этой причине она значительно короче.

Транспортная РНК

Каждая молекула тРНК состоит примерно из 75 связанных между собой нуклеотидов, образующих длинную цепь. В результате взаимодействия входящих в её состав оснований тРНК имеет конформационную структуру «клеверный лист», который затем скручивается в L-форму. Очень часто в состав тРНК помимо Ц, Г, А и У входит ряд редких оснований, некоторые из которых модифицированы путём метилирования. Важная особенность тРНК: «заряженная» молекула несёт на своём 3'-конце аминокислоту, а посередине конформационной структуры «клеверный лист» находятся три специфических основания, именуемые антикодоном. Последовательность оснований в антикодоне напрямую зависит от вида аминокислоты, прикреплённой к 3'-концу.

Так, например, тРНК, антикодон которой имеет последовательность 5'-ЦЦА-3', может нести только аминокислоту триптофан. Следует отметить, что данная зависимость лежит в основе передачи генетической информации, носителем которой выступает тРНК.

Транскрипция молекул тРНК происходит с кодирующих её последовательностей в ДНК при участии фермента РНК-полимеразы III. Различают более 40 семейств тРНК, которые, в свою очередь, подразделяют на несколько видов.

Рибосомальная РНК

Существует несколько субъединиц рРНК, которые различаются по коэффициенту седиментации (осаждения), измеряемому в единицах Сведберга (S). Данный коэффициент зависит от скорости осаждения субъединиц при центрифугировании в насыщенной водной среде.

Каждая рибосома состоит из большой и малой субъединиц. Они содержат большое количество белков, синтезированных посредством трансляции иРНК, а также РНК, которая не подвергается трансляции. Термин «рибосомальная РНК» относят именно к нетранслируемому материалу. В малой субъединице находится 18S рРНК, а в большой — 4S, 5,8S и 28S рРНК.

Траскрипция рРНК с ДНК происходит при помощи двух дополнительных РНК-полимераз. РНК-полимераза I транскрибирует 5S, 5,8S и 28S в виде одного длинного 45S-тpaнскрипта, который затем разделяется на необходимые части. Таким образом обеспечивается равное количество молекул. В организме человека в каждом гаплоидном геноме присутствует примерно 250 копий последовательности ДНК, кодирующей 45S-транскрипт. Они расположены в пяти кластерных тандемных повторах в коротких плечах хромосом 13, 14, 15, 21 и 22.
Данные участки известны как ядрышковые организаторы, так как их транскрипция и последующий процессинг 45S-транскрипта происходят внутри ядрышка.

Не менее чем в трёх кластерах хромосомы 1 существует 2000 копий 5S-pPHK гена. Их транскрипция протекает в присутствии РНК-полимеразы III снаружи ядрышка. Затем они доставляются к местам сборки рибосом при помощи рибосомальных белков.
В рРНК насчитывают около 95 псевдоуридиновых участков, образованных посредством изомеризации уридина малой ядрышковой РНК.

Малая ядерная РНК. Превращение гяРНК в иРНК путём удаления интронов проходит в ядерном комплексе РНК-белков, называемом сплайсомой. У каждой сплайсомы есть ядро, состоящее из трёх малых (низкомолекулярных) ядерных рибонуклео-протеинов, или снурпов. Каждый снурп содержит хотя бы одну малую ядерную РНК и несколько белков. Существует несколько сотен различных малых ядерных РНК, транскрибируемых в основном РНК-полимеразой II.
Считают, что их основная функция — распознавание специфических рибонуклеиновых последовательностей посредством спаривания оснований по типу РНК—РНК. Для процессинга гяРНК наиболее важны Ul, U2, U4/U6 и U5.

Малая ядрышковая РНК. Малая (низкомолекулярная) ядрышковая РНК в основном участвует в направлении или проведении модификаций оснований в рРНК и малой ядерной РНК, таких, как, например, метилирование и псевдоуридинизация. Большинство малых ядрышковых РНК находятся в интронах других генов.

Сигналраспознающая РНК. Сигналраспознающая РНК распознаёт сигнальную последовательность белков, предназначенных для экспрессии, и участвует в их переносе через цитоплазматическую мембрану.

Микро-РНК. Существует примерно 200 микро-РНК человека длиной в 22 основания, производных расщепления рибонуклеазой Н их предшественников (двухцепочечных «зашпиленных» РНК) в соответствии с инвертированными повторами. Они контролируют трансляцию структурных генов путём комплементарного связывания с З'-концами нетранслируемых участков иРНК.

Митохондриальная РНК

Митохондриальная ДНК представляет собой непрерывную петлю и кодирует 13 полипептидов, 22 тРНК и 2 рРНК (16S и 23S). Большинство генов находятся на одной (тяжёлой) цепи, однако некоторое их количество расположено и на комплементарной ей лёгкой. При этом обе цепи транскрибируются в виде непрерывных транскриптов при помощи митохондриоспецифической РНК-полимеразы. Данный фермент кодируется ядерным геном. Длинные молекулы РНК затем расщепляются на 37 отдельных видов, а мРНК, рРНК и тРНК совместно транслируют 13 мРНК. Большое количество дополнительных белков, которые поступают в митохондрию из цитоплазмы, транслируются с ядерных генов.

У пациентов с системной красной волчанкой обнаруживают антитела к снурп-белкам собственного организма. Кроме того, считают, что определённый набор генов малой ядерной РНК хромосомы 15q играет важную роль в патогенезе синдрома Прадера—Вилли (наследственное сочетание олигофрении, низкого роста, ожирения, гипотонии мышц).

Экспрессия генов: транскрипция, трансляция, процессинг

Для генов, кодирующих белки, движение информации от гена до полипептида включает несколько шагов. Инициация транскрипции гена происходит под влиянием промоторов и других управляющих элементов, а также специфических белков, известных как факторы транскрипции, взаимодействующих с определенными последовательностями в пределах управляющих областей гена и определяющих пространственную и временную схему экспрессии гена. Транскрипция гена начинается со «стартовой» точки в хромосомной ДНК в начале 5'-транскрибируемой, но не транслируемой области.

Процесс транскрипции идет непрерывно по ходу кодирующей последовательности вдоль хромосомы, проходя от нескольких сотен пар оснований до более миллиона пар, захватывая как интроны, так и экзоны, и завершаясь на конце кодирующей последовательности. После модификации обоих 5' и З'-концов первичной копии РНК части, соответствующие нитронам, удаляются, а сегменты, соответствующие экзонам, сращиваются вместе.

После сплайсинга (сращивания) РНК результирующая мРНК (содержащая центральный сегмент, соответствующий кодирующей части гена), перемещается из ядра в цитоплазму клетки, где мРНК транслируется в аминокислотную последовательность закодированного полипептида. Каждая составляющая этого сложного пути подвержена ошибкам и мутациям, которые создают помехи и вызывают множество наследственных заболеваний.

Транскрипция

Транскрипция белок-кодирующего гена РНК-полимеразой-II (одна из нескольких классов РНК-полимераз) начинается в стартовом сайте транскрипции, в точке 5'-нетранслируемой области, соответствующей 5'-концу конечной РНК. Синтез первичной копии РНК идет по направлению от 5' к З'-концу, поскольку нить считываемого гена, который служит шаблоном для синтеза РНК, действительно считывается в направлении от 3' к 5'-концу в соответствии с направлением фосфатных связей дезоксирибозы.

Поскольку синтезированная РНК соответствует расположению и последовательности нуклеотидов (с заменой урацила на тимин) 5'-3'-нити ДНК, такую нить ДНК часто называют кодирующей или комплементарной ДНК (кДНК). 3'-5'-нить ДНК носит название некодирующей или антисмысловой. Транскрипция осуществляется как для интронных, так и для экзонных частей гена, до позиции в хромосоме, которая записывается на 3'-конец зрелой мРНК. Неизвестно, заканчивается ли транскрипция в определенной точке терминации на 3'-конце.

Затем в области 5'-конца первичной копии РНК происходит кэпирование, а в специфической точке 3'-конца — расщепление. Расщепление заканчивается присоединением к 3'-концевым звеньям множества остатков аденозина — поли-(А), что увеличивает стабильность полученной РНК. Позиция точки полиаденилирования частично определяется последовательностью AAUAAA (или вариантами этой последовательности), обычно обнаруживаемой в 3'-нетранслируемой части копии РНК. Описанные посттрансляционные модификации, как и процесс сплайсинга РНК, происходят в ядре.

Полностью обработанная РНК, теперь называющаяся мРНК, перемещается в цитоплазму, где происходит трансляция.

Трансляция и генетический код

В цитоплазме мРНК транслируется в белок под действием молекул тРНК, специфичной для каждой конкретной аминокислоты. Эти замечательные молекулы, каждая всего от 70 до 100 нуклеотидов длиной, добавляют к растущей полипептидной цепи определенную аминокислоту в соответствии с шаблоном мРНК. Белковый синтез происходит в рибосомах, макромолекулярных комплексах, состоящих из рРНК (кодируемой генами 18S и 28S) и нескольких десятков рибосомальных белков.

Ключ трансляции — код, который связывает специфическую аминокислоту с комбинацией из трех смежных оснований на мРНК. Каждое сочетание трех оснований составляет кодон, специфичный для конкретной аминокислоты. В теории существует почти бесконечное множество вариантов размещения оснований вдоль полинуклеотидной цепи. В каждом положении может быть один из четырех нуклеотидов (А, Т, С или G); таким образом, для трех оснований есть 43 или 64 возможные комбинации триплетов. Эти 64 кодона и составляют генетический код.

Трансляция зрелой мРНК всегда начинается с кодона, определяющего метионин. Следовательно, метионин — всегда первая аминокислота каждой полипептидной цепи, хотя обычно он удаляется до завершения синтеза белка. Кодон метионина (или кодон-инициатор, AUG) устанавливает рамку считывания мРНК; каждый последующий кодон считывается поочередно, указывая аминокислотную последовательность белка.

Молекулярные связи между кодонами и аминокислотами обеспечивают специфические молекулы тРНК. Конкретный участок (сайт) на каждой тРНК формирует антикодон из трех оснований, комплементарный (дополнительный) к специфическому кодону на мРНК. Соединение между кодоном и антикодоном приводит соответствующую аминокислоту на следующую позицию в рибосоме для присоединения с образованием пептидной связи к карбоксильному концу растущей полипептидной цепи. Рибосома затем скользит вдоль мРНК точно на три основания, захватывая следующий кодон для опознавания другой тРНК со следующей аминокислотой.
Таким образом, белки синтезируются, начиная от аминогруппы к карбоксильной группе, что соответствует трансляции мРНК в направлении от 5'-конца к 3'-концу.

Как упоминалось ранее, трансляция заканчивается, когда в той же рамке считывания, что и кодон-инициатор, встречается стоп-кодон (UGA, UAA или UAG). Стоп-кодоны в любой из других неиспользованных рамок считывания не читаются и, следовательно, не оказывают эффекта на трансляцию. Завершенный полипептид отделяется от рибосомы, и она становится доступной для начала синтеза другого белка.

Посттрансляционные события - процессинг

Множество белков проходят существенную посттрансляционную модификацию. Полипептидная цепь, первичный продукт трансляции, скручивается и складывается в специфическую трехмерную структуру, определяемую аминокислотной последовательностью цепи.

Две и более полипептидные цепи, продукты одного или различных генов, могут объединяться, формируя один готовый белковый комплекс. Например, две цепи b-глобина и две цепи а-глобина нековалентно объединяются, формируя тетрамер молекулы гемоглобина. Белковые продукты также могут быть модифицированы химически, например добавлением в специфических местах метильных или фосфатных групп или углеводов.

Такие модификации могут иметь значимое влияние на функцию или количество модифицированного белка. Другие модификации могут включать расщепление белка с потерей специфических аминокислотных последовательностей после того, как они выполнили свою функцию, направив белок в правильную позицию в пределах клетки (например, белки, которые функционируют в пределах ядра или митохондрий) или разделение белковых молекул на меньшие полипептидные цепи.

Например, две цепи, формирующие готовый инсулин, содержащие одна 21, а вторая 30 аминокислот, первоначально представляют собой части проинсулина — первичного продукта трансляции из 82 аминокислот.

Транскрипция митохондриального генома

В предшествующих разделах описаны основы экспрессии генов, содержащихся в ядерном геноме. Митохондриальный геном имеет отличающуюся систему транскрипции и белкового синтеза. Для транскрипции митохондриального генома используется специализированная РНК-полимераза, закодированная в ядерном геноме, содержащая две взаимосвязанные последовательности промотора, для каждой нити кольцевой митохондриальной хромосомы. Каждая нить транскрибируется полностью, а полученные копии затем обрабатываются, порождая различные митохондриальные мРНК, тРНК и рРНК.

Транскрипция. Синтез и созревание РНК

Транскрипция — синтез различных видов РНК на определенных участках ДНК. Это первый этап реализации генетической информации в клетке.

Транскрипция как процесс считывания информации с ДНК имеет ряд важных особенностей:

• информация считывается только с одной (главной или смысловой) нити ДНК в направлении от 3’- к 5’-концу нити ДНК;
• синтез РНК идет антипараллельно нити ДНК, т. е. в направлении от 5’- к З’-концу нити РНК по принципу комплементарности;
• синтез нити РНК осуществляется с помощью целого комплекса ферментов. Главными из них являются ДНК-зависимые РНК полимеразы I, II, III (далее в тексте РНК-полимеразы I, II, III);
• транскрипция — это очень энергоемкий процесс, на присоединение к синтезируемой нити РНК одного нуклеотида тратится одна молекула АТФ или ГТФ;
• участок ДНК, с которого считывается РНК и который ограничен с одной стороны промотором, а с другой — терминатором, называют транскриптационной единицей, или транскриптоном;
• транскрипция включает несколько этапов: инициация, элонгация (рост нити РНК), терминация и созревание (процессинг и сплайсинг) РНК;

• скорость транскрипции составляет 40—50 нуклеотидов в секунду у прокариот и около 60 нуклеотидов в секунду у эукариот;
• транскрипция возможна только на деконденсированном хроматине;
• у эукариот все процессы синтеза, процессинга и сплайсинга молекул РНК проходят в ядре.

Синтез РНК. Начало транскрипции (стадия инициации) зависит от наличия комплекса белков, называемых транскрипционными факторами и работой энхансеров. Эти белки связываются с блоком нуклеотидов ТАТА, входящим в состав промотора. Формируется сложный инициирующий комплекс. Только после этого РНК-полимераза II связывается с промотором и начинается синтез цепи преиРНК (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Начальные этапы транскрипции — роль энхансеров и транскрипционных факторов в инициации синтеза иРНК

В периоде роста (стадия элонгации транскрипции) молекула РНК-полимеразы II движется вдоль нити ДНК, добавляя нуклеотиды к З’-концу растущей нити РНК. Один ген может транскрибироваться несколькими РНК-полимеразами, двигающимися вдоль молекулы ДНК друг за другом. Образование на одном гене сразу нескольких молекул иРНК приводит к интенсификации белкового синтеза в клетке.

Транскрипция завершается, когда РНК-полимераза II доходит до конца гена и начинает считывать участок ДНК, называемый терминатором (стадия терминации транскрипции). Этот участок, размером в 10—35 нуклеотидов, состоит из повторяющихся последовательностей ААУАА. Пройдя этот участок, РНК-полимераза и синтезируемая молекула иРНК отделяются от нити ДНК. В результате формируется молекула первичного транскрипта — молекула преиРНК, которая содержит информацию, считанную со всего гена, как с экзонных, так и с интронных участков гена. Что же происходит дальше?

Молекуле иРНК необходимо выйти из ядра в цитоплазму, чтобы начался синтез белка. Но оказывается, молекула первичного транскрипта (преиРНК) еще не готова к этому. Она содержит участки, считанные с интронных участков гена и не несущие информацию о будущей белковой молекуле. Такая молекула не проходит через ядерные поры. Поэтому сразу после образования преиРНК с ней происходит ряд превращений, которые называют процессингом (созреванием) (рис. 5.10).

Рис. 5.10. Основные этапы синтеза молекулы иРНК:

Э1, Э2 — экзоны; И1, И2 — интроны; З-НТО, 5-НТО — нетранслируемые (регуляторные) участки молекулы иРНК; кэп — шапочка; полиА — полиадениловый конец молекулы; Ш—5 — виды мяРНК (малые ядерные РНК), входящие в состав сплайсосомы

Наиболее важным моментом созревания иРНК является процесс вырезания нетранслируемых (интронных) участков молекулы и дальнейшее сшивание транслируемых (экзонных) участков в зрелую молекулу иРНК. Это явление получило название сплайсинг (от англ. splising — сшивание). Как же происходит сплайсинг?

Сигнальными точками, в которых начинается вырезание участков РНК, служат короткие нуклеотидные последовательности (так называемые сплайт-гены), расположенные в конце интронных участков.

Эти участки распознаются малыми ядерными рибонуклеопроте- инами (snRNPs), которые состоят из молекулы малой ядерной РНК (мяРНК) и нескольких белков.

Несколько рибонуклеопротеинов объединяются в крупный комплекс — сплайсосому, которая вырезает интронные участки преиРНК и сшивает соседние экзонные участки. Самым интересным в работе сплайсосомы является тот факт, что мяРНК обладают каталитической ферментативной активностью (ранее считалось, что ферментами могут быть только белки). В результате образуется укороченная молекула зрелой иРНК, несущая информацию только о структуре белка.

За открытие и изучение процесса сплайсинга РНК Ричард Робертс и Филипп Шарп в 1993 г. были удостоены Нобелевской премии.

Каково биологическое значение сплайсинга? Как ранее было отмечено, ген может содержать большое количество экзонных и интронных участков. В процессе сплайсинга интронные участки удаляются, а экзонные участки иРНК становятся свободными и могут сшиваться в разной последовательности, хотя порядок следования экзонов не нарушается.

В некоторых молекулах иРНК в процессе сплайсинга могут быть удалены фрагменты, считанные даже с экзонных участков. В результате на одном гене гена может быть образовано несколько видов иРНК и, соответственно, в дальнейшем могут синтезироваться разные белки.

В качестве примера такого явления, получившего название — альтернативный сплайсинг, можно привести данные по гену Board- Complex у дрозофилы. Этот ген контролирует процесс превращения личинки в муху. Ген довольно крупный и содержит 120 тыс. пар нуклеотидов. В его структуре выделено 10 экзоных участков, разделенных интронными участками (рис. 5.11). Оказалось, что за счет комбинации экзонов, с одного гена может считыватся более 15 различных иРНК, кодирующих различные белки в клетках организма мухи — дрозофилы.

Открытие явления альтернативного сплайсинга позволило объяснить, как с 20—25 тыс. структурных генов нашего генома считывается более 100 тыс. белков. Недавно было выявлено, что у 95 % мультиэкзон- ных генов человека наблюдается альтернативный сплайсинг. Благодаря альтернативному сплайсингу, разнообразие белков в организме млекопитающих значительно выше, чем у низших животных, хотя количество генов у тех и других зачастую примерно одинаково.

Возможно, возникновение в эволюции сплайсинга и позволило организмам обходиться относительно небольшим количеством генов.

Помимо альтернативного сплайсинга, РНК может меняться с помощью молекулярного редактирования. Редактирование РНК — это процесс, в ходе которого информация, содержащаяся в молекуле РНК, изменяется путем химической модификации нуклеотидных оснований. В настоящее время установлена возможность редактирования тРНК, рРНК, иРНК эукариот. В результате редактирования преиРНК получаются разные молекулы иРНК, кодирующие, в итоге, разные белки. Редактирование РНК в клетках прокариот пока не описано.

Рис. 5.1 7. Сложный сплайсинг молекулы преРНК у дрозофилы:

1 — ген Broard-Complex у дрозофилы; 2 — интроны; 3 — экзоны; 4 — результаты альтернативного сплайсинга иРНК; мелкие цифры — номера экзонов

Строение иРНК. Структура и свойства иРНК различаются у про- и эукариот. Во-первых, у прокариот иРНК нестабильные и живут всего несколько минут. Они не подвергаются процессингу. Кроме того, в одной молекуле иРНК прокариот записана информация сразу о нескольких белках, и соответственно на одной рибосоме одновременно идет синтез нескольких белков. Общее количество иРНК в клетке бактерий составляет 1—2 % от общего количества РНК.

У эукариот иРНК стабильны и живут часы и сутки. От начала синтеза иРНК до ее выхода из ядра проходит около 10 мин. Одна молекула иРНК эукариот кодирует одну молекулу белка, и на одной рибосоме идет синтез только одной молекулы белка. Количество иРНК достигает 10—20 % от общего количества РНК.

Молекула иРНК эукариот имеет очень сложное строение. Начало синтеза белка происходит не с конца иРНК, а с так называемого инициирующего кодона АУТ. Но оказалось, что рибосома «узнает» первый кодон только в том случае, если за два нуклеотида до него находятся нуклеотиды А или Г, а после него обязательно следует нуклеотид Г. Таким образом можно записать возможную последовательность участка иРНК, где начинается считывание информации: ЦЦГЦЦАГЦЦАУГГАГУ

(инициирующий кодон подчеркнут, регулирующие нуклеотиды выделены жирным шрифтом).

В процессе созревания и вырезания интронов из молекулы преиРНК, к ней происходит присоединение ряда некодирующих белок последовательностей, присутствие которых является необходимым для дальнейшего существования иРНК и ее участия в синтезе белка.

Это так называемые нетранслируемые области (НТО), расположенные до старт-кодона и после стоп-кодона. Они называются 5’-нетранс- лируемая область (5’НТО) и З’-нетранслируемая область (З’НТО) соответственно. Нетранслируемые области участвуют в жизненном цикле иРНК, определяя ее стабильность, локализацию в клетке, время начала и интенсивность синтеза белка.

К 5’-НТО концу молекулы преиРНК присоединяется модифицированный фосфорными остатками гуаниновый нуклеотид, образуя — своеобразную «шапочку», или кэп. Она выполняет важные функции: защищает иРНК от действия ферментов и необходима для последующего транспорта иРНК из ядра в цитоплазму, а также участвует в регуляции сплайсинга и транскрипции.

К З’-НТО концу присоединяются от 30 до 200 адениновых нуклеотидов, образуя своеобразный поли-А хвост. Его функции сходны с функциями «шапочки». Кроме того, поли-А хвост определяет время жизни молекулы иРНК и служит сигналом для связывания с рибосомой.

Стабильность иРНК тоже закодирована в структуре молекулы на З’-конце. Специальные белки, связываясь с этими участками, продлевают время жизни молекулы иРНК, поэтому наиболее важные для клетки белки продолжают синтезироваться в большом количестве.

В результате формируется зрелая и довольно сложная по структуре молекула иРНК. Она перемещается из ядра в цитоплазму, где на рибосомах происходит синтез белка (трансляция).

Таким образом, молекулы иРНК содержат информацию не только о самом белке, но и о том, где, когда, с какой скоростью и в каком количестве этот белок будет синтезироваться в клетке.

Синтез остальных типов РНК: рибосомальных (рРНК), транспортных (тРНК), малых ядерных (мяРНК), происходит по той же схеме на соответствующих участках ДНК. Это гены так называемой второй (II) группы, которые не кодируют белки.

Некодирующие РНК. В последнее время в клетке было обнаружено множество молекул РНК, которые не кодируют белки (помимо транспортных и рибосомальных РНК). Число генов, которые кодируют эти РНК, составляет до 10 % генома и значительно превышает количество генов, кодирующих белки (3—5 % генома). Среди множества обнаруженных видов некодирующих РНК, наиболее интересными являются: микроРНК (mi-PHK), короткие интерферирующие РНК (si-PHK), малые ядерные РНК (sn-PHK), малые ядрышковые РНК (sno-PHK) и пи-РНК (piwi-PHK).

МикроРНК (mi-PHK) впервые были открыты у червя-нематоды Caenorhabditis elegans в 1993 г., а впоследствии обнаружены у многих других организмов — от бактерий до человека. Они представляют собой короткие (21—23 пары нуклеотидов) двуцепочечные молекулы РНК. Количество генов, кодирующих mi-PHK, достигает у человека 1000. Эти гены располагаются в разных участках ДНК, включая даже интронные участки других генов. Оказалось, что такие mi-PHK являются важнейшими регуляторами генной активности, способными вмешиваться в процессы транскрипции и трансляции как на уровне ДНК, так и на уровне иРНК. Полагают, что они регулируют активность до 30 % генов! Более того, один вид mi-PHK может регулировать работу более 100 генов. До последнего времени считалось, что микроРНК только подавляют работу генов и последующий синтез белков. Однако недавно оказалось, что действие микроРНК может меняться в зависимости от состояния клетки. В активно функционирующей или делящейся клетке микроРНК подавляет синтез белка. Однако состояние покоя или стресса приводит к противоположному эффекту — усилению синтеза белка.

Схема синтеза и работы микроРНК представлена на рис. 5.12. С гена, кодирующего микроРНК (1), считывается длинная двуцепочечная молекула предшественника микроРНК, которая поступает в цитоплазму (2). В цитоплазме к этой молекуле присоединяется ферментный комплекс Diser, который разрезает длинную молекулу на короткие (длиной в 20—23 нуклеотида) двуцепочечные молекулы РНК (3). Далее с молекулой mi-PHK (еще двуцепочечной) связывается другой белковый комплекс RISC СRNA-induced silencing complex), содержащий белок- фермент нуклеазу — Ago. Этот фермент «расшивает» двуцепочечную молекулу РНК. Одна нить распадается, а другая остается в составе комплекса RISC (4). Комплекс RISC и одноцепочечная mi-PHK комплементарно взаимодействуют с молекулой информационной РНК и далее происходит либо ее деградация (разрушение, 5), либо остановка трансляции (6).

МикроРНК оказались на удивление очень стабильными — время их полужизни составляет до 200 ч, тогда как обычные иРНК живут менее 10 ч. Это еще раз подчеркивает большое значение mi-PHK в метаболизме клетки. Таким образом, вмешиваясь в работу генома на разных этапах транскрипции или трансляции, mi-PHK выполняет множество функций в клетке: участвует в дифференцировке и развитии клеток и тканей, регулирует апоптоз, контролирует упаковку хроматина, влияет на развитие опухолей, контролируют работу иммунной и кроветворной систем и т. д.

Малые интерферирующие РНК (si-PHK). В 2006 г. американские ученые Эндрю Файер и Крейг Мелло получили Нобелевскую премию за открытие и изучение явления РНК-интерференции. Механизм РНК- интерференции заключается в разрушении молекулы иРНК короткими (21—23 нуклеотидов) комплементарными им молекулами РНК, названными малыми интерферирующими РНК (si-PHK). Si-PHK образуются из более длинных двуцепочечных РНК, источником которых могут быть: вирусы; введенные в клетку; искусственные генетические конструкции; транскипты мобильных генетических элементов (транспозо- нов). РНК-интерференция играет большую роль в развитии противовирусного и противоракового иммунитета, как у беспозвоночных, так и позвоночных животных. Механизм действия si-PHK сходен с механизмом работы mi-PHK (рис. 5.12), однако между самими некодирующими РНК обнаружился ряд существенных отличий (табл. 5.1).

Читайте также: