Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

РНК-полимеразы: общие сведения



ТРАНСКРИПЦИЯ - ОБЩЕБИОЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТ

Транскрипция: введение

 

Транскрипция является первой стадией реализации (считывания) генетической информации, на которой нуклеотидная последовательность ДНК копируется в виде нуклеотидной последовательности РНК. В основе механизма копирования при транскрипции лежит тот же структурный принцип комплементарного спаривания оснований, что и при репликации. Рибонуклеозиды (цитидин, гуанозин, уридин, аденозин), синтезированные в процессе клеточного метаболизма в форме рибонуклеозидтрифосфатов (rNTP) CTP, GTP, UTP, ATP, пристраиваются к комплементарным основаниям ДНК, а именно C к G, G к C, U к A, A к T. Транскрипция идет от начала транскрипционной единицы до ее конца. Транскрипция осуществляется ферментами РНК-полимеразами асинтезирующими РНК на ДНК-матрице из рибонуклеозидтрифосфатов с участием многочисленных факторов транскрипции - регуляторных белков, осуществляющих высокоспецифические белок-белковые и белково-нуклеиновые взаимодействия. .

 

Транскрипция у эукариот происходит в клеточном ядре, а последующая трансляция - в цитоплазме на рибосомах. РНК-транскрипт в форме рибонуклеопротеиновых частиц попадает в цитоплазму и претерпевает ряд изменений, которые называют посттранскрипционными процессами .

Транскриптон

 

Синтез молекул РНК начинается в определенных местах ДНК, называемых промоторами , и завершается в терминаторах. Участок ДНК, ограниченный промотором и терминатором, представляет собой единицу транскрипции ( Lewin B., 1980 ) - транскриптон. В пределах каждого транскриптона копируется только одна из двух нитей ДНК, которая называется значащей или матричной. Во всех транскриптонах, считываемых в одном направлении, значащей является одна нить ДНК; в транскриптонах, считываемых в противоположном направлении, значащей является другая нить ДНК. Соседние транскриптоны могут быть отделены друг от друга нетранскрибируемыми участками ДНК, а могут и перекрываться, в частности так, что в пределах участка перекрывания матричными оказываются обе нити. Разбиение ДНК на множество транскриптонов обеспечивает возможность независимого считывания разных генов, их индивидуального включения и выключения. У эукариот в состав транскриптона, как правило, входит только один ген.Термины "транскрипционная единица" или "транскриптон" по смыслу близки термину "ген", но они не всегда совпадают. Так, транскрипционные единицы прокариот, как правило, заключают в себе генетическую информацию нескольких генов и называются оперонами . Продуктами транскрипции оперонов являются полицистронные мРНК , в результате трансляции которых рибосомами образуется несколько белков. Белки, кодируемые полицистронными мРНК, обычно функционально связаны друг с другом и обеспечивают протекание какого-либо метаболического процесса, например, биосинтеза определенной аминокислоты или утилизацию углеводов в качестве источника углерода. Организация генов в виде оперонов облегчает координированную регуляцию их экспрессии на уровне транскрипции. Согласованная регуляция транскрипции (и других этапов экспрессии) многих генов, не образующих одного оперона, чаще всего осуществляется специфическими белками-регуляторами, которые взаимодействуют с гомологичными регуляторными нуклеотидными последовательностями, маркирующими гены данной группы.

Транскрипт первичный

Первичный РНК-транскрипт, или про-мРНК, синтезированный на транскрипционной единице , в большинстве случаев длиннее, чем последовательность нуклеотидов, соответствующая конечному продукту (полипептиду, тРНК, рРНК). У эукариот первичный транскрипт (молекулярная масса от 106 до 1.5*107) может быть в 10 раз длиннее, чем мРНК, поступающая для трансляции. Первичный РНК-транскрипт претерпевает изменения в совокупности называемые процессингом . При процессинге к нему сначала присоединяются колпачок и poly(A) , а затем в результате многократного сплайсинга он укорачивается, и одновременно происходит внутреннее метилирование с образованием 6-метиладенозина.

 

Про-мРНК и мРНК всегда соединены ионными связями с белками и образуют рибонуклеопротеиновые частицы .

Матричная РНК (мРНК)

 

Зрелая мРНК эукариот наряду с основной последовательностью нуклеотидов, в которой закодирована информация о последовательности аминокислот в соответствующем белке, содержит целый ряд некодирующих последовательностей, присутствие которых необходимо для ее трансляции рибосомами. Одни из этих последовательностей, такие как кэп-группа и 3'-концевая поли(А), не кодируются непосредственно генами, а добавляются ко- и посттранскрипционно, другие имеют генное происхождение. Эти последовательности часто содержат регуляторные сигналы, обеспечивающие определенный уровень трансляции мРНК рибосомами.

 

Участок мРНК, расположенный между кэп-группой и первым инициирующим кодоном основной открытой рамки считывания (ОРС) , которая и несет информацию о последовательности аминокислот в белке, получил название 5'-концевой нетранслируемой области (5'UTR - 5' untranslated region), или лидерной последовательности . Сегмент мРНК, расположенный между последним терминирующим кодоном основной ОРС и началом поли(А)- последовательности , называют 3'-концевой нетранслируемой областью (3'UTR) . Первое название не совсем удачно. Последовательности 5'UTR, как правило, способны образовывать сложные вторичные структуры типа "стебель-петля" и содержать короткие ОРС (uORF - upstream open reading frame) , которые оказывают сильное влияние на эффективность трансляции мРНК.

 

Помимо этого, 5'UTR могут включать в себя регуляторные последовательности, распознаваемые транс-действующими белковыми факторами. Последовательности 5'UTR обеспечивают регулируемую трансляцию мРНК (и координированную экспрессию соответствующих генов) в онтогенезе многоклеточных организмов.

 

3'UTR и поли(А)-последовательность оказывают влияние на состояние рибосом после терминации синтеза полипептидных цепей. Кроме того, 3'-концевая поли(А)-последовательность участвует в инициации трансляции.

МРНК: Лидер

 

Лидерной называется 5'-нетранслируемая часть мРНК . Обычно лидерная последовательность имеет в длину несколько десятков нуклеотидов, но бывают лидеры длиной в несколько сот нуклеотидов. Концевая последовательность, как правило, длиннее, от нескольких сот до тысячи и более нуклеотидов. 5'-конец мРНК, несущий кэп , необходим для начала трансляции. Есть данные, что мРНК, где лидерная последовательность между кэпом и инициирующим кодоном в начале кодирующей зоны очень велика, транслируется плохо. Удаление значительной части лидера ведет к тому, что уровень трансляции существенно возрастает.

МРНК: трейлер

 

Трейлером называется 3'-нетранслируемый конец мРНК . Он, вероятно, тоже может выполнять функциональную нагрузку. Есть данные ( Caput ea, 1986 ; Shaw ea, 1986 ), что некоторые последовательности в ее составе, богатые T(U), резко дестабилизируют мРНК, так что время жизни такой мРНК в цитоплазме оказывается очень небольшим. Удаление соответствующей области из гена резко удлиняет время жизни мРНК .

МРНК: колпачок

 

Колпачок представляет собой весьма необычную последовательность: 7-метилгуанозин связан 5'-концом через три фосфата с 5'-концом следующего нуклеозида. Кроме того, оба следующих нуклеозида метилированы.

МРНК: poly(A)

 

poly(A) - это монотонная последовательность примерно из 200 остатков аденозина. Она отсутствует у гистоновых мРНК. Наличие poly(A) на 3'-конце мРНК , видимо стабилизирует мРНК . Лишенные poly(A) РНК, хотя и транслируются, но время их жизни сокращается.

РНК-полимеразы: общие сведения

 

У эукариот существуют три типа РНК-полимераз, каждый из которых ответственен за транскрипцию различных групп генов. Эти ферменты, называемые РНК-полимераза I , РНК-полимераза II и РНК-полимераза III , ( Chambon P., 1975 ; Brown D., 1981 ; McKnight ea, 1982 ) структурно сходны друг с другом и имеют некоторые общие субъединицы, тогда как другие субъединицы являются уникальными. Каждая из этих РНК-полимераз, полагают, содержит 10 или более полипептидных цепей. РНК-полимеразы эукариот и бактерий эволюционно родственны.

 

Только одна из них, а именно, РНК-полимераза II , транскрибирует гены, которые затем будут транслированы в белки. Большинство малых РНК, которые образуют snRNP , синтезируются с помощью РНК-полимеразы II.

 

Две другие полимеразы катализируют образование различных типов РНК, которые составляют часть белок-синтезирующего аппарата: РНК-полимераза I синтезирует высокомолекулярную рибосомную РНК , а РНК-полимераза III - разнообразные низкомолекулярные стабильные РНК, в том числе тРНК и рибосомную 5S-РНК . Все три фермента имеют молекулярную массу, приблизительно равную 500000.

 

РНК-полимеразы I, II и III отличаются по чувствительности к токсину альфа-аманитину : РНК-полимераза I не чувствительна к нему; РНК-полимераза II очень чувствительна; РНК-полимераза III умеренно чувствительна. РНК- полимераза II транскрибирует гены, РНК-продукты которых будут транслированы в белки . Другие две РНК-полимеразы синтезируют РНК, которые выполняют структурные или каталитические роли, в основном, как часть белок-синтезирующего аппарата.

 

Хотя синтезированные РНК-полимеразой II транскрипты составляют более половины РНК, синтезированной в результате транскрипции ДНК, большая часть РНК таких транскриптов нестабильна и, соответственно, короткоживуща. Следовательно, производные от нее гетерогенные ядерные РНК hnRNA в клеточном ядре и цитоплазматическая мРНК составляют лишь минорную фракцию тотальной клеточной РНК (табл.)

 

В соответствии с субъединичным составом РНК-полимеразы подразделяются на две группы.

 

К первой группе относятся ферменты, состоящие только из одной субъединицы, среди них - РНК-полимеразы митохондрий и бактериофагов , например, SP6 и T7 . Эти РНК-полимеразы транскрибируют небольшое число генов простых геномов, и для их функционирования не требуется сложных регуляторных воздействий.

 

Вторую группу составляют сложно устроенные РНК-полимеразы бактерий и эукариот , которые представляют собой многосубъединичные белковые комплексы, транскрибирующие сотни и тысячи различных генов. Такие ферменты во время своего функционирования реагируют на многочисленные регуляторные сигналы, поступающие от регуляторных последовательностей нуклеотидов и белковых факторов.

 

Разделение РНК-полимераз по структурно-функциональному признаку является упрощением. Имеются данные, что просто устроенные фаговые РНК-полимеразы функционируют in vivo в комплексе с другими белками бактериальных клеток, которые могут существенно изменять их ферментативные свойства.

РНК-полимераза E.coli

 

Наиболее изученной из бактериальных ферментов является РНК- полимераза E.coli. Она осуществляет транскрипцию всех бактериальных генов.

 

Фермент состоит из пяти субъединиц: бета'- (молекулярная масса 165 кДа), бета- (155 кДа), двух альфа- (35 кДа каждая) и сигма- (чаще всего 70 кДа (сигма70)). Комплекс из четырех субъединиц бета-бета'-альфа-альфа, часто обозначаемый буквой Е (enzyme), образует так называемый минимальный (кор-) фермент E.coli , который способен осуществлять все основные этапы транскрипции, за исключением правильной инициации. Для инициации транскрипции требуется присутствие определенной регуляторной сигма-субъединицы, необходимой для распознавания РНК-полимеразой промоторов бактериальных генов, определяющей специфичность взаимодействия РНК-полимеразы с промоторами и, возможно, последующую изомеризацию комплекса РНК-полимераза-промотор, необходимую для начала синтеза РНК. Полный фермент, включающий сигма70-субъединицу, часто называют холоферментом и обозначают Есигма70. РНК-полимераза Есигма70 способна транскрибировать большинство (но не все) генов E.coli. В частности, для транскрипции генов теплового шока , оперонов gln или nif требуется включение в состав полного фермента другой регуляторной субъединицы - сигма54 (молекулярная масса 54 кДа) вместо сигма70 с образованием фермента Eсигма54 .

 

Описано до десяти различных сигма-факторов, объединение которых с минимальным ферментом дает возможность образующимся холоферментам узнавать разные промоторы. Все четыре субъединицы кор-фермента обеспечивают контакт РНК-полимеразы с промоторами. При этом бета'-субъединица участвует в связывании фермента с ДНК, бета-субъединица образует каталитический активный центр, а альфа- субъединицы обеспечивают правильное взаимодействие фермента с промоторами.

 

Данные такого рода получают с использованием ферментов, у которых под действием мутаций изменены конкретные субъединицы, и если, например, мутация в гене альфа-субъединицы нарушает связывание РНК-полимеразы с ДНК, делаются соответствующие выводы. Однако любая мутантная субъединица в составе олигомерного фермента может изменять его конформацию и придавать ферменту самые неожиданные свойства. Более прямым методом определения мест контакта макромолекул при белок-белковых и белково-нуклеиновых взаимодействиях является метод поперечных сшивок с использованием бифункциональных химических агентов. Такие химические соединения образуют ковалентные связи (поперечные сшивки) между близкорасположенными реакционноспособными группами.

 

Наличие контакта между макромолекулами нельзя однозначно интерпретировать в пользу его функциональной значимости.




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.