Синтез інформаційної РНК (іРНК): будова генів, транскрипція
Більшість процесів метаболізму в організмі катализируются білковими ферментами. Крім того, білки - основні структурні компоненти тіла людини. Амінокислотні послідовності всіх білків зашифровані в ДНК, а процес перетворення закодованої інформації в сам білок включає її транскрипцію на гяРНК, процесинг на іРНК, трансляцію на поліпептид і остаточну збірку білка.
будова гена
На відміну від прокаріотів у еукаріот більшість генів мають ділянку ДНК, який перериває послідовність, що кодує. Дані некодуючі фрагменти називають нітроном, в той час як інші, які кодують ділянки- екзонами. У обох груп після кодує ділянки присутні лідерних і трейлерному послідовності, а також ряд послідовностей, які контролюють процес транскрипції.
Гени. які кодують білок, називають «структурними генами», їх транскрипція відбувається за участю РНК -полімерази II. Ділянка, розташована безпосередньо перед кодує послідовністю (в напрямку від 3'до 5'-кінця), називають промотором. Він служить для зв'язування з факторами транскрипції, які вказують, де РНКаза II повинна почати свою дію.
Серед білків розрізняють білки «домашнього господарства», які присутні у всіх клітинах організму, а також білки «розкоші», здійснюють спеціальні функції. До складу промоторів генів, що кодують білки «розкоші», входить «бокс TATA», який має послідовність зразок 5'-ТАТААА-3 ', повторювану протягом приблизно 25 пар нуклеотидів і попередню ділянці початку транскрипції.
Гени. кодують білки «домашнього господарства», мають на подібних ділянках один або кілька «боксів ГЦ», складових послідовність зразок 5'-ГГГГДТГ-3. Інший поширений промоторних ділянка-«бокс ЦААТ» (наприклад, 5'-ЦЦААТ-3 ') довжиною до 80 пар нуклеотидів, що має енхансерние і сайленсерние послідовності на деякій відстані від нього, які пов'язують фактори контролю, що взаємодіють з промотором, утворюючи петлю ДНК.
Деякі гени «розкоші» також мають додаткові специфічні фактори контролю.
Фрагмент, розташований нижче ділянки початку транскрипції (5'-3 '), називають лидерной послідовністю, він не транслюється. Потім слід кодує ділянку, зазвичай переривається одним або декількома интронами, а після - не кодують трейлерний (кінцевий) ділянку, на кінці якого ділянку поліаденілювання (полі-А-сайт), який має вариабельную послідовність зразок 5'-ААТАА-3 '(5'- ААУАА-3 'на РНК-транскрипт) довжиною 10-30 пар нуклеотидів в напрямі 3-5'.
Інтрони починаються послідовністю ГТА (/ Г) ГАГТ і закінчуються серією з Ц або Т-підстав, що передують АГ. Для видалення інтрона значення мають перші підстави Г і Т (Г і У в гяРНК) і останні АГ, а також залишок аденіну в складі послідовності ближче до 5'-кінця. Ділянка, яка перебуває ближче до 5'-кінця, відомий під назвою донор, ближче до -кінцю - акцептор, а залишок аденіну називають ділянкою гілки.
У прокаріотів транскрипція зупиняється на особливому ділянці, що складається з інвертованого повтору трейлера і ряду Т-залишків. До припинення транскрипції призводить поява петли- «шпильки», утвореної шляхом спарювання підстав в копії іРНК. Подібна структура існує і в трейлерах гістонів генів. У еукаріот не виявлено загального сигнального ділянки термінації транскрипції.
Транскрипція при синтезі мРНК
Сигналом до початку транскрипції служить комплекс білків-факторів транскрипції, що знаходиться в промоторі. Молекула РНКази II зв'язується з даними транскрипційним комплексом і розриває подвійну спіраль. Після цього комплекс, що вже має в своєму складі фермент, рухається подібно «застібці на блискавки» в напрямі 5-3 ', викликаючи розмотування і поділ ланцюга в місці, де він проходить, а потім відновлюючи структуру подвійної спіралі відразу після проходження ділянки.
Таким чином формується Транскрипційні здуття. Як тільки він досягає ділянки початку транскрипції, відбувається відщеплення одного з факторів транскрипції і приєднання іншого, після чого починається процес синтезу РНК.
Використовуючи в якості матриці ланцюг в напрямі 3-5 '(зліва направо), РНКаза II черзі захоплює рибонуклеотиди і з'єднує їх один з одним, утворюючи комплементарную послідовність РНК, орієнтовану в зворотному напрямку (тобто від 5' до 3 ').
Іншими словами, використовуючи правила комплементарного спаровування підстав при взаємодії з матричної ланцюгом, РНКаза створює точну РНК-копію кодує ланцюга. Фермент транскрибирует лідерних і трейлерний ділянки, Екзони, інтрони і (як видно, даремно) просувається далі в напрямі 5-3 '.
Фактори транскрипції при синтезі мРНК
Фактори транскрипції - білки, що прикріплюються до промоторной послідовності і запускають процес транскрипції. До їх складу зазвичай входять активаційний домен і ДНК-зв'язуючий домен. Активаційні домени багаті глутамат, а також аспартатом або пролином, які полегшують формування транскрипційного комплексу. Крім того, розрізняють чотири типи ДНК-зв'язуючих доменів.
• лейцінових «блискавка» представляє собою а-спіраль, що складається з амінокислотних залишків, кожен сьомий з яких представлений лейцином, що в свою чергу відповідає кожному другому повороту подвійного ланцюга ДНК. Це дозволяє парам підстав зчіплюватися і утворювати розходиться ділянку на кінці, який імовірно стискає нитку ДНК на зразок прищіпки.
• Спіраль-петля-спіраль складається з двох білкових а-спіралей, які з'єднані довгою, гнучкою петлею, що дозволяє паралельно упаковувати їх близько один до одного. Вважають, що дана структура здійснює контроль процесу транскрипції шляхом блокування інших регуляторних білків гена.
• Спіраль-поворот-спіраль складається з двох коротких а-спіралей, розділених амінокислотною послідовністю, занадто короткою, щоб дозволити їм лежати в одній площині. Цей фрагмент - характерна ознака гомеобокс (див. Розділ 12).
• Цинкову палець - структура, що нагадує за будовою палець, що включає близько 23 амінокислот, утримуваних чотиривалентність іоном цинку, який знаходиться в підставі «пальця» і зазвичай пов'язаний з чотирма підставами цистеїну або двома - цистеїну, двома - гистидина.
процесинг РНК
Для того щоб тільки що синтезовані гяРНК стали кодують матрицями для подальшої трансляції та освіти поліпептидів, вони зазнають ковалентное видозміна. При цьому спочатку до 5'-кінця в зворотному напрямку прикріплюється 7-метил-ГТФ (кеп). Як тільки на ланцюги гяРНК виникає ділянку поліаденілювання, вона в цьому місці розщеплюється, а потім за допомогою Поліани-полімерази відбувається приєднання 100-200 залишків адениловой кислоти і таким чином формується Поліани-хвіст (полнаденільний хвіст).
Поряд з кепом полі-А-хвіст імовірно захищає молекулу від руйнування екзонуклеаза, служить так званим паспортом, необхідним для її потрапляння в цитоплазму, а пізніше стає сигнальним ділянкою для рибосоми, що вказує на можливість початку трансляції.
Молекула гяРНК в середньому містить близько 7000 нуклеотидів, кількість яких в іРНК скорочується до 1200 шляхом видалення приблизно 50 інтронів. Характерна особливість гістонів генів - відсутність інтронів.
Рибонуклеїнові комплекси. які видаляють нітроном, називають сплайсомамі. Вони мають у своєму складі кілька малих ядерних РНК (U1-U6), кожна з яких з'єднана зі специфічним білком. Рибонуклепротеіну, що містить малу ядерну РНК U1 (Ul-мала ядерна РНК), завдяки наявності комплементарної послідовності, приєднується до ділянки початку сплайсингу в напрямі 3-5 '.
До ділянки гілки прикріплюється мала ядерна РНК U2, яка потім зв'язується з U1, в результаті чого виникає петля гяРНК. Після цього U2 відсікає гяРНК в напрямі 3-5 'відразу після послідовності Г-У (див. Вище) і з'єднує ближній до 5'-кінець інтрона з ділянкою з'єднання, утворюючи так зване ласо. Кінець інтрона, що знаходиться ближче до 3 ', відсікається відразу після послідовності А-Г, розпускаючи ласо РНК. При цьому сплайсома з'єднує між собою Екзони.
Іноді в деяких транскриптах (особливо при виробництві антитіл) виявляють альтернативні механізми сплайсингу, проте помилки в даному процесі відіграють важливу роль у розвитку багатьох генетичних захворювань. Так, церебральний параліч і затримка розумового розвитку при синдромі Жильбера обумовлені впровадженням Т-А в нормальну послідовність тата промотора гена УДФ-глікозілтрансферази. А-аманитин, що міститься в блідій поганці (Amanita phalloides), блокує дію РНКази II.
Антибіотик рифампіцин блокує транскрипцію у бактерій шляхом зв'язування з b-субодиницею бактеріальної РНК-полімерази, в той час як актиноміцин впроваджується між парами підстав Г-С.