Этапы экспрессии генетической информации.

Способность клеток поддерживать высокую упорядоченность своей организации зависят от генетической информации, которая реализуется, сохраняется, воспроизводится, а иногда и изменяется в четырех генетических процессах – синтезе РНК и белка, репарации ДНК, репликации ДНК и генетической рекомбинации.

В 1958г. Ф. Крик сформулировалцентральную догму молекулярной биологии. Она показывает план потока информации в клетке ДНК→РНК→белок→признак. Затем эта формула была дополнена. ДНК↔ДНК↔РНК→белок→ признак. Этот поток включает у эукариот 6 процессов: репликацию ДНК, транскрипцию, обратную транскрипцию, процессинг и сплайсинг РНК, трансляцию, процессинг белка.

I. ТРАНСКРИПЦИЯ – это переписывание информации с ДНК на нуклеотидную последовательность РНК, протекает в периоде G₁ и G₂ интерфазы (интерфаза – это промежуток времени между двумя делениями, она делится на три периода:G₁,S,G₂). Это первая стадия реализации наследственной информации, в процессе которой определенные участки нуклеотидной последовательности ДНК переписываются в комплементарные одноцепочечные молекулы РНК. В результате транскрипции образуются иРНК кодирующие аминокислотные последовательности белков, а также тРНК, рРНК и другие виды РНК выполняющие структурные, регуляторные и каталитические функции. В основе транскрипции лежит фундаментальный принцип комплементарности азотистых основании цепей ДНК и РНК. Процесс осуществляется с участием ферментов РНК - полимераз и большой группы белков – регуляторов транскрипции. РНК – полимеразы – сложные белки, состоящие из нескольких субъединиц, которые выполняют определенные функции на разных этапах транскрипции. У эукариот существуют большое число белковых факторов транскрипции, что связано с разнообразием регуляторных последовательностей.

Транскрипция начинается с включения в работу гена или оперона. К промотору присоединяется РНК-полимераза. У прокариот РНК-полимераза обеспечивает транскрипцию всех трех классов РНК. У эукариот этот процесс осуществляют 3 класса РНК-полимераз. РНК-полимераза I локализована в ядрышке и отве­чает за синтез рРНК. РНК-полимераза III отвечает за синтез тРНК, РНК-полимераза П - за синтез всех остальных РНК, включая иРНК. У всех живых организмов процессу транскрипции подвергается одновременно не вся ДНК, а только определенные ее участки. Они ограничены двумя последовательностями: промотором (зона начала транскрипции) и терминатором (зона остановки транскрипции).

Транскрипция включает в себя три стадии: 1) инициацию; 2) элонгацию; 3) терминацию.

Инициация – поиск РНК-полимеразой промотора и присоединение к нему. При открытом операторе РНК - полимераза подходит к трипле­ту инициации и начинается транскрипция. Молекула РНК – полимеразы большая (примерно 500 000 ед) и в месте ее нахождения идет разрыв водородных связей между цепями ДНК. Это делает доступным смысловую цепь ДНК для синтеза на ней по принципу комплементарности молекул РНК.

Элонгация – это синтез преРНК, осуществляется большой группой ферментов. Фермент РНК – полимеразы двигается по цепи ДНК – матрицы в направлении от 3' к 5' концу, а рост цепи РНК всегда идет от 5' к 3' концу.

Терминация осуществляется в терминирующем районе, который имеет специфическую нуклеотидную последовательность. В терминирующем районе преРНК образует терминирующую шпильку, что является завершением транскрипции После прохождения РНК – полимеразой кодонов терминации РНК соскальзывает с фермента РНК – полимеразы.

Результат транскрипции - незрелая гетерогенная ядерная РНК (рис.34). Гетерогенная ядерная РНК (гяРНК) у эукариот сразу после синтеза связывается с белками и образуется гяРНП частица, в состав которых входят не менее восьми различных белков. гяРНК была открыта в 1960г. О.П. Самариной и Г.П. Георгиевым. Частота транскрипции разных генов неодинакова. Одни гены могут транскрибироваться тысячи раз, другие – не транскрибируются совсем. Это определяется спецификой клетки. Например, ген фиброина (основной компонент шелка) в одной клетке шелкоотделительной железы у тутового шелкопряда производит 10⁴ копий иРНК, на каждой из которых синтезируется 10⁵ молекул фиброина. Раньше считали, что транскрипция идет лишь на одной цепи (на смысловой цепи), а сейчас установлено, что она идет и на 2 цепи, которую назвали антисмысловой. На ней синтез РНК идет с 3 ' к 5 ' концу, т.е. в обратном порядке (термодинамика этого процесса не ясна).

Возможное биологическое значение анти – иРНК:

1. В клетке антисмысловая иРНК играет регулирующую роль в направлении дифференцировки.

2. При образовании дуплекса (иРНК +анти-иРНК) иРНК не переносится из ядра в цитоплазму. Дуплекс быстрее разрушается ферментами.

3. При введении в клетку анти-иРНК актина нарушается его синтез и не формируется цитоскелет.

Практическое значение этого открытия в медицине:

1. Введение анти-иРНК вирусов саркомы Рауха, герпеса, гриппа, СПИДа может предотвращать заражение этими группами вирусов.

2. Анти-РНК некоторых онкогенов в эксперименте устраняет злокачественное перерождение клеток этими группами вирусов.

Рамка считывания – это начало транскрипции с первого нуклеотида структурного гена. У прокариот несколько рамок считывания, у эукариот – только одна. Возможность наличия нескольких рамок считываения определяется регуляторными белками. В результате с одного структурного гена может быть транскрибировано несколько видов незрелых иРНК. За счет этого количество информации на данном участке транскрипции возрастает.

При транскрипции возможен сдвиг рамки считывания, что приводит к нарушению нормального и формированию патологического признака. При сдвиге рамки считывания транскрипция начинается со 2-го, 3-го, 4-го нуклеотида, что приводит к образованию измененной иРНК:

АЦГ-АЦГ-АЦГ-АЦГ-АЦГ-АЦГ- АЦГ - норма

ЦГА-ЦГА-ЦГА-ЦГА-ЦГА-ЦГА-ЦГ -мутация

ГАЦ-ГАЦ-ГАЦ-ГАЦ-ГАЦ-ГАЦ-Г -мутация

 

Процессинг

Образующиеся в результате транскрипции первичные РНК – транскрипты часто не являются функционально – активными РНК. Процесс пространственной модификации первичных транскриптонов РНК называется процессингом и он различен у про- и эукариот. Процессинг у прокариот необходим для образования зрелых рРНК и тРНК. Он заключается в вырезании спейсеров, отделяющих друг от друга гены разных видов тРНК и рРНК. иРНК бактерии может содержать информацию о структуре нескольких белков и использоваться для трансляции еще до оканчания транскрипции, т.е. процессы трансляции и транскрипции у них сопряжены. У эукариот процессинг происходит в ядре и заключается в вырезании интронов и сплайсинге (сшивании) экзонов.

С по­мощью специальных ферментов вырезаются интроны - неин­формативные участки. Размеры интронов колеб­лются от 100 до 10 000 пар нуклеотидов и более. Установлено, что большую часть этих нуклеотидных последовательностей можно искусственно изменять без каких-либо последствий для дальнейших функций гена. Однако, как уста­новлено, на концах интронов на 5' и 3' есть по несколько нуклеотидов, которые нельзя изменить. Эти ко­роткие пограничные нуклеотидные последовательности, оди­наковые у всех интронов. Типичные мутации в этих последовательностях ведут к нарушению сплайсинга и прекращению синтеза соответствующих белков, т.е. нарушению признака.

В результате процессинга длинные молекулы первичного транскрипта иРНК теряют до 1/3 своей длины, а тРНК до 2/3 (рис.32). Интроны содержаться у эукариот во всех типах РНК и каждый тип интронов имеет определенный механизм сплайсинга.

В сплайсинге иРНК, как показали последние данные, играют важную роль малые ядерные рибонуклеопротеиды – мяРНП, которые состоят из мяРНК и белков. мяРНП состоит из одной мяРНК и примерно 10 белков. Они образуют сплайсосомы, играющие важную роль в узнавании границ интронов. Проблема распознавания границ интронов очень важна, если ферменты сработают неточно, это приведет к образованию измененной иРНК (рис.33). В таких случаях говорят о «сдвиге рамки считывания».

 

 

Рис. 33. А – первичный транскрипт РНК. Состоит из 3 экзонов; Б – мутация. Приводящая к удлинению экзона; В – мутация, приводящая к появлению нового экзона. Мутантные области обозначены стрелками. Темные участки – экзоны, светлые – интроны; заштрихованные участки – новые последовательности нуклеотидов, которые включаются в зрелую иРНК; линиями соединены экзоны(А.С.Коничев, Г. А. Севастьянова, 2005, с. 294. иниями соединены экзоныидов, которые включаются в зрелую иРНКной РНК)

 

При ревматизме, красной системной волчанке (аутоиммунных заболеваниях) у больных обнаружены антитела против мяРНК, что приводит к нарушению сплайсинга. Образуются более длинные молекулы белков соединительной ткани, а чем больше белок, тем легче на него вырабатываются антитела.

Нарушение сплайсинга наблюдается и у больных талассемией (у больных резкое падение уровня Нв, недостаточность продуктов β-глобинов). За счет нарушения сайта сплайсинга в ДНК либо его модернизации неправильно узнаются границы интронов, что приводит к образованию измененной иРНК, а следовательно белка и признака. При талассемии возникает мутация в первом интроне.