Процессинг как промежуточный этап экспрессии гена у эукариот

 

Напомним, что ген эукариот состоит из некодирующих участков интронов и кодирующих последовательностей нуклеотидов экзонов. При экспрессии генов, кодирующих структуру белка в результате транскрипции, которая заканчивается в зоне терминации, образуется про-иРНК (РНК-предшественница информационной); синонимы: незрелая РНК, гетерогенная РНК (гя-РНК). Она копирует всю нуклеотидную последовательность гена от промотора до терминатора, включая экзоны и интроны. Новообразованная про-иРНК подвергается тут же (в ядре) процессингу.

Посттранскрипционный процессинг – совокупность реакций «созревания» РНК, в результате которых первичная РНК-транскрипт (про-иРНК) превращается в зрелую функционально активную иРНК. Среди этих реакций выделяют сплайсинг, метилирование азотистых основ, кэпирование, полиаденилирование.

Сплайсинг – вырезание интронов ферментами – рестриктазами и соединение экзонов ферментами лигазами.

Метилирование азотистых оснований иРНК – присоединение до азотистых оснований метильных групп обеспечивает устойчивость иРНК до ферментов, которые могут ёё разрушить.

Кэпирование – процесс формирования «колпачка» или кэп-сайта за счет присоединения до 5^/-конца иРНК молекулы ГТФ (гуанозинтрифосфата). Образование кэп-сайта («колпачка») обеспечивает узнавание молекул иРНК малыми субъеденицами рибосом.

Полиаденилирование – процесс присоединения к 3^/ концу иРНК последовательности из 100-250 остатков адениловой кислоты, (поли-А), что способствует перемещению зрелой иРНК с ядра в цитоплазму. иРНК, которая образуется в результате процессинга схематически можно представить так:

 

Структура иРНК 1 – «кэп»; 2 – поли-А-участок; 3 – копии экзонов

Процессы модификации тРНК и рРНК происходят и у прокариот, что позволяет рассматривать их как прокариотический процессинг.

Обычно про-РНК в несколько раз (иногда в десятки) больше количества иРНК. Если про-РНК составляет около 10% генома, то иРНК только 1-2% генома.

У прокариот иРНК, которая образуется при транскрипции, процесинга не претерпевает.

Процессинг ядерных рРНК и тРНК проходит по другим схемам без просессов кэпирования и полиаденилирования, хотя сплайсинг часто происходит. Процессы модификации тРНК и рРНК происходят у прокариот, что позволяет рассматривать их как прокариотический процессинг.

Молекулы иРНК (после процессинга у эукариот и без процессинга у прокариот) участвуют в другом матричном процессе – трансляции (биосинтезе белка), который проходит на рибосомах.

 

9.2.4. Функциональная рибосома состоит из большой и малой субъединицы и молекулы иРНК. Рибосома имеет два активных участка – А (аминоацильный) и П (пептидальный), которые показаны на рис. 9.3.

П

А

Малая субъединица

Большая субъединица

Рис. 9.3. Структура рибосомы А – аминоацильный участок П – пептидальный участок

 

В пептидальном участке аминокислоты связываются пептидной связью и происходит наращивание полипептида, а к аминоацильному участку прикрепляются тРНК с активированными аминокислотами.

Основная функция рибосом – сборка белковых молекул из аминокислот, доставляемых к ним транспортными РНК (тРНК)

 

Трансляция

Трансляция – это процесс синтеза полипептидной цепочки на нити иРНК.

При трансляции происходит декодирование иРНК, в результате чего информация с языка последовательности оснований иРНК переходит на язык аминокислотной последовательности белка.

В процессе трансляции выделяют следующие стадии:

Стадия активации аминокислот. Активация свободных аминокислот с помощью особых ферментов аминоацил-тРНК-синтаз в присутствии АТФ. Активированная кислота присоединяется только к определённой тРНК с образованием комплекса аминоацил-тРНК (аа-тРНК). Процесс узнавания транспортной РНК своей аминокислоты называется рекогницией. Специфичность тРНК к аминокислоте определяется её антикодоном, а не аминокислотой. Молекула тРНК имеет сложную конфигурацию и похожа по форме на лист клевера. На верхушке расположен триплет свободных нуклеотидов (антикодон), которые по своему генетическому коду соответствуют определенной аминокислоте. На другом конце имеется участок для соединения с аминокислотой (рис. 9.4.)

 

Рис. 9.4..Схема биосинтеза белка

Инициация синтеза белка начинается с присоединения лидирующего 5^/ конца иРНК до малой субъединице рибосомы. Соединение происходит так, что стартовый кодон на иРНК (всегда АУГ) располагается в области недостроенного П участка (рис. 9.5.). Далее инициирующая тРНК несущая метионин (аминоацил-тРНК с присоединенным метионином), связывается своим антикодоном со стартовым кодоном АУГ. Следующим шагом является объединение большой и малой субъединицы и «достраивание» П и А участков.

К концу фазы инициации в П участке расположен аминоацил-тРНК, связанная с метионином, а в А участке рибосомы располагается следующий за стартовым кодон иРНК.

Процессы инициации синтеза белка катализируются особыми белками – факторами инициации. По завершении образования инициирующего комплекса, состоющего из рибосомы, иРНК, инициирующей аминоацил – тРНК, эти факторы отделяются от рибосомы.

 

 

 

мРНК

Рис. 9.5. Инициация белкового синтеза:

1 – соединение малой субчастицы рибосомы с мРНК; тРНК, несущая метионин, присоединяется к стартовому кодону (АУГ) на мРНК и располагается в недостроенном П-участке; ІІ – соединение большой и малой субчастиц рибосомы с образованием П- и А- участков; следующий этап связан с размещением в А-участке аминоацил-тРНК, в соответствии с расположенным в нем кодоном мРНК, - начало элонгации; ак - аминокислота

 

Элонгация – это последовательное включение аминокислотных остатков в состав растущей полипептидной цепи (рис. 9.6.). Начинается из связывания антикодона очередной молекулы аминоацил-тРНК с кодоном, который расположен в свободном А-участке рибосомы. В результате на рибосоме оказывается две аминокислоты, между которыми образуется пептидная связь (0=С-N-H). Первая тРНК освобождается от аминокислоты и покидает рибосому. Рибосома перемещается вдоль нити иРНК в направлении 5^/ - 3^/ на один триплет, тем временем 2-я аа-тРНК, нагружается аминокислотами, перемещается в П участок, освобождая А-участок., который заполняет следующая 3-я аа-тРНК. Таким способом присоединяются 4-я, 5-я и т.д. аминокислоты, принесенные своими тРНК.

Таким образом, каждый акт элонгации состоит из трех этапов: 1) узнавание кодона; 2) образование пептидной связи; 3) транскрипции.

Все это повторяется многократно до тех пор, пока рибосома не дойдет до стоп кодона на РНК.

Терминация, т.е. окончание синтеза полипептида, происходит тогда, когда на рибосому попадает один из терминирующих («nonses») кодонов: УАА, УГА, УАГ. Стоп-кодоны не распознаются молекулами тРНК. Фактор терминации (специальный белок) присоединяется к этому кодону и блокирует дальнейшее передвижение рибосомы. Рибосома отсоединяется от иРНК и распадается на две субъединицы. Полипептид выходит в цитоплазму, где происходит его «созревание». При этом теряются некоторые концевые аминокислоты, формируется вторичная, третичная, или четвертичная структура.

Рис. 9.6. Фаза элонгации в синтезе белка

1-й этап аминоацил –тРНК присоединяется к кодону, расположенному в А-участке; 2-й этап – между аминокислотами, расположенными в А- и П- участка, образуется пептидная связь: тРНК, расположенная в П- участке, освобождается от своей аминокислоты и покидает рибосому; 3-й этап – рибосома перемещается по м РНК на один кодон так, что тРНК, нагруженная пептидной цепочкой, переходит из А-участка в П-участок; свободный А-участок может быть занят соответствующей аминоацил-тРНК

 

Синтез белковых молекул происходит непрерывно и идет с большой скоростью: синтез одной молекулы белка длится всего 3-4 сек. На одной молекуле иРНК может располагаться несколько рибосом (такое образование носит название полисома), что позволяет осуществлять синтез нескольких полипептидных цепей одновременно.

Об интенсивности процессов синтеза белков в организме человека свидетельствует следующее: половина белков тела человека (в среднем в нём около 17 кг белка) обновляется за 80 суток. За всю жизнь белки в организме человека обновляются около 200 раз.

Регуляция экспрессии генов

Клеточная ДНК несёт в себе генетическую программу, необходимую для синтеза сотен различных белков. Однако, в каждый данный момент клетка синтезирует только те белки, которые ей нужны в это время. Например, при выращивании кишечной палочки на питательной среде, не содержащей лактозы, её клетки содержат незначительное число (меньше пяти) молекул фермента лактазы, разлагающего лактозу на галактозу и глюкозу. При добавлении в питательную среду лактозы бактериальные клетки в течении 2-4 минут синтезируют больше 5 тыс. молекул лактозы. При удалении из среды лактозы синтез лактазы прекращается. Вещества, индуцирующие синтез ферментов, которые их разлагают называются индукторами (в данном примере индукторами является углевод лактоза).

Эти опыты свидетельствуют о том, что клетки бактерий способны регулировать свою генетическую активность для того, чтобы приспосабливаться к изменяющимся условием окружающей среды.