Ферменти та механізми транскрипції рнк

Біосинтез РНК на ДНК-матриці отримав назву транскрипції (transcription —

переписування, англ.). Загальні закономірності цього процесу близькі у прокарі-

отів та еукаріотів. Послідовність включення рибонуклеотидів у полірибонуклеотидний ланцюг у процесі транскрипції програмується послідовністю нуклеотидів в матричній

ДНК. Розрізняють кодуючий ланцюг ДНК — тобто такий, з якого зчитується

генетична інформація, та некодуючий ланцюг. У дволанцюговій ДНК,що містить багато генів, для деяких генів кодуючою може бути один зланцюгів, для інших генів — дру-

гий ланцюг: Транскрипція РНК різних класів на матричній ДНК каталізується фермен-тами ДНК-залежними РНК-полімеразами (РНК-полімеразами), які розрізняються

у прокаріотичних та еукаріотичних організмів. На відміну від ДНК-полімераз, РНК полімерази здатні до самостійної ініціації синтезу полінуклеотидного ланцюга, зв’язуючись у певних ділянках (сайтах) з матричною ДНК. Ферменти та механізми транскрипції у прокаріотів У прокаріотичних клітинах, на відміну від еукаріотичних (див. нижче), єдиним ферментом, що синтезує всі три класи РНК (матричні, транспортні та рибосомальні) є ДНК-залежна РНК-полімераза (РНК-полімераза). РНК-полімераза E.Coli (м.м. 465 кД) є олігомерним білком, що складається з декількох типів субодиниць: двох á-субодиниць, однієї â- та однієї â’-субодиниці. Ці чотири протомери складають так званий “ кор-фермент” (core — серцевина, ядро; англ.) á2ââ’, що утворює цілий холофермент при взаємодії з додатковою — ó-(сигма)-субодиницею, яка зворотно зв’язується з комплексом á2ââ’ та дисоціює на певних стадіях транкрипції. Система транскрипції у E.Coli потребує наявності РНК-полімерази

(холоферменту), чотирьох нуклеозидтрифосфатів (АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ) та ДНК-

матриці. Загальна схема РНК-полімеразної реакції може бути подана таким рівнянням:

(НМФ)n+ НТФ ______ (НМФ)n+1 + ФФн РНК РНК подовжена Напрямок синтезу полірибонуклеотидного ланцюга: 5'→3'. Подібно до ДНК- полімеразних реакцій, РНК-полімеразна реакція здійснюється шляхом нуклеофільної атаки 3'-ОН-групи кінцевої рибози полірибонуклеотидного ланцюга на á-фосфат нуклеозидтрифосфату, що вступає в реакцію подовження ланцюга.

Каталітичний сайт, що утворює 3'-5'-фосфодіефірні зв’язки між рибонуклеозид-

монофосфатами, локалізований на â-субодиниці РНК-полімерази. Безпосередньо ініціація синтезу РНК починається із включення в ланцюг першого (5'-кінцевого) нуклеотиду, яким у всіх мРНК (як в про-так і еукаріотичних організмах) є пуриновий нуклеозидтрифосфат): Швидкість процесу ініціації залежить від структури промоторних послідовностей, що передують точкам ініціації. Існують сильні та слабкі промотори транскрипції: сильні промотори спричиняють ініціацію транскрипції відповідних РНК з частотою до одного акту ініціації на секунду; слабкі промотори спричиняють ініціацію транскрипції з частотою близько одного акту початку синтезу РНК на 10 хвилин. Ефективність дії промоторів залежить від нуклеотидних послідовностей, що розміщені між “-35” та “-10” -блоками; до того ж активність промоторів значно зменшується за умов мутацій у зазначених промоторах. Взаємодія РНК-полімерази з ДНК-матрицею блокується протипухлинним антибіотиком актиноміцином D, який розміщується в щілинах між сусідніми парами азотистих основ, переважно між G-C-парами (процес інтеркаляції), протидіючи зв’язуванню ферменту з полідезоксирибонуклеотидним ланцюгом. Інгібіторами ініціації є антибактеріальні антибіотики рифаміцин та рифампіцин, які блокують зв’язування перших НТФ з активними центрами â-субодиниці РНК-полімерази. Елонгація та термінація транкрипції Як уже зазначалося, елонгація синтезу РНК відбувається в напрямку 5'→3' антипаралельно кодуючому (матричному) ланцюгу ДНК: У ході елонгації відбувається розплітання ділянок двоспіральної ДНК, які передують РНК-полімеразі, і утворення 3'-5'-фосфодіефірних зв’язків у полірибонуклеотидному ланцюгу. Вибір чергового НМФ в ланцюгу РНК, що синтезується, визначається будовою комплементарного дНМФ в кодуючому ланцюгу ДНК таким чином, що азотисті основи A, G, T, C ланцюга ДНК кодують включення в ланцюг РНК, відповідно, основ U, C, A та G Ферменти та механізми транкрипції в еукаріотів РНК-полімерази вищих організмів Еукаріотичні клітини містять три основних класи РНК-полімераз, кожен з

яких відповідає за транкрипцію різних наборів генів і синтез певного типу РНК.

Молекулярна маса РНК-полімераз з клітин ссавців складає 500-600 кД.

Т а б л и ц я 20.2. Ядерні РНК-полімерази клітин тваринних організмів

Крім зазначених РНК-полімераз, що розташовані в ядрі еукаріотичної клітини,

в мітохондріях функціонує власна РНК-полімераза, яка забезпечує транскрипцію

генів більшості мітохондріальних білків, відповідно до інформації, що закладена

в автономному мітохондріальному геномі. Ядерним ферментом, що забезпечує транскрипцію генів, які програмують синтез більшості клітинних білків, є РНК-полімераза II, яка забезпечує утворення гетерогенних за розміром та нуклеотидною послідовністю попередників мРНК— гяРНК. РНК-полімераза II специфічно блокується á -аманітином — токсином, що продукується грибом Amantia phaloides. При дії РНК-полімерази II в клітинах еукаріотів утворюється моноцистронна РНК, тобто така, що є матрицею для синтезу в рибосомах одного поліпептидного ланцюга — на відміну від поліцистронної РНК прокаріотів.

22 Сигнали транскрипції процесинг

Особливістю синтезу РНК у вищих організмів є більш складна, порівняно з

прокаріотами, система сигналів транскрипції, яка складається з певних послі-

довностей ДНК у складі промотора та регуляторних білків, що контролюють

активність транскрипції. Сигналом ініціації транскрипції в генах ссавців є гомологічна блоку Прибнова (TATAAT) послідовність TATAAAAGA, яка розміщена на відстані –32 від точки початку синтезу полірибонуклеотиду. З цією послідовністю взаємодіє РНК-полімераза II. Система транскрипційних сигналів у еукаріотів включає також сигнали, які не лише вказують на місце початку синтезу РНК, а й регулюють його активність.

Більш детально ці питання будуть розглянуті в главі 23.