Главная > История > Процессинг, сплайсинг. Роль РНК в процессе реализации наследственной информации


Процессинг, сплайсинг. Роль РНК в процессе реализации наследственной информации




Кэпирование и полиаденилирование иРНК называется процессингом (посттранскрип-ционной модификацией).

Кэпирование:

К 5 " концу всех эукариотических иРНК присоединяется во время процессинга остаток 7-метилгуанозина с образованием уникальной 5 "à 5 " фосфодиэфирной связи . Этот дополнительный нуклеотид получил название кэп или колпачек.

Функции кэпа:

1. он защищает РНК от экзонуклеаз

2. помогает связыванию молекулы мРНК с рибосомой.

Полиаденилирование:

3"-конец также модифицируется сразу после завершения транскрипции. Специальный фермент – полиаденилат-полимераза присоединяет к 3"-концу каждого РНК-транскрипта от 20 до 250 остатков адениловой кислоты (поли(А)). Полиаденилатполимераза узнает специфическую последовательность AAУAAA, отщепляет от первичного транскрипта небольшой фрагмент в 11-30 нуклеотидов и затем присоединяет поли(А) последовательность. Принято считать, что такой "хвост" способствует последующему процессингу РНК и экспорту зрелых молекул мРНК из ядра.

По мере участия иРНК в процессах трансляции, длина полиА фрагмента уменьшается. Критическим для стабильности считается 30 адениловых нуклеотидов.

Вся совокупность ядерных транскриптов РНК-полимеразы II известна как гетерогенная ядерная РНК (гяРНК).

Все 3 класса РНК транскрибируются с генов, которые содержат интроны (неинформативные участки)и экзоны (участки ДНК, несущие информацию). Последовательности, кодируемые интронами ДНК, должны быть удалены из первичного транскрипта до того, как РНК станет биологически активной. Процесс удаления копий интронных последовательностей получил название сплайсинга РНК .

Сплайсинг РНК катализируется комплексами белков с РНК , известными как «малые ядерные рибонуклеопротеидные частицы» (мяРНП, англ. small nuclear ribonucleic particles, snRNP ).Такие каталитические РНК носят название рибозимов.

Функции интронов:

· защищают функционально активную часть генома клетки от повреждающего действия химических или физических (лучевых) факторов



· позволяет при помощи так называемого альтернативного сплайсинга увеличить генетическое разнообразие генома без увеличения числа генов.


Альтернативный сплайсинг:

В результате изменения распределение экзонов одного транскрипта во время сплайсинга возникают различные РНК и следовательно различные белки.

Известны уже более 40 генов, транскрипты которых подвергаются альтернативному сплайсингу. Например, транскрипт гена кальцитонина, в результате альтернативного сплайсинга дает РНК, которая служит матрицей для синтеза кальцитонина (в щитовидной железе) или специфического белка, отвечающего за вкусовое восприятие (в мозге). Еще более сложному альтернативному сплайсингу подвергается транскрипт гена -тропомиозина. Были идентифицированы по крайней мере 8 различных тропомиозиновых иРНК, полученных из одного транскрипта (см рис)

33 . Общая схема биосинтеза белка - необходимые предпосылки:

Информационный поток - схема передачи информации (центральная догма молекулярной биологии). Репликация и транскрипция ДНК - ферменты, механизм. Обратная транскрипция, роль ревертаз. Процессинг и сплайсинг иРНК. Характеристика генетического кода, кодон, антикодон.

Отличие биосинтеза белка от биосинтеза других молекул:

· Нет соответствия между числом мономеров матрицы и в продукте реакции (4 нуклеотида--20 аминокислот)

· Между мРНК (матрица) и пептидной цепью белка (продукт) нет комплементарности.

Общая схема биосинтеза белка - необходимые предпосылки:

· информационный поток (передача информации от ДНК на РНК и на белок)

· пластический поток (аминокислоты, мРНК, тРНК, ферменты)

· энергетический поток (макроэрги АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ)

Именно данная стадия отличает реализацию имеющейся генетической информации у таких клеток, как эукариоты и прокариоты.

Интерпретация данного понятия

В переводе с английского данный термин означает «обработка, переработка». Процессинг - это процесс образования зрелых молекул рибонуклеиновой кислоты из пре-РНК. Иначе говоря, это совокупность реакций, которые приводят к трансформации первичных продуктов транскрипции (пре-РНК разных типов) в уже функционирующие молекулы.

Что касается процессинга р- и тРНК, он чаще всего сводится к отсечению с концов молекул лишних фрагментов. Если говорить об иРНК, то здесь можно отметить, что у эукариот данный процесс протекает многоступенчато.

Итак, после того, как мы уже узнали, что процессинг - это превращение первичного транскрипта в зрелую молекулу РНК, стоит перейти к рассмотрению его особенностей.

Основные особенности рассматриваемого понятия

Сюда можно отнести следующие:

  • модификацию как концов молекулы, так и РНК, по ходу которой к ним присоединяются специфические последовательности нуклеотидов, показывающие место начала (конца) трансляции;
  • сплайсинг - отсечение неинформативных последовательностей рибонуклеиновой кислоты, которые соответствуют интронам ДНК.

Что касается прокариот, их иРНК не подвержена процессингу. Она имеет способность работать сразу по окончании синтеза.

Где протекает рассматриваемый процесс?

У любого организма процессинг РНК протекает в ядре. Он осуществляется посредством особых ферментов (их группой) для каждого отдельно взятого типа молекул. Также процессингу могут быть подвержены такие продукты трансляции, как полипептиды, которые непосредственно считаны с иРНК. Данным изменениям подвергаются так называемые молекулы-предшественники большинства белков - коллагена, иммуноглобулинов, пищеварительных ферментов, некоторых гормонов, после чего начинается реальное их функционирование в организме.

Мы уже узнали, что процессинг - это процесс образования зрелых РНК из пре-РНК. Теперь стоит углубиться в природу самой рибонуклеиновой кислоты.

РНК: химическая природа

Это представляющая собой сополимер пиримидиновых и пуриновых рибонуклеитидов, которые соединены друг с другом, точно так же, как и в ДНК, 3’ - 5’-фосфодиэфирными мостиками.

Несмотря на то что эти 2 вида молекул схожи, они отличаются по нескольким признакам.

Отличительные признаки РНК и ДНК

Во-первых, у рибонуклеиновой кислоты присутствует углеродный остаток, к которому примыкают пиримидиновые и пуриновые основания, фосфатные группы, - рибоза, у ДНК же - 2’-дезоксирибоза.

Во-вторых, отличаются и пиримидиновые компоненты. Сходными составляющими выступают нуклеотиды аденина, цитозина, гуанина. В РНК вместо тимина присутствует урацил.

В-третьих, РНК имеет 1-цепочечную структуру, а ДНК - 2-цепочечная молекула. Но в цепи рибонуклеиновой кислоты присутствуют участки с противоположной полярностью (комплементарной последовательностью), благодаря которым ее единичная цепь способна сворачиваться и образовывать «шпильки» - структуры, наделенные 2-спиральными характеристиками (как показано на рисунке выше).

В-четвертых, ввиду того, что РНК - одиночная цепь, которая комплементарна лишь 1-ой из цепей ДНК, гуанин не обязательно должен присутствовать в ней в таком же содержании, как и цитозин, а аденин - как урацил.

В-пятых, РНК можно гидролизовать щелочью до 2’, 3’-циклических диэфиров мононуклеотидов. Роль промежуточного продукта в гидролизе играет 2’, 3’, 5-триэфир, неспособный к образованию в ходе аналогичного процесса для ДНК ввиду отсутствия у нее 2’-гидроксильных групп. По сравнению с ДНК щелочная лабильность рибонуклеиновой кислоты выступает полезным свойством и для диагностических целей, и для аналитических.

Данная последовательность комплементарна генной цепочки (кодирующей), с которой происходит «считывание» РНК. Из-за данного свойства молекула рибонуклеиновой кислоты может специфически связываться с кодирующей цепью, однако не способна этого делать с некодирующей ДНК-цепью. Последовательность РНК, кроме замены T на U, аналогична той, которая относится к некодирующей цепи гена.

Типы РНК

Практически все они вовлечены в такой процесс, как Известны следующие типы РНК:

  1. Матричные (мРНК). Это молекулы цитоплазматической рибонуклеиновой кислоты, которые выполняют функции матриц синтеза белка.
  2. Рибосомная (рРНК). Это молекула цитоплазматической РНК, выполняющая роль таких структурных компонентов, как рибосомы (органелл, участвующий в белковом синтезе).
  3. Транспортные (тРНК) . Это молекулы которые принимают участие в переводе (трансляции) информации мРНК в последовательность аминокислот уже в белках.

Существенная часть РНК в виде 1-ых транскриптов, которые образуются в в том числе клетки млекопитающих, подвержена в ядре процессу деградации, и не играет в цитоплазме информационной или структурной роли.

В человеческих клетках (культивируемых) найден класс малых ядерных рибонуклеиновых кислот, непосредственно не участвующих в белковом синтезе, однако оказывающих воздействие на процессинг РНК, а также общую клеточную «архитектуру». Их размеры варьируют, они содержат 90 - 300 нуклеотидов.

Рибонуклеиновая кислота - основной генетический материал у ряда вирусов растений, животных. Некоторые вирусы, содержащие РНК, никогда не проходят такую стадию, как РНК в ДНК. Но все же для многих вирусов животных, к примеру для ретровирусов, характерен обратный перевод их РНК-генома, направляемый РНК-зависимой обратной транскриптазой (ДНК-полимеразой) с формированием 2-спиральной ДНК-копии. В большинстве случаев появляющийся 2-спиральный ДНК-транскрипт внедряется в геном, в дальнейшем обеспечивая экспрессию вирусных генов и наработку новейших копий РНК-геномов (также вирусных).

Посттранскрипционные модификации рибонуклеиновой кислоты

Ее молекулы, синтезирующиеся с РНК-полимеразами, всегда функционально неактивны, выступают предшественниками, а именно пре-РНК. Они трансформируются в уже зрелые молекулы лишь после того, как пройдут соответствующие посттранскрипционные модификации РНК - этапы ее созревания.

Формирование зрелых мРНК начитается в ходе синтеза РНК и полимеразы II на этапе элонгации. Уже к 5’-концу постепенно растущей нити РНК прикрепляется 5’-концом ГТФ, затем отщепляется ортофосфат. Далее гуанин метилируется с появлением 7-метил-ГТФ. Такую особую группу, находящуюся в составе мРНК, именуют «кэпом» (шапочкой либо колпачком).

В зависимости от разновидности РНК (рибосомные, транспортные, матричные, пр.) предшественники подвергаются различным последовательным модификациям. К примеру, предшественники мРНК подвергаются сплайсингу, метилированию, кэпированию, полиаденилированию, иногда и редактированию.

Эукариоты: общая характеристика

Клетка эукариот выступает доменом живых организмов, а в ней содержится ядро. Кроме бактерий, архей, любые организмы являются ядерными. Растения, грибы, животные, включая группу организмов, именуемую протистами, - все выступают эукариотическими организмами. Они бывают как 1-клеточными, так и многоклеточными, однако у всех общий план клеточного строения. Принято считать, что эти настолько непохожие организмы имеют одно и то же происхождение, ввиду чего группа ядерных воспринимается в качестве монофилетического таксона наивысшего ранга.

На основании распространенных гипотез, эукариоты возникли 1,5 - 2 млрд. лет тому назад. Важная роль в их эволюции отводится симбиогенезу - симбиозу эукариотической клетки, имевшей ядро, способной к фагоцитозу, и бактерий, проглоченных ей, - предшественников пластид и митохондрий.

Прокариоты: общая характеристика

Это 1-клеточные живые организмы, которые не обладают ядром (оформленным), остальными мембранными органоидами (внутренними). Единственной крупной кольцевой 2-цепочечной молекулой ДНК, содержащей основную часть генетического клеточного материала, является та, которая не образует комплекс с белками-гистонами.

К прокариотам относят археи и бактерии, включая цианобактерии. Потомки безъядерных клеток - органеллы эукариот - пластиды, митохондрии. Они подразделяются на 2 таксона в рамках ранга домена: Археи и Бактерии.

Данные клетки не имеют ядерной оболочки, упаковка ДНК происходит без привлечения гистонов. Тип их питания осмотрофный, а генетический материал представлен одной которая замкнута в кольцо, и имеется лишь 1 репликон. У прокариот остаются органоиды, которые имеют мембранное строение.

Отличие эукариот от прокариот

Основополагающая особенность клеток эукариот связана с нахождением в них генетического аппарата, который расположен в ядре, где он защищен оболочкой. Их ДНК линейная, связанная с белками-гистонами, прочими белками хромосом, которые отсутствуют у бактерий. Как правило, в их присутствуют 2 ядерные фазы. Одна имеет гаплоидный набор хромосом, а впоследствии сливаясь, 2 гаплоидные клетки формируют диплоидную, которая содержит уже 2-ой набор хромосом. Бывает и так, что при последующем делении клетка снова становится гаплоидной. Такого рода жизненный цикл, а также диплоидность в целом, не характерны для прокариот.

Самым интересным отличием является наличие особых органелл у эукариот, которые имеют собственный генетический аппарат и размножаются делением. Эти структуры окружены мембраной. Данными органеллами выступают пластиды и митохондрии. По жизнедеятельности и строению они удивительно схожи с бактериями. Данное обстоятельство натолкнуло ученых на мысль касательно того, что они - потомки бактериальных организмов, которые вступили в симбиоз с эукариотами.

У прокариот имеется малое количество органелл, ни одна из которых не окружена 2-ой мембраной. В них отсутствует эндоплазматический ретикулум, лизосомы.

Еще 1 важное отличие эукариот от прокариот - присутствие явления эндоцитоза у эукариот, включая фагоцитоз у большинства групп. Последним называется способность захватывать посредством заключения в мембранный пузырь, а затем переваривать различные твердые частицы. Данный процесс обеспечивает важнейшую защитную функцию в организме. Возникновение фагоцитоза, предположительно, связано с тем, что их клетки имеют средние размеры. Прокариотические же организмы несоизмеримо меньше, ввиду чего в ходе эволюции эукариот возникла потребность, связанная со снабжением клетки значительным количеством пищи. В результате среди них возникли первые подвижные хищники.

Процессинг как один из этапов биосинтеза белка

Это второй этап, который начинается после транскрипции. Процессинг белков протекает лишь у эукариот. Это созревание иРНК. Если быть точным, это удаление участков, которые не кодируют белок, и присоединение управляющих.

Заключение

В данной статье описано, что представляет собой процессинг (биология). Также рассказано, что такое РНК, перечислены ее типы и посттранскрипционные модификации. Рассмотрены отличительные особенности эукариот и прокариот.

Напоследок стоит напомнить, что процессинг - это процесс образования зрелых РНК из пре-РНК.

Наименование параметра Значение
Тема статьи: Процессинг РНК
Рубрика (тематическая категория) Биология

Первичные РНК (предшественники РНК, гетерогенные ядерные РНК), образующиеся в результате транскрипции, в большинстве случаев представляют из себяфункционально неактивные молекулы. По этой причине сразу после транскрипции они претерпевают ряд модификаций и превращаются в зрелые РНК. Созревание первичных транскриптов принято называть процессингом .

Рис. 32. ρ- зависимая терминация транскрипции у бактерий

Для бактериальных клеток процессинг предшественников мРНК не характерен и необходим только при образовании зрелых молекул рРНК и тРНК.

Процессинг рнк у эукариот представляет собой достаточно сложный и тонко организованный процесс, непосредственно влияющий на регуляцию экспрессии генетического материала. Наиболее детально изучен процессинг мРНК эукариот, который включает:

· сплайсинг – вырезание из пре-мРНК некодирующих областей (интронов) и сшивание кодирующих структуру белка участков (экзонов);

· кэпирование – образование на 5′-конце мРНК особой структуры – кэпа – происходит вскоре после начала синтеза мРНК и осуществляется с участием ГТФ;

· полиаденилирование – образование на 3′-конце поли(А)-фрагмента͵ содержащего около 200 адениловых нуклеотидов (рис. 33).

Рис. 33. Процессинг мРНК

Механизм сплайсинга

В сплайсинге пре-мРНК эукариот принимает участие ряд белков, а также РНК особого вида – малые ядерные РНК (мяРНК). Различные мяРНК по принципу комплементарности связываются с пограничными участками интронов РНК. Для этого взаимодействия существенны определœенные последовательности нуклеотидов в начале и конце интронов: так, интроны всœегда начинаются с Г-У, а заканчиваются дуплетом А-Г. Малые ядерные РНК образуют комплекс с ферментами, катализирующими сплайсинг – сплайосому .

Первый разрыв пре-РНК происходит в области 5′-конца интрона, который связывается с одним из нуклеотидов в средней части того же интрона (рис. 34). Это приводит к образованию кольцевой (или, точнее, лассоподобной) структуры. Первая мяРНК диссоциирует, а ферментный комплекс перемещается к другой мяРНК, маркирующей 3′-конец интрона. Здесь происходит второй разрыв пре-РНК. Связь экзона 2 с интроном заменяется связью с экзоном 1.

Альтернативный сплайсинг

В ряде случаев возможно изменение хода сплайсинга и осуществление его по альтернативному варианту. В этом случае с одного гена считывается более одного типа мРНК. Альтернативный сплайсинг позволяет организму синтезировать разные по структуре и свойствам белки на базе одного гена. Такие гены кодируют семейства родственных белков, участвующих в мышечных сокращениях, формировании цитоскелœета͵ нервных
волокон, пептидных гормонов и др.

Рис. 34. Вероятный механизм спайсинга:

Е – ферментный комплекс (с нуклеазной и лигазной активностью)

Альтернативный сплайсинг мРНК включает три базовых механизма:

1. Использование разных промоторов. При наличии в гене альтернативных промоторов разные типы РНК могут синтезироваться с разных сайтов инициации транскрипции. Альтернативный промотор – сложный промотор, состоящий по крайней мере из двух независимо функционирующих частей, расположенных перед разными экзонами одного гена. В этом случае образуются транскрипты, имеющие разные по длинœе 5′-концы и разное количество экзонов.

2. Изменение сайта полиаденилирования первичного транскрипта. В результате изменяются размеры и структура 3′-концевого участка пре-мРНК.

3. Соединœение экзонов в различных комбинациях. При этом часть экзонов может не включаться в сплайсинᴦ. К примеру, в случае если ген содержит всœего шесть экзонов (с 1-го по 6-й), в одном типе мРНК они могут располагаться в порядке 1,2,3,4,5,6, в других РНК порядок должна быть иным, к примеру 4,5,6,1,2,3, или 2,5,6, или 1,3,5.

Альтернативный сплайсинг обеспечивает тонкую регуляцию работы генов у эукариот, дифференцировку тканей, определяет развитие различных признаков, детерминированных одним геном. У человека около 1/3 всœех генов может кодировать более одного белка, т. е. разные белки кодируются разными сочетаниями экзонов одного и того же гена. Наличие альтернативного сплайсинга может объяснить тот факт, что количество белков в организме человека в несколько раз больше, чем число белок-кодирующих генов.

Процессинг РНК - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Процессинг РНК" 2017, 2018.

Процессинг у эукариот затрагивает все виды первичных транскриптов эукариотических генов.

Процессинг у эукариот

Кэпирование представляет собой образование на 5"-конце мРНК особой структуры - кэпа (шапочки). Кэпирование происходит еще до полного завершения транскрипции и защищает 5"-конец РНК от действия нуклеаз. Кэпирование РНК осуществляется с участием GTP(гуанозинтрифосфата ), из состава которого GMP переносится на 5"-дифосфат первого нуклеотида мРНК.

Полиаденилирование осуществляется, ферментом поли(А)-полимеразой и приводит к образованию на З"-конце олиго(А)-фрагмента, содержащего 100 - 200 остатков адениловой кислоты подряд и называемого также «поли(А)-хвостом». Эта поли (А)-последовательность добавляется к РНК после присоединения кэпа . Сначала 3"-конец РНК отщепляется ферментами в точке, отстоящей на 10-35 рибонуклеотидов от консервативной последовательности ААUААА, а затем происходит полиаденилирование этого конца молекулы РНК. Поли(А)-хвост находят практически у всех мРНКэукариотических ороганизмов, за исключением транскриптов гистоновых генов. Последовательность ААUААА встречается не во всех эукариотических РНК-транскриптах. По-видимому, это связано с мутациями, препятствующими полиаденилированию. В отсутствие 3"- хвоста РНК-транскрипты быстро деградируют под действием ферментов.

Т.о. 5"-кэп и 3"-хвост чрезвычайно важны для дальнейшего процессинга и транспортировки мРНК в цитоплазму. Поли(А)-хвост определяет стабильность мРНК и время ее жизни в клетке. Кроме того, способствует выходу мРНК из ядра в цитоплазму, а также существенен для регуляции трансляции.

Механизмы сплайсинга: автокатализ РНК (Клаг,400)

Для разных типов ядерной РНК, а также для РНК мтх и хлп существуют свои собственные механизмы сплайсинга.

В зависимости от специфичности механизма сплайсинга, интроны можно разделить на несколько групп. К первой группе относятся интроны, входящие в состав первичного рРНК-транскрипта, для удаления которых не требуется дополнительных компонентов. Эти интроны сами обладают ферментативной активностью, необходимой для их вырезания. Впервые этот факт был обнаружен в 1982 г (Томас Чех с сотр.) у жгутикового простейшего тетрахимены (Tetrachymena). Из-за автокаталитических свойств самосплайсирующиеся РНК иногда называют рибозимами .

Процесс самовырезания (автоэсцизия) (рис. 145_Коничев)

(рис.12-12, Клаг) представляет собой две нуклеофильные реакции, или реакции трансэтерификации, в которых гуанозин взаимодействует с первичным итранскриптом и действует как кофактор. При этом З"-гидроксильная группа гуанозина переносится на нуклеотид, примыкающий к 5"-концу интрона. Во второй реакции эта гидроксильная группа взаимодействуетс фосфатной группой на З"-конце правого интрона, в результате интрон вырезается, а концы двух соседних экзонов соединяются с образованием зрелой мРНК.


Интрон 26S рРНК тетрахимены - IVS, состоит из 413 нуклеотидов. В результате реакции трансэтерификации без дополнительных затрат энергии осуществляется лигирование двух экзонов с образованием зрелой 26S рРНК. Вырезанный интрон затем циклизуется. Из его состава путем двухэтапного ауторасщепления освобождается фрагмент, содержащий 19 нуклеотидов, в результате чего образуя РНК длиной 376 нуклеотидов (L -19 IVS), которая и представляет собой истинный РНК-фермент (рибозим ), обладающий каталитическими свойствами. Этот рибозим обладает устойчивой структурой, имеет эндонуклеазную активность, расщепляя длинные одноцепочечные РНК, и проявляет специфичность, распознавая в о составе атакуемого субстрата тетрануклеотиды CUCU . В структуре интронов типа I выявлены характерные внутренние олигопуриновые последовательности (у тетрахимены это последовательность GGAGGG), называемые адапторными последовательностями , которые участвуют в образовании активного центра РНК-ферментов и выполняют важнейшую роль в каталитическом расщеплении РНК.

Такое самовырезание интронов характерно для пре-рРНК других простейших. Этот механизм, по-видимому, действует и при удалении интронов из первичных транскриптов иРНК и тРНК в митохондриях и хлоропластах , которые относятся к группе II .

Для вырезания интроноввторой группы также необходимы две автокаталитические реакции, но гуанозин не требуется.

Дальнейшие исследования позволили установить, что каталитической активностью обладают не только крупные РНК (~400 нуклеотидов у тетрахимены и РНКазы Р), но и короткие 13 -20-членные олигонуклеотиды, которые могут быть синтезированы in vitro. Такие рибозимы стали называть минизимами . Одна из детально исследованных моделей функционирования таких рибозимов получила название «головка молотка » (рис. 146). Третичная структура «головки молотка» стабилизируется ионами двухвалентных металлов, которые нейтрализуют отрицательно заряженные атомы кислорода фосфодиэфирных связей и одновременно соединяют фосфатные группы ковалентными связями, что существенно для образования стабильного переходного состояния (фермент-субстратного комплекса). Как и в случае катализа, осуществляемого ферментами белковой природы, рибозимы и атакуемый субстрат

(природные или синтетически полученные молекулы РНК) образуют фермент-субстратный комплекс, а затем - фермент-продуктный комплекс (см. рис. 146).

Механизмы сплайсинга: сплайсосома. (Процессинг мРНК у эукариот)

В ядерных пре-мРНК интроны могут достигать в длину 20 000 нуклеотидов. Поэтому их удаление требует более сложного механизма, чем самовырезание (автоэксцизия). (рис.12-13). Нуклеотидные последовательности на концах интронов в этих молекулах сходны: на 5"-концах часто находится динуклеотид (GU) ГУ, а на З"-конце – динуклеотид (AG) АГ. C этими последовательностями связываются молекулы специальных белков, которые формируют комплекс, называемый сплайсомой . Основной компонент сплайсосом – малые ядерные рибонуклеопротеины, или мяРНП , которые найдены только в ядре и обогащены остатками уридина. Поэтому малые ядРНК часто обозначают U1 , U2 …U6.

[Коничев, с.292. В сплайсинге пре-мРНК

у высших эукариот задействован ряд белков, а также РНК особого вида – малые ядерные РНК (мяРНК). Малые ядерные РНК имеют последовательности протяженностью от 65 до 1000 и более нуклеотидов (10S -90S), богатые уридиловыми нуклеотидами, и поэтому называются также uPHK (Ul, U2 и т.д.). У дрожжей выявлено 25 различных мяРНК, у позвоночных животных - 15. У шпорцевых лягушек Xenopus laevis ряд мяРНК (U3, U8, U14 и U22) участвуют в процессинге рибосомальных РНК, связываясь с пограничными участками спейсерных последовательностей (см. рис. 143). Малые ядерные РНК выявлены не только у позвоночных животных и дрожжей, но также у насекомых и архибактерий. Они представляют собой, вероятно, очень древнюю группу молекул. Нуклеотидная последовательность всех соответствующих uPHK

эукариот совпадает более чем на 90 %, что, в частности, относится к U1 человека и дрозофилы. Высокий консерватизм структуры uPHK говорит о том, что сплайсинг представляет собой очень древний процесс, начавшийся с аутосплайсинга (см. выше) и трансформировавшийся в сплайсинг с участием особых рибонуклеопротеидных частиц - мяРНП. Гены мяРНК транскрибируются РНК-полимеразой II и имеют различную локализацию в геноме: часть из них представляет собой дискретные независимые гены,

не имеющие интронов, тогда как гены других мяРНК располагаются внутри интронов генов, кодирующих белки. Так, у Xenopus U13 кодируется тремя уникальными последовательностями, находящимися

в интронах 5, 6 и 8 генов белков теплового шока, а ген U16 находится внутри интрона рибосомального белка L1. Последнее обстоятельство имеет важное значение, так как показывает, что процессинг рРНК и процессинг мРНК белков рибосом может быть скоординирован при участии мяРНК. Кроме того,

предполагают, что мяРНК способны служить РНК-шаперонами, участвуя в фолдингерРНК, т.е. помогая ей принять необходимую структуру в пространстве. Малые ядерные РНК присутствуют в ядрах в комплексах с белками, получившими название малыерибонуклеопротеиновые частицы (мяРНП). Стабильным компонентом мяРНП является белок фибрилларин - очень консервативный по структуре белок с молекулярной массой 34 кДа, локализованный в ядрышках. Комплекс, состоящий из множества мяРНП, который катализирует сплайсинг ядерных про-мРНК, носит название сплайсингосомы .]

Известно, мяРНК типа U 1, содержит нуклеотидную последовательность, гомологичную 5"-концу интрона. Спаривание этих последовательностей дает начало сплайсоме. Затем к ней присоединяется мяРНК типа U2 , U4 , U5 и U6 начинается сплайсинг. Как и в случае интронов первой группы происходит две реакции трансэтерификации. Сначала З"- гидроксильная группа аденина (А), локализованного в интроне, взаимодействует с 5"-сайтом сплайсинга, разрезая цепь РНК. Затем несколько мяРНП формируют промежуточный комплекс и начинается вторая реакция: свободный 5"-конец интрона соединяется с остатком аденина. В результате формируется характерная петлеобразная структура типа лассо, содержащая удаленный интрон. Затем концы экзонов лигируют и комплекс мяРНК освобождает транскрипт.

[ Коничев, с.294. Взаимодействие разных мяРНК, входящих в состав сплайсингосомы, со сплайсируемой пре-мРНК в 5"- и З"-сайтах сообщает интрону петлеобразную структуру. При этом сближаются концы экзонов, чему способствует образование неканонических (отличающихся от уотсон-криковских пар) водородных связей между двумя гуанинами, содержащимися в 5"- и З"-сайтах сплайсинга (см. рис. 148). Сближение экзонов создает условие для атаки З"-конца интрона адениловым нуклеотидом, расположенным вблизи З"-конца. В результате разрыва фосфодиэфирной связи между экзоном 1 и 5"-концом интрона последний взаимодействует с адениловым нуклеотидом и образованием в интроне петли типа «лассо» (см. рис. 148_Коничев). Вслед за этим освободившийся З"-ОН-конец экзона 1 разрезает З"-сайт сплайсинга, выщепляет интрон и, соединяясь с экзоном 2, образует в итоге зрелую (сплайсированную) молекулу мРНК]

Процессинг РНК (посттранскрипционные модификации РНК) - совокупность процессов в клетках эукариот, которые приводят к превращению первичного транскрипта РНК в зрелую РНК.

Наиболее известен процессинг матричных РНК, которые во время своего синтеза подвергаются модификациям: кэпированию, сплайсингу и полиаденилированию. Также модифицируются (другими механизмами) рибосомные РНК, транспортные РНК и малые ядерные РНК.

Сплайсинг (от англ. splice - сращивать или склеивать концы чего-либо) - процесс вырезания определенных нуклеотидных последовательностей из молекул РНК и соединения последовательностей, сохраняющихся в «зрелой» молекуле, в ходе процессинга РНК. Наиболее часто этот процесс встречается при созревании информационной РНК (мРНК) у эукариот, при этом путём биохимических реакций с участием РНК и белков из мРНК удаляются участки, не кодирующие белок (интроны) и соединяются друг с другом кодирующие аминокислотную последовательность участки - экзоны. Таким образом незрелая пре-мРНК превращается в зрелую мРНК, с которой считываются (транслируются) белки клетки. Большинство генов прокариот, кодирующих белки, не имеют интронов, поэтому у них сплайсинг пре-мРНК встречается редко. У представителей эукариот, бактерий и архей встречается также сплайсинг транспортных РНК (тРНК) и других некодирующих РНК.

Процессинг и сплайсинг способны объединять структуры, удаленные друг от друга, в один ген, поэтому они имеют огромное эволюционное значение. Подобные процессы упрощают видообразование. Белки имеют блочную структуру. Например, фермент – ДНК-полимераза. Он представляет собой непрерывную полипептидную цепь. Он состоит из собственной ДНК-полимеразы и эндонуклеазы, которая расщепляет молекулу ДНК с конца. Фермент состоит из 2 доменов, которые образуют 2 независимые компактные частицы, связанные полипептидным мостиком. На границе между 2мя генами ферментов находится интрон. Когда-то домены были раздельными генами, а затем – сблизились.

Нарушения подобной структуры гена приводит к генным болезням. Нарушение строения интрона фенотипически незаметно, нарушение в экзонной последовательности приводят к мутации (мутации глобиновых генов).

Биосинтез белка - сложный многостадийный процесс синтеза полипептидной цепи из аминокислотных остатков, происходящий на рибосомах клеток живых организмов с участием молекул мРНК и тРНК. Биосинтез белка можно разделить на стадии транскрипции, процессинга и трансляции. Во время транскрипции происходит считывание генетической информации, зашифрованной в молекулах ДНК, и запись этой информации в молекулы иРНК. В ходе ряда последовательных стадий процессинга из мРНК удаляются некоторые фрагменты, ненужные в последующих стадиях, и происходит редактирование нуклеотидных последовательностей. После транспортировки кода из ядра к рибосомам происходит собственно синтез белковых молекул, путём присоединения отдельных аминокислотных остатков к растущей полипептидной цепи.



Роль посредника, функцией которого является перевод наследственной информации, сохраняемой в ДНК, в рабочую форму, играют рибонуклеиновые кислоты - РНК.

рибонуклеиновые кислоты представлены одной полинуклеотидной цепью, которая состоит из четырех разновидностей нуклеотидов, содержащих сахар, рибозу, фосфат и одно из четырех азотистых оснований - аденин, гуанин, урацил или цитозин

Матричная, или информационная, РНК (мРНК, или иРНК). Транскрипция. Для того чтобы синтезировать белки с заданными свойствами, к месту их построения поступает "инструкция" о порядке включения аминокислот в пептидную цепь. Эта инструкция заключена в нуклеотидной последовательности матричных, или информационных РНК (мРНК, иРНК), синтезируемых на соответствующих участках ДНК. Процесс синтеза мРНК называют транскрипцией.

В процессе синтеза, по мере продвижения РНК-полимеразы вдоль молекулы ДНК, пройденные ею одноцепочечные участки ДНК вновь объединяются в двойную спираль. Образуемая в ходе транскрипции мРНК содержит точную копию информации, записанной в соответствующем участке ДНК. Тройки рядом стоящих нуклеотидов мРНК, шифрующие аминокислоты, называют кодонами. Последовательность кодонов мРНК шифрует последовательность аминокислот в пептидной цепи. Кодонам мРНК соответствуют определенные аминокислоты (табл.1).



Транспортная РНК (тРНК). Трансляция. Важная роль в процессе использования наследственной информации клеткой принадлежит транспортной РНК (тРНК). Доставляя необходимые аминокислоты к месту сборки пептидных цепей, тРНК выполняет функцию трансляционного посредника.

В ней выделяют четыре главные части, выполняющие различные функции. Акцепторный "стебель" образуется двумя комплементарно соединенными концевыми частями тРНК. Он состоит из семи пар оснований.3"-конец этого стебля несколько длиннее и формирует одноцепочечный участок, который заканчивается последовательностью ЦЦА со свободной ОН-группой. К этому концу присоединяется транспортируемая аминокислота. Остальные три ветви представляют собой комплементарно спаренные последовательности нуклеотидов, которые заканчиваются неспаренными участками, образующими петли. Средняя из этих ветвей - антикодоновая - состоит из пяти пар нуклеотидов и содержит в центре своей петли антикодон. Антикодон - это три нуклеотида, комплементарные кодону мРНК, который шифрует аминокислоту, транспортируемую данной тРНК к месту синтеза пептида.

В целом различные виды тРНК характеризуются определенным постоянством нуклеотидной последовательности, которая чаще всего состоит из 76 нуклеотидов. Варьирование их числа связано главным образом с изменением количества нуклеотидов в дополнительной петле. Комплементарные участки, поддерживающие структуру тРНК, как правило, консервативны. Первичная структура тРНК, определяемая последовательностью нуклеотидов, формирует вторичную структуру тРНК, имеющую форму листа клевера. В свою очередь, вторичная структура обусловливает трехмерную третичную структуру, для которой характерно образование двух перпендикулярно расположенных двойных спиралей (рис.27). Одна из них образована акцепторной и ТψС-ветвями, другая - антикодоновой и D-ветвями.

На конце одной из двойных спиралей располагается транспортируемая аминокислота, на конце другой - антикодон. Эти участки оказываются максимально удаленными друг от друга. Стабильность третичной структуры тРНК поддерживается благодаря возникновению дополнительных водородных связей между основаниями полинуклеотидной цепи, находящимися в разных ее участках, но пространственно сближенных в третичной структуре.

Различные виды тРНК имеют сходную третичную структуру, хотя и с некоторыми вариациями.

Одной из особенностей тРНК является наличие в ней необычных оснований, возникающих вследствие химической модификации уже после включения нормального основания в полинуклеотидную цепь. Эти измененные основания обусловливают большое структурное многообразие тРНК при общем плане их строения.

14..Рибосомный цикл синтеза белка (инициация, элонгация, терминация). Посттрансляционные преобразования белков.

Рибосомный цикл синтеза белка. Процесс взаимодействия мРНК и тРНК, обеспечивающий трансляцию информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот, осуществляется на рибосомах. Последние представляют собой сложные комплексы рРНК и разнообразных белков, в которых первые образуют каркас. Рибосомные РНК являются не только структурным компонентом рибосом, но и обеспечивают связывание их с определенной нуклеотидной последовательностью мРНК. Этим устанавливаются начало и рамка считывания при образовании пептидной цепи. Кроме того, они обеспечивают взаимодействие рибосомы и тРНК. Многочисленные белки, входящие в состав рибосом наряду с рРНК, выполняют как структурную, так и ферментативную роль.

Рибосомы про - и эукариот очень сходны по структуре и функциям. Они состоят из двух субчастиц: большой и малой. У эукариот малая субчастица образована одной молекулой рРНК и 33 молекулами разных белков. Большая субчастица объединяет три молекулы рРНК и около 40 белков. Прокариотические рибосомы и рибосомы митохондрий и пластид содержат меньше компонентов.

В рибосомах имеется две бороздки. Одна из них удерживает растущую полипептидную цепь, другая - мРНК. Кроме того, в рибосомах выделяют два участка, связывающих тРНК. В аминоацильном, А-участке размещается аминоацил-тРНК, несущая определенную аминокислоту. В пептидильном, П-участке располагается обычно тРНК, которая нагружена цепочкой аминокислот, соединенных пептидными связями. Образование А- и П-участков обеспечивается обеими субчастицами рибосомы.

В каждый момент рибосома экранирует сегмент мРНК протяженностью около 30 нуклеотидов. При этом обеспечивается взаимодействие только двух тРНК с двумя расположенными рядом кодонами мРНК (рис. 3.31).

Трансляция информации на «язык» аминокислот выражается в постепенном наращивании пептидной цепи в соответствии с инструкцией, заключенной в мРНК. Этот процесс протекает на рибосомах, которые обеспечивают последовательность расшифровки информации с помощью тРНК. В ходе трансляции можно выделить три фазы: инициацию, элонгацию и терминацию синтеза пептидной цепи.

Фаза инициации, или начало синтеза пептида, заключается в объединении двух находящихся до этого порознь в цитоплазме субчастиц рибосомы на определенном участке мРНК и присоединении к ней первой аминоацил-тРНК. Этим задается также рамка считывания информации, заключенной в мРНК (рис. 3.32).

В молекуле любой мРНК вблизи ее 5"-конца имеется участок, комплементарный рРНК малой субчастицы рибосомы и специфически узнаваемый ею. Рядом с ним располагается инициирующий стартовый кодон АУТ, шифрующий аминокислоту метионин. Малая субчастица рибосомы соединяется с мРНК таким образом, что стартовый кодон АУТ располагается в области, соответствующей П-участку. При этом только инициирующая тРНК, несущая метионин, способна занять место в недостроенном П-участке малой субчастицы и комплементарно соединиться со стартовым кодоном. После описанного события происходит объединение большой и малой субчастиц рибосомы с образованием ее пептидильного и аминоацильного участков (рис. 3.32).

К концу фазы инициации П-участок занят аминоацил-тРНК, связанной с метионином, тогда как в А-участке рибосомы располагается следующий за стартовым кодон.

Описанные процессы инициации трансляции катализируются особыми белками - факторами инициации, которые подвижно связаны с малой субчастицей рибосомы. По завершении фазы инициации и образования комплекса рибосома - мРНК - инициирующая аминоацил-тРНК эти факторы отделяются от рибосомы.

Фаза элонгации, или удлинения пептида, включает в себя все реакции от момента образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты. Она представляет собой циклически повторяющиеся события, при которых происходит специфическое узнавание аминоацил-тРНК очередного кодона, находящегося в А-участке, комплементарное взаимодействие между антикодоном и кодоном.

Благодаря особенностям трехмерной организации тРНК. (см. разд. 3.4.3.1) при соединении ее антикодона с кодоном мРНК. транспортируемая ею аминокислота располагается в А-участке, поблизости от ранее включенной аминокислоты, находящейся в П-участке. Между двумя аминокислотами образуется пептидная связь, катализуемая особыми белками, входящими в состав рибосомы. В результате предыдущая аминокислота теряет связь со своей тРНК и присоединяется к аминоацил-тРНК, расположенной в А-участке. Находящаяся в этот момент в П-участке тРНК высвобождается и уходит в цитоплазму (рис. 3.33).

Перемещение тРНК, нагруженной пептидной цепочкой, из А-участка в П-участок сопровождается продвижением рибосомы по мРНК на шаг, соответствующий одному кодону. Теперь следующий кодон приходит в контакт с А-участком, где он будет специфически «опознан» соответствующей аминоацил-тРНК, которая разместит здесь свою аминокислоту. Такая последовательность событий повторяется до тех пор, пока в А-участок рибосомы не поступит кодон-терминатор, для которого не существует соответствующей тРНК.

Сборка пептидной цепи осуществляется с достаточно большой скоростью, зависящей от температуры. У бактерий при 37 °С она выражается в добавлении к подипептиду от 12 до 17 аминокислот в 1 с. В эукариотических клетках эта скорость ниже и выражается в добавлении двух аминокислот в 1 с.

Фаза терминации, или завершения синтеза полипептида, связана с узнаванием специфическим рибосомным белком одного из терминирующих кодонов (УАА, УАГ или У ГА), когда тот входит в зону А-участка рибосомы. При этом к последней аминокислоте в пептидной цепи присоединяется вода, и ее карбоксильный конец отделяется от тРНК. В результате завершенная пептидная цепь теряет связь с рибосомой, которая распадается на две субчастицы (рис. 3.34).

Посттрансляционные преобразования белков. Синтезированные в ходе трансляции пептидные цепи на основе своей первичной структуры приобретают вторичную и третичную, а многие-и четвертичную организацию, образуемую несколькими пептидными цепями. В зависимости от функций, выполняемых белками, их аминокислотные последовательности могут претерпевать различные преобразования, формируя функционально активные молекулы белка.

Многие мембранные белки синтезируются в виде пре-белков, имеющих на N-конце лидерную последовательность, которая обеспечивает him узнавание мембраны. Эта последовательность отщепляется при созревании и встраивании белка в мембрану. Секреторные белки также имеют на N-конце лидерную последовательность, которая обеспечивает их транспорт через мембрану.

Некоторые белки сразу после трансляции несут дополнительные аминокислотные про-последовательности, определяющие стабильность предшественников активных белков. При созревании белка они удаляются, обеспечивая переход неактивного пробелка в активный белок. Например, инсулин вначале синтезируется как пре-проинсулин. Во время секреции пре-последовательность отщепляется, а затем проинсулин подвергается модификации, при которой из него удаляется часть цепи и он превращается в зрелый инсулин.

I - РНК-полимераза связывается с ДНК и начинает синтезировать мРНК в направлении 5" → 3";

II - по мере продвижения РНК-полимеразы к 5"-концу мРНК прикрепляются рибосомы, начинающие синтез белка;

III - группа рибосом следует за РНК-полимеразой, на 5"-конце мРНК начинается ее деградация;

IV -процесс деградации протекает медленнее, чем транскрипция и трансляция;

V - после окончания транскрипции мРНК освобождается от ДНК, на ней продолжается трансляция и деградация на 5"-конце

Формируя третичную и четвертичную организацию в ходе посттрансляционных преобразований, белки приобретают способность активно функционировать, включаясь в определенные клеточные структуры и осуществляя ферментативные и другие функции.

Рассмотренные особенности реализации генетической информации в про - и эукариотических клетках обнаруживают принципиальное сходство этих процессов. Следовательно, механизм экспрессии генов, связанный с транскрипцией и последующей трансляцией информации, которая зашифрована с помощью биологического кода, сложился в целом еще до того, как были сформированы эти два типа клеточной организации. Дивергентная эволюция геномов про - и эукариот привела к возникновению различий в организации их наследственного материала, что не могло не отразиться и на механизмах его экспресии.

Постоянное совершенствование наших знаний об организации и функционировании материала наследственности и изменчивости обусловливает эволюцию представлений о гене как функциональной единице этого материала.

Взаимосвязь между геном и признаком. Пример. Гипотеза «один ген - один фермент», ее современная трактовка.

Открытия экзон-интронной организации эукариотических генов и возможности альтернативного сплайсинга показали, что одна и та же нуклеотидная последовательность первичного транскрипта может обеспечить синтез нескольких полипептидных цепей с разными функциями или их модифицированных аналогов. Например, в митохондриях дрожжей имеется ген box (или cob), кодирующий дыхательный фермент цитохром b. Он может существовать в двух формах (рис. 3.42). «Длинный» ген, состоящий из 6400 п. н., имеет 6 экзонов общей протяженностью 1155 п. н. и 5 интронов. Короткая форма гена состоит из 3300 п. н. и имеет 2 интрона. Она фактически представляет собой лишенный первых трех интронов «длинный» ген. Обе формы гена одинаково хорошо экспрессируются.

После удаления первого интрона «длинного» гена box на основе объединенной нуклеотидной последовательности двух первых экзонов и части нуклеотидов второго интрона образуется матрица для самостоятельного белка - РНК-матуразы (рис. 3.43). Функцией РНК-матуразы является обеспечение следующего этапа сплайсинга - удаление второго интрона из первичного транскрипта и в конечном счете образование матрицы для цитохрома b.

Другим примером может служить изменение схемы сплайсинга первичного транскрипта, кодирующего структуру молекул антител в лимфоцитах. Мембранная форма антител имеет на С-конце длинный «хвост» аминокислот, который обеспечивает фиксацию белка на мембране. У секретируемой формы антител такого хвоста нет, что объясняется удалением в ходе сплайсинга из первичного транскрипта кодирующих этот участок нуклеотидов.

У вирусов и бактерий описана ситуация, когда один ген может одновременно являться частью другого гена или некоторая нуклеотидная последовательность ДНК может быть составной частью двух разных перекрывающихся генов. Например, на физической карте генома фага ФХ174 (рис. 3.44) видно, что последовательность гена В располагается внутри гена А, а ген Е является частью последовательности гена D. Этой особенностью организации генома фага удалось объяснить существующее несоответствие между относительно небольшим его размером (он состоит из 5386 нуклеотидов) и числом аминокислотных остатков во всех синтезируемых белках, которое превышает теоретически допустимое при данной емкости генома. Возможность сборки разных пептидных цепей на мРНК, синтезированной с перекрывающихся генов (А и В или Е и D), обеспечивается наличием внутри этой мРНК участков связывания с рибосомами. Это позволяет начать трансляцию другого пептида с новой точки отсчета.

Нуклеотидная последовательность гена В является одновременно частью гена А, а ген Е составляет часть гена D

В геноме фага λ были также обнаружены перекрывающиеся гены, транслируемые как со сдвигом рамки, так и в той же рамке считывания. Предполагается также возможность транскрибирования двух разных мРНК с обеих комплементарных цепей одного участка ДНК. Это требует наличия промоторных областей, .определяющих движение РНК-полимеразы в разных направлениях вдоль молекулы ДНК.

Описанные ситуации, свидетельствующие о допустимости считывания разной информации с одной и той же последовательности ДНК, позволяют предположить, что перекрывающиеся гены представляют собой довольно распространенный элемент организации генома вирусов и, возможно, прокариот. У эукариот прерывистость генов также обеспечивает возможность синтеза разнообразных пептидов на основе одной и той же последовательности ДНК.

Имея в виду все сказанное, необходимо внести поправку в определение гена. Очевидно, нельзя больше говорить о гене как о непрерывной последовательности ДНК, однозначно кодирующей определенный белок. По-видимому, в настоящее время наиболее приемлемой все же следует считать формулу «Один ген - один поли-пептид», хотя некоторые авторы предлагают ее переиначить: «Один полипептид - один ген». Во всяком случае, под термином ген надо понимать функциональную единицу наследственного материала, по химической природе являющуюся полинуклеотидом и определяющую возможность синтеза полипептидной цепи, тРНК или рРНК.

Один ген один фермент.

В 1940 г Дж. Бидл и Эдвард Татум использовали новый подход для изучения того, как гены обеспечивают метаболизм у более удобного объекта исследований – у микроскопического грибка Neurospora crassa.. Ими были получены мутации, у которых; отсутствовала активность того-или иного фермента метаболизма. А это приводило к тому, что мутантный гриб бьл не способен сам синтезировать определенный метаболит (например, аминокислоту лейцин) и мог жить только тогда, когда лейцин был добавлен в питательную среду. Сформулированная Дж. Бидлом и Э. Татумом теория "один ген - один фермент" - быстро получила широкое признание у генетиков, а сами они были награждены Нобелевской Премией.

Методы. селекции так называемых "биохимических мутаций", приводящих к нарушениям действия ферментов, обеспечивающих разные пути метаболизма, оказались очень плодотворными не только для науки, но и для практики. Сначала они привели к возникновению генетики и селекции промышленных микроорганизмов, а потом и к микробиологической промышленности, которая использует штаммы микроорганизмов, сверх продуцирующие такие стратегически важные вещества, как антибиотики, витамины, аминокислоты и др.. В основе принципов селекции и генной инженерии штаммов сверхпродуцентов лежит представление, что "один ген кодирует один фермент". И хотя это представление отлично практике приносит многомиллионные прибыли и спасает миллионы жизней (антибиотики) - оно не является окончательным. Один ген - это не только один фермент.