Pre-mRNA töötlemine hõlmab. Äsja sünteesitud RNA-d on endiselt passiivsed. Messenger RNA prekursorite töötlemine

Töötlemine- see on funktsionaalselt aktiivsete RNA molekulide moodustumise etapp esialgsetest transkriptidest. Töötlemist peetakse eukarüootidele iseloomulikeks transkriptsioonijärgseteks RNA modifikatsioonideks. (Prokarüootides toimuvad mRNA transkriptsiooni- ja translatsiooniprotsessid peaaegu samaaegselt. Seda tüüpi RNA-d neis ei töödelda.)

Töötlemise tulemusena muudetakse primaarsed RNA transkriptid küpseteks RNA-deks. Kuna RNA-d on mitut erinevat tüüpi, on igaühel neist oma modifikatsioonid.

Informatiivse (maatriksi) RNA töötlemine

Valgu struktuuri kodeerivates DNA piirkondades moodustub informatiivse (maatriksi) RNA (pre-mRNA) eelkäija. Pre-mRNA kopeerib kogu DNA nukleotiidjärjestuse promootorist transkriptoni terminaatorini. See tähendab, et see hõlmab terminaalseid transleerimata piirkondi (5" ja 3"), introneid ja eksoneid.

Eel-mRNA töötlemine hõlmab korkimine, polüaadei kumbagilamineerimine, splaissimine, aga ka mõned muud protsessid (metüülimine, redigeerimine).

korkimine- see on 7-metüül-GTP (7-metüülguanosiintrifosfaadi) lisamine RNA 5-tollisele otsale, samuti kahe esimese nukleotiidi riboosi metüülimine.

Selle tulemusena moodustub nn "kork" (kork). Korgi funktsioon on seotud tõlkimise algatamisega. Tänu temale kinnitub mRNA esialgne koht ribosoomi külge. Kork kaitseb ka transkripti ribonukleaaside hävitava toime eest ja täidab splaissimisel mitmeid funktsioone.

Tulemusena polüaadei kumbagivaletamine RNA 3" otsa külge on kinnitatud ligikaudu 100-200 nukleotiidi pikkune polüadenüülne piirkond (polü-A). Need reaktsioonid toimub polü-A polümeraasi ensüümi poolt. Polüadenüülimise signaal on AAUAACA järjestus 3" ots. -CA saidil mRNA molekul lõigatakse.

Polü-A kaitseb RNA molekuli ensümaatilise lagunemise eest.

Korkimine ja polüadenüülimine toimuvad transkriptsiooni staadiumis. Kork moodustub kohe pärast sünteesitud RNA 5'-otsa vabanemist RNA polümeraasist ja polü-A moodustub kohe pärast transkriptsiooni lõpetamist.

Splaissimine on intronite väljalõikamine ja eksonite ühendamine. Eksonid võivad ühendada erineval viisil. Seega saab ühest transkriptist moodustada erinevaid mRNA-sid. Messenger-RNA splaissimine hõlmab väikeseid tuuma-RNA-sid, millel on intronite otstega komplementaarsed piirkonnad ja mis seonduvad nendega. Lisaks snRNA-le osalevad splaissimises mitmesugused valgud. Kõik koos (valgud ja snRNA) moodustavad nukleoproteiini kompleksi - splaissosoom.

Pärast töötlemist muutub mRNA eelkäijast lühemaks, mõnikord kümneid kordi.

Muud tüüpi RNA töötlemine

Ribosomaalsete ja ülekande-RNA molekulide töötlemisel ei toimu korkimist ja polüadenüülimist. Seda tüüpi RNA modifikatsioonid ei esine mitte ainult eukarüootides, vaid ka prokarüootides.

Ühe transkripti (45S-RNA) lõhustamise tulemusena moodustub kolme tüüpi eukarüootset ribosomaalset RNA-d.

Mitmete ülekande-RNA-de töötlemine võib hõlmata ka ühe transkripti lõhustamist, samas kui teised tRNA-d saadakse ilma lõikamiseta. tRNA töötlemise eripäraks on see, et RNA molekul läbib pika nukleotiidide modifikatsioonide ahela: metüülimine, deamineerimine jne.

Töötlemine eukarüootides mõjutab igat tüüpi eukarüootsete geenide primaarseid transkripte.

Töötlemine eukarüootides

korkimine on spetsiaalse struktuuri moodustumine mRNA 5 "otsas - cap (cap). Korkimine toimub isegi enne transkriptsiooni lõppemist ja kaitseb RNA 5" otsa nukleaaside toime eest. RNA piiramine viiakse läbi osalusel GTP (guanosiintrifosfaat), millest GMP kantakse üle esimese mRNA nukleotiidi 5'-difosfaadile.

Polüadenüülimine mida viib läbi ensüüm polü (A) polümeraas ja see viib 100–200 adenüülhappe jääki järjest sisaldava oligo (A) fragmendi 3 otsa moodustumiseni, mida nimetatakse ka polü (A) sabaks. polü (A) -jada lisatakse RNA-le pärast korgi kinnitamist. Esiteks lõigatakse RNA 3" ots ensüümide toimel ära punktis, mis asub konservatiivsest AAUAAAA järjestusest 10-35 ribonukleotiidi kaugusel ja seejärel toimub RNA molekuli selle otsa polüadenüülimine. Polü(A) saba leidub peaaegu kõik mRNA eukarüootsed organismid, välja arvatud histooni geeni transkriptid. AAUAAAA järjestust ei leidu kõigis eukarüootsete RNA transkriptides. Ilmselt on see tingitud mutatsioonidest, mis takistavad polüadenüülimist. 3" saba puudumisel lagunevad RNA transkriptid kiiresti ensüümide poolt.

See. 5'-kork ja 3'-saba on äärmiselt olulised mRNA edasiseks töötlemiseks ja transportimiseks tsütoplasmasse. Polü(A) saba määrab mRNA stabiilsuse ja selle eluea rakus. Lisaks soodustab see mRNA vabanemist tuumast tsütoplasmasse ning on oluline ka translatsiooni reguleerimiseks.

Splaissimise mehhanismid: RNA autokatalüüs (Klag, 400)

Erinevatel tuuma-RNA tüüpidel, aga ka mth- ja hlp-RNA-del, on oma splaissimismehhanismid.

Sõltuvalt splaissimismehhanismi spetsiifikast võib intronid jagada mitmeks rühmaks. Esimesse rühma hõlmavad introneid, mis on osa primaarsest rRNA transkriptist, mille eemaldamine ei nõua lisakomponente. Nendel intronitel endil on nende ekstsisiooniks vajalik ensümaatiline aktiivsus. See fakt avastati esmakordselt 1982. aastal (Tomas Cech et al.) lipuliste algloomade Tetrachymena puhul. Nende autokatalüütiliste omaduste tõttu nimetatakse isesplaisingulisi RNA-sid mõnikord ka kui ribosüümid .

Iselõikamise protsess (automaatne väljalõikamine) (joonis 145_Konichev)

(Joonis 12-12, Klag) on ​​kaks nukleofiilset reaktsiooni või reaktsiooni ümberesterdamine, milles guanosiin interakteerub primaarse itrankriptiga ja toimib kofaktorina. Sel juhul kantakse guanosiini 3'-hüdroksüülrühm üle nukleotiidile, mis külgneb introni 5'-otsaga. Teises reaktsioonis interakteerub see hüdroksüülrühm parempoolse introni 3' otsas oleva fosfaatrühmaga, mille tulemusena intron lõigatakse välja ja kahe kõrvuti asetseva eksoni otsad ühendatakse, moodustades küpse mRNA.

Tetrahümeeni 26S rRNA intron – IVS, koosneb 413 nukleotiidist. Reaktsiooni tulemusena ümberesterdamine kahe eksoni ligeerimine küpse 26S rRNA moodustumisega viiakse läbi ilma täiendava energiakuluta. Seejärel tsüklistatakse välja lõigatud intron. 19 nukleotiidi sisaldav fragment vabaneb selle koostisest kaheetapilise autolõikamise teel, mille tulemusena moodustub 376 nukleotiidi pikkune RNA (L-19 IVS), mis on tõeline RNA ensüüm. (ribosüüm) katalüütiliste omadustega. Sellel ribosüümil on stabiilne struktuur, see on endonukleaasi aktiivsusega, lõhustab pikki üheahelalisi RNA-sid ja on spetsiifiline, tuvastades CUCU tetranukleotiidid rünnatava substraadi koostises. Struktuuris I tüüpi intronid on tuvastatud iseloomulikud sisemised oligopuriini järjestused (tetrahümeenide puhul on see GGAGGG järjestus), nn. adapteri järjestused , mis osalevad RNA ensüümide aktiivse tsentri moodustamises ja mängivad olulist rolli RNA katalüütilises lõhustamises.

Selline intronite iseekstsisioon on iseloomulik teiste algloomade pre-rRNA-dele. See mehhanism toimib ilmselt ka intronite eemaldamisel primaarsest mRNA ja tRNA transkriptidest. mitokondrid ja kloroplastid, mis on seotud II rühm.

Intronite lõikamiseks teine ​​rühm vaja on ka kahte autokatalüütilist reaktsiooni, kuid guanosiini pole vaja.

Edasised uuringud võimaldasid kindlaks teha, et katalüütilise aktiivsusega ei ole mitte ainult suured RNA-d (~400 nukleotiidi tetrahümeenides ja RNaasi P-s), vaid ka lühikesed 13-20-meerilised oligonukleotiidid, mida saab sünteesida in vitro. Neid ribosüüme nimetatakse minitalved . Üks selliste ribosüümide toimimise üksikasjalikest mudelitest on nn "vasarpea "(joonis 146). "Haamripea" tertsiaarset struktuuri stabiliseerivad kahevalentsed metalliioonid, mis neutraliseerivad fosfodiestersidemete negatiivselt laetud hapnikuaatomeid ja ühendavad samaaegselt fosfaatrühmad kovalentsete sidemetega, mis on hädavajalik stabiilse üleminekuoleku (ensüümi) tekkeks. -substraadi kompleks). Nagu katalüüsi puhul, mida viivad läbi valgulised ensüümid, ribosüümid ja rünnatud substraat

(looduslikud või sünteetilised RNA molekulid) moodustavad ensüümi-substraadi kompleksi ja seejärel ensüümi-produkti kompleksi (vt joonis 146).

Splaissimismehhanismid: splaissosoom. (mRNA töötlemine eukarüootides)

Tuuma pre-mRNA-des võivad intronid olla kuni 20 000 nukleotiidi pikad. Seetõttu nõuab nende eemaldamine keerukamat mehhanismi kui iselõikamine (automaatne väljalõikamine). (Joon.12-13). Nukleotiidjärjestused nende molekulide intronite otstes on sarnased: 5'-otsad sisaldavad sageli dinukleotiidi (GU) GU ja 3"-otsas - dinukleotiid (AG) AG. Nende järjestustega seonduvad spetsiaalsete valkude molekulid, mis moodustavad kompleksi nn splaissing. Splaissosoomi põhikomponent on väikesed tuuma ribonukleoproteiinid ehk snRNP-d, mida leidub ainult tuumas ja mis on rikastatud uridiinijääkidega. Seetõttu nimetatakse väikeseid nRNA-sid sageli U1, U2 ...U6.

[Konichev, lk 292. Pre-mRNA splaissimisel

kõrgemates eukarüootides on kaasatud mitmed valgud, aga ka RNA eritüüp – väike tuuma RNA (snRNA). Väikestel tuuma-RNA-del on järjestused vahemikus 65 kuni 1000 või enam nukleotiidi (10S-90S), mis on rikkad uridüülnukleotiidide poolest ja seetõttu nimetatakse neid ka uRNA-deks (Ul, U2 jne). Pärmis on identifitseeritud 25 erinevat snRNA-d ja selgroogsetel 15. Küünistega konnadel Xenopus laevis osaleb ribosomaalsete RNA-de töötlemisel piirialadega seondudes mitmeid snRNA-sid (U3, U8, U14 ja U22). speisserite järjestustest (vt joonis 143). Väikesi tuuma-RNA-sid on leitud mitte ainult selgroogsetelt ja pärmseentelt, vaid ka putukatelt ja arhebakteritelt. Tõenäoliselt on tegemist väga iidse molekulide rühmaga. Kõigi asjakohaste uRNA-de nukleotiidjärjestus

eukarüootide arv langeb kokku rohkem kui 90%, mis kehtib eriti inimeste U1 ja Drosophila kohta. URNA struktuuri kõrge konservatiivsus näitab, et splaissimine on väga iidne protsess, mis sai alguse autosplissimisest (vt eespool) ja muutus splaissimiseks, mis hõlmas spetsiifilisi ribonukleoproteiini osakesi, snRNP-sid. snRNA geene transkribeerib RNA polümeraas II ja neil on genoomis erinev lokalisatsioon: mõned neist on diskreetsed sõltumatud geenid,

millel puuduvad intronid, samas kui teiste snRNA-de geenid asuvad valke kodeerivate geenide intronites. Seega on Xenopus U13 kodeeritud kolme ainulaadse järjestusega

kuumašokivalgu geenide intronites 5, 6 ja 8 ning geen U16 asub L1 ribosomaalse valgu intronis. Viimane asjaolu on oluline, kuna see näitab, et ribosoomivalkude rRNA töötlemist ja mRNA töötlemist saab koordineerida snRNA osalusel. Enamgi veel,

On oletatud, et snRNA-d võivad toimida RNA chaperonidena, osaledes RNA voltimises, st. aidates tal ruumis vajalikku struktuuri vastu võtta. Väikesed tuuma-RNA-d esinevad tuumas kompleksidena valkudega, mida nimetatakse väikesteks ribonukleoproteiini osakesteks (snRNP). SnRNP-de stabiilne komponent on fibrillariini valk, struktuurselt väga konservatiivne valk molekulmassiga 34 kDa, mis paikneb nukleoolides. Paljudest snRNP-dest koosnevat kompleksi, mis katalüüsib tuuma pro-mRNA-de splaissimist nimetatakse splaissingosoomid .]

On teada, et snRNA tüüp U 1 sisaldab nukleotiidjärjestust, mis on homoloogne introni 5" otsaga. Nende järjestuste paaritumisel tekib splaissing. Seejärel liitub sellega U2, U4, U5 ja U6 tüüpi snRNA, algab splaissimine. esimese rühma intronite puhul kaks ümberesterdamisreaktsiooni. Z"- intronis paiknev adeniini (A) hüdroksüülrühm interakteerub 5' splaissimiskohaga, lõigates RNA ahela. Seejärel moodustub mitu snRNP-d vahekompleksi ja algab teine ​​reaktsioon: introni vaba 5' ots on ühendatud adeniini jääk. Selle tulemusena moodustub lasso tüüpi iseloomulik silmusetaoline struktuur, mis sisaldab kauget introni. Seejärel ligeeritakse eksoni otsad ja snRNA kompleks vabastab transkripti .

[ Konichev, lk 294. Splaissingosoomi moodustavate erinevate snRNA-de interaktsioon splaissitud pre-mRNA-ga 5' ja 3' saitidel annab intronile silmusetaolise struktuuri. Samal ajal lähenevad eksoni otsad üksteisele, mida soodustab mittekanooniliste (muud kui Watson-Cricki paarid) vesiniksidemete moodustumine kahe guaniini vahel, mis sisalduvad 5' ja 3' splaissimiskohtades (vt joonis 148). ). Eksonite konvergents loob tingimused introni 3'-otsa rünnakuks 3'-otsa lähedal asuva adenüülnukleotiidi poolt. Fosfodiestersideme katkemise tulemusena eksoni 1 ja introni 5" otsa vahel interakteerub viimane adenüülnukleotiidiga ja intronis tekib lasso-tüüpi silmus (vt joonis 148_Konichev). , eksoni 1 vabanenud 3"-OH-ots lõikab 3" splaissimiskoha, lõikab introni ja ühendudes eksoniga 2, moodustab lõpuks küpse (splaissitud) mRNA molekuli ]

Vahetult pärast sünteesi ei oma primaarsed RNA transkriptid erinevatel põhjustel veel aktiivsust, on "ebaküpsed" ja seejärel läbivad rea muutusi, mida nimetatakse töötlemiseks. Eukarüootides töödeldakse igat tüüpi pre-RNA-d, prokarüootides töödeldakse ainult rRNA ja tRNA prekursoreid.

Messenger RNA prekursorite töötlemine

Valkude kohta informatsiooni kandvate DNA segmentide transkriptsiooni käigus tekivad heterogeensed tuuma RNA-d, mis on palju suuremad kui mRNA. Fakt on see, et geenide mosaiikstruktuuri tõttu sisaldavad need heterogeensed RNA-d informatiivseid ( eksonid) ja mitteinformatiivseid ( intronid) sektsioone.

1. Splaissimine splaiss- liimitakk) - spetsiaalne protsess, milles osalemisel väike tuuma RNA intronid eemaldatakse ja eksonid säilivad.

Splaissimise sündmuste jada

2. Korgistamine kork- kork) - esineb isegi transkriptsiooni ajal. Protsess seisneb pre-mRNA 5'-süsinik-N7-metüülguanosiini terminaalse nukleotiidi kinnitamises 5'-trifosfaadiga.

"Kork" on vajalik RNA molekuli kaitsmiseks 5' otsast töötavate eksonukleaaside eest, samuti mRNA sidumiseks ribosoomiga ja translatsiooni alustamiseks.

3. Polüadenüülimine- polüadenülaatpolümeraasi abil, kasutades ATP molekule, kinnitub RNA 3" otsa 100 kuni 200 adenüülnukleotiidi, moodustades polüadenüülfragmendi - polü(A) saba. Polü(A) saba on vajalik RNA kaitsmiseks. Eksonukleaaside RNA molekul, mis töötab 3" otsast.

Messenger RNA skemaatiline esitus pärast töötlemist

Ribosomaalse RNA prekursori töötlemine

rRNA prekursorid on suuremad molekulid kui küpsed rRNA-d. Nende küpsemine taandub preribosomaalse RNA lõikamisele väiksemateks vormideks, mis on juba otseselt seotud ribosoomi moodustumisega. Eukarüootides on nelja tüüpi rRNA-d 5S-, 5,8S-, 18S- ja 28S-rRNA. Samal ajal sünteesitakse 5S-rRNA eraldi ja suur preribosomaalne 45S-RNA lõhustatakse spetsiifiliste nukleaasid 5,8S-rRNA, 18S-rRNA ja 28S-rRNA moodustumisega.

Prokarüootidel on ribosomaalsed RNA molekulid oma omadustelt täiesti erinevad (5S-, 16S-, 23S-rRNA), mis on aluseks mitmete antibiootikumide leiutamisele ja kasutamisele meditsiinis.

Transfer RNA prekursori töötlemine

1. Nukleotiidide muutmine molekulis deamineerimise, metüülimise, redutseerimise teel.
Näiteks pseudouridiini ja dihüdrouridiini moodustumine.

Modifitseeritud uridüülnukleotiidide struktuur

2. Antikoodoni ahela moodustumine toimub splaissimise teel

RNA süntees (RNA transkriptsioon).

RNA struktuur.

Geneetilise materjali korraldus eukarüootides.

Geneetilise teabe salvestamise meetod

Geneetilise materjali organiseerimine. Genoomi funktsionaalsed piirkonnad.

Üldine teave geeniekspressiooni kohta.

1. Üldinfo geeniekspressiooni kohta

Nagu teate, sisaldab DNA teatud geneetilist teavet:

Kõigi keha valkude ja RNA struktuurist, samuti selle teabe realiseerimise järjekorrast erinevates rakkudes ontogeneesi protsessis ja erinevates funktsionaalsetes olekutes.

Kuna kõigis keha somaatilistes rakkudes on sama 46 kromosoomi komplekt, siis vaatamata tugevatele rakkudevahelistele erinevustele sisaldavad need kõik oma DNA-s sama geneetilist informatsiooni. (Mõned erandid on lümfotsüüdid, mille moodustumise käigus immunoglobuliini geenid ümber paigutatakse.)

DNA replikatsiooni käigus reprodutseeritakse kogu geneetiline informatsioon, et see edasi anda tütarrakkudele. Kuid lisaks sellele väljendub (teostatakse) see teave rakus, põhjustades kõik selle elutähtsa aktiivsuse ilmingud. Siiski ei väljendu kogu tuumas saadaolev geneetiline informatsioon, vaid ainult osa sellest.

Teabe väljendamine konkreetse valgu struktuuri kohta sisaldab kahte põhietappi:

a) Esimene neist on transkriptsioon: spetsiaalse vahendaja - messenger RNA (mRNA) - moodustumine raku tuumas vastaval geenil (asub ühes kromosoomidest).

Selle protsessi tähendus on valgu struktuuri puudutava teabe ümberkirjutamine tohutult liikumatult kandjalt (kromosoomis olev DNA) väikeseks mobiilseks kandjaks - mRNA-ks. Ligikaudu sama on olukord, kui üks neist kopeeritakse tuhandeid faile sisaldavalt arvuti kõvakettalt disketile. Seetõttu peavad erinevatest geenidest loetavad mRNA-d üksteisest erinema – nii nagu erinevad üksteisest ka geenid ise. Teine oluline asjaolu: õigem on geeni transkriptsiooni otseprodukti nimetada mRNA prekursoriks (pre-mRNA). Fakt on see, et äsja moodustunud mRNA läbib kohe (tuumas) küpsemise ehk töötlemise. Siiski tehakse selles olulisi muudatusi. Ja alles pärast seda siseneb küps mRNA tuumast tsütoplasmasse.

b) Teine geeniekspressiooni põhietapp on translatsioon: valgu süntees ribosoomidel vastavalt mRNA poolt dikteeritud programmile. Selle programmi põhiolemus on määrata kindlaks järjestus, milles aminohapped tuleks ehitatavasse peptiidahelasse kaasata. Pealegi osalevad protsessis mitte vabad, vaid aktiveeritud aminohapped: igaüks neist on seotud nn. ülekande-RNA (tRNA), st on aminoatsüül-tRNA (aa-tRNA) kujul. Igal 20 aminohappel on oma spetsiifiline tRNA vorm ja sagedamini isegi mitte üks, vaid mitu vormi.

Ribosoomid seevastu täidavad tõlkes molekulaarmasinate rolli, tagades osalejate õige interaktsiooni. Ribosoomi koostis sisaldab nelja molekuli, s.o. ribosomaalne RNA (rRNA) - üks molekul neljast rRNA tüübist. Ribosomaalsete valkudega ühinedes moodustavad nad ribosoomi kaks alaühikut ja täidavad neis struktuurseid ja võib-olla ka katalüütilisi funktsioone. Seega on translatsioonis kolm RNA klassi: mRNA, tRNA ja rRNA.

2. Geneetilise materjali organiseeritus. Genoomi funktsionaalsed jaotused

Geenid ja nende struktuur

Tegelikult salvestatakse teave valkude ja RNA struktuuri kohta DNA osadesse, mida nimetatakse geenideks ja tsistroniteks.

Gene on DNA osa, mis kodeerib ühte valku.

Tsistron sama DNA segment, mis kodeerib ühte polüpeptiidahelat.

Loomadel ja inimestel paiknevad tsistronid sageli erinevates kromosoomides ja neid nimetatakse tavaliselt ka geenideks. Lisaks kõikide kehavalkude geenidele sisaldavad kromosoomid ka RNA geene – nelja tüüpi ribosomaalset RNA-d ja mitukümmend transport-RNA-d.

Organismi pärilikku informatsiooni määravate geenide kogumit nimetatakse genoom.

Peaaegu kõigil eukarüootsetel geenidel (erinevalt prokarüootsetest geenidest) on iseloomulik tunnus: need ei sisalda mitte ainult kodeerivaid piirkondi - eksonid, aga ka mittekodeeriv - intronid. Eksonid ja intronid on omavahel põimitud, mis annab geenile omamoodi "katkise" struktuuri.

Intronite arv geenis varieerub 2-st mitmekümneni; müosiini geenis on neid umbes 50. Mõnikord moodustavad intronid kuni 90% geeni kogupikkusest.

Teised DNA jagunemised

Geenide vahel on ka mittekodeerivaid järjestusi - vahetükid. Vaatamata üldnimetusele võib nende funktsionaalne roll olla täiesti erinev.

a) Tundub, et paljud vahetükid mängivad struktuurilist rolli:

Osaleda nukleosomaalse ahela õiges voltimises kõrgemateks kromatiini struktuurideks,

Kromosoomide kinnitamisel tsentrioolide aparatuurile jne.

b) Teised DNA mittekodeerivad piirkonnad toimivad teatud valkude spetsiifiliste sidumislookustena:

Ensüümid, mis toimivad DNA-s

Valgud, mis täidavad reguleerivat funktsiooni.

Sel juhul nimetatakse RNA polümeraasi (ensüüm, mis sünteesib RNA-d DNA-l) seondumiskohti nn. promootorid. Need kas külgnevad tihedalt geeni (või geenirühma) algusega või on geenist eraldatud mõne muu funktsionaalse lookusega.

c) Eukarüootidel (ka inimestel) ei vii geenide "lugemise" reguleerimine läbi mitte ainult repressorproteiinide, vaid ka aktivaatorproteiinide – nn. transkriptsioonifaktorid.

Viimaste hulka kuuluvad juba mainitud üldised transkriptsioonifaktorid, mis on vajalikud RNA polümeraasi seondumiseks promootoriga. Need tegurid esinevad kõigis rakkudes ja on vajalikud mis tahes toimiva geeni "lugemiseks".

Teised transkriptsioonifaktorid suurendavad vaid teatud geenide aktiivsust ja selliseid tegureid siduvaid DNA lookusi nimetatakse nn. võimendajad.

d) Lõpuks võib DNA sisaldada lühikesi lookusi, mis toimivad terminatsioonisignaalidena ( lõpetamine) DNA transkriptsioon.

Lõpetavad piirkonnad, mis asuvad pärast geenide kutsumist terminaatorid.

3. Geneetilise teabe salvestamise viis

DNA ahelate funktsionaalne roll

Kaks DNA ahelat geenipiirkonnas on oma funktsionaalse rolli poolest põhimõtteliselt erinevad: üks neist on kodeerimine või semantiline, teine ​​- maatriks.

See tähendab, et geeni "lugemise" protsessis (transkriptsioon ehk pre-mRNA süntees) toimib matriitsina ainult üks – matriitsi – DNA ahel. Selle protsessi produkt, pre-mRNA, langeb nukleotiidjärjestuses kokku kodeeriva DNA ahelaga (tümiini aluste asendamisega uratsiili alustega).

Seega selgub, et DNA matriitsi väärtuse abil transkriptsiooni käigus reprodutseeritakse RNA struktuuris kodeeriva DNA ahela geneetiline informatsioon.

Joonistel on geen tavaliselt kujutatud nii, et kodeeriv ahel on peal; siis peaks vastavalt DNA pildistamise üldreeglile kodeeriva ahela 5'-ots asuma vasakul.

Info kodeerimisahela kohta kirjutatakse 5´→3´ suunas; seetõttu asub promootor geeni kodeeriva ahela 5'-otsas.Ja sama otsa peetakse kogu geeni 5'-otsaks (kuigi selle matriitsi ahelal on siin 3'-ots) .

Geneetilise koodi põhiomadused

Infoühik DNA kodeerivas ahelas on kolmik- kolmest nukleotiidist koosnev järjestus.

4 tüüpi nukleotiidid (leitud DNA-s) võivad moodustada 64 tüüpi kolmikuid. Neist 61 kolmikut on semantilised, see tähendab, et nad kodeerivad üht või teist 20 aminohappest ja 3 kolmikut on "mõttetud".

Nagu näete, on aminohappe kohta keskmiselt mitu semantilist kolmikut (tegelikkuses 1 kuni 6). Sel põhjusel nimetatakse geneetilist koodi degenereerunud. Kui see nii ei oleks, tooksid väga suure sagedusega juhuslikud punktmutatsioonid (mõnede nukleotiidide DNA-s asendused teiste vastu) kaasa "mõttetute" kolmikute ilmumise.

Samal ajal kood spetsiifiline: iga semantiline kolmik vastab ainult ühele aminohappele.

Valgu puudutav teave on see, et täielikus geenis (v.a intronid) kodeerib kolmikute lineaarne järjestus selle valgu primaarstruktuuris sarnast aminohapete lineaarset järjestust (suunas amiinist peptiidi karboksüülotsa). kett).

See osutub täiesti piisavaks, kuna valgu esmane struktuur määrab valgu molekuli ruumilise konfiguratsiooni, samuti selle füüsikalis-keemilised ja bioloogilised omadused.

Lineaarne vastavus geeni eksonites olevate kolmikute järjestuse ja peptiidahela aminohapete vahel on tähistatud kui kollineaarsus geneetiline kood.

Niisiis, geneetiline kood on kolmik. spetsiifiline, degenereerunud, kollineaarne ja pidev. Sellesse loendisse lisatakse tavaliselt mitmekülgsus: kõikvõimalikes organismides on iga kolmiku tähendus sama.

Geneetiline kood

Koodist rääkides oleme seni pidanud silmas DNA semantilist ahelat. Kuid sama, võttes arvesse tümiini (T) asendamist uratsiiliga (U), on sama nukleotiidjärjestus pre-mRNA-s.

Nimetatakse DNA kolmikutele vastavaid mRNA kolmikuid koodonid. Tõepoolest, just nemad:

Määratakse kindlaks aminohapete liitumise järjekord ribosoomil sünteesitud peptiidahelasse.

Ühe aminohappe koodonid erinevad ainult viimase (kolmanda) nukleotiidi poolest.

Struktuuriliselt sarnastes aminohapetes on koodonid ka üksteisega sarnased: need langevad kokku kahes nukleotiidis või ühes, kuid tsentraalses nukleotiidis.

4. GENEETILISE MATERJALI KORRALDUS EUKARYOOTIDES

Mitmete valkude ja RNA geenid

Paljude eukarüootsete geenide üheks eristavaks tunnuseks on mittekodeerivate piirkondade - intronite - olemasolu nende koostises.

Veel üks omadus on see, et koos unikaalsete geenidega (mida haploidses genoomis esindab üks arv koopiaid) esineb korduvalt korduvaid geene.

Nende kahe omaduse illustreerimiseks kaaluge mõnda konkreetset geeni:

Histooni geenid

Histoonid- aluselised (happe-aluse omaduste järgi) valgud, mis osalevad kromatiini nukleosomaalse struktuuri moodustamises. Kõiki nende viit tüüpi valke (HI, H2A, H2B, H3 ja H4) kodeerib vastav geen.

Ribosomaalsed RNA geenid

Ribosoomid sisaldavad nelja tüüpi rRNA-d. Need RNA-d erinevad settimiskonstandi poolest.

Paljud valgud mõjutavad geenide talitlust.

Üldised transkriptsioonifaktorid

Üldised transkriptsioonifaktorid on need transkriptsioonifaktorid, mis on vajalikud RNA polümeraasi seondumiseks promootoriga ja nad ise ka interakteeruvad promootoriga.

p53 valk transkriptsioonifaktorina

Juba avastatud transkriptsioonifaktorite hulgast on p53 valk ilmselt tuntuim. Selle põhjuseks on asjaolu, et see juhib äärmiselt olulisi rakulisi protsesse ja osaleb seetõttu paljudes erinevates regulatsiooniahelates.

funktsionaalne roll.

Valk p53 (või selle geen) aktiveeritakse vastusena mitmesugustele rakustruktuuri kahjustustele:

parandamata purunemised ja muud DNA kahjustused,

kromosoomide lahknemise rikkumine mitoosis,

Mikrotuubulite hävitamine jne.

Selle tulemusena reageerib rakk valgu p53 vahendusel oma struktuuri kahjustustele

See püsib mitootilise tsükli ühes või teises etapis ja parandab need kahjustused;

Või (kui parandused on võimatud) lõpetab see täielikult jagunemise ja siseneb rakkude vananemise protsessi;

Või (kahjustatud raku võimaliku ohuga oma keskkonnale) viib ta läbi apoptoosi, st lihtsalt öeldes enesetapu.

Eelkõige muunduvad kasvajad muu hulgas apoptoosi läbivad rakud. Sellega seoses on selge, miks angiogenees on samaaegselt pärsitud: see on veel üks viis kasvaja kasvu piiramiseks.

Seetõttu on p53 valk üks olulisemaid kasvaja supressoreid. Enamikus arenevates kasvajates on p53 valgu funktsioonid ühel või teisel viisil häiritud.

5. RNA STRUKTUUR

Kõik transkriptsioonifaktorid, nagu ka transkriptsioon ise, on loodud pakkuma ainult ühte asja - RNA moodustumist soovitud kiirusega kromosoomide teatud osades.

RNA struktuuri üldplaan

Nagu DNA, on RNA-d lineaarsed (st hargnemata) polünukleotiidid, millel on sama korralduspõhimõte:

Need koosnevad nelja tüüpi nukleotiididest, millest igaüks sisaldab lämmastikku sisaldavat alust, pentoosi ja fosfaadi jääki;

Nukleotiidid seotakse ahelaks 5',3'-fosfodiestersidemete kaudu;

Polünukleotiidahelad on polaarsed, see tähendab, et neil on eristatavad 5 "ja 3" otsad.

Kuid on ka erinevusi DNA-st. Peamine on see, et RNA molekulid (v.a mõnede viiruste RNA) ei ole kaheahelalised, vaid üheahelalised. Põhjuseks on järgmised kolm põhistruktuuri tunnust.

a) Esiteks ei ole RNA-s pentoos desoksüriboos, vaid riboos, mis sisaldab täiendavat hüdroksüülrühma. Viimane muudab kaheahelalise struktuuri vähem kompaktseks.

b) Teiseks, nelja peamise ehk peamise lämmastikaluse hulgas on tümiini asemel uratsiil, mis erineb tümiinist vaid 5. positsioonil oleva metüülrühma puudumise tõttu.

6. RNA SÜNTEES (DNA TRANSKRIPTSIOON)

Transkriptsiooni üldised omadused

Erinevalt DNA replikatsioonist toimub DNA transkriptsioon praktiliselt kõigis tuumaga rakkudes, nii jagunevates kui ka mittejagunevates.

Veelgi enam, jagunevates rakkudes toimub see mitootilise tsükli igal hetkel, välja arvatud replikatsiooniperiood (eukarüootides) ja tegelik jagunemine.

Pealegi saab mis tahes DNA lõigu transkriptsiooni läbi viia mitte ainult peaaegu igal tsükli hetkel, vaid ka mitu korda - meelevaldselt mitu korda. Teisest küljest muutub rakus transkribeeritud piirkondade kogum sageli erinevate tegurite mõjul.

Protsessi ensümaatiline tugi toimub RNA polümeraasi abil. Eukarüootidel on seda ensüümi kolme tüüpi:

RNA polümeraas I – pre-rRNA sünteesiks.

RNA polümeraas II – pre-mRNA sünteesiks ja

RNA polümeraas III – tRNA-eelseks sünteesiks

Ensüüm roomab mööda DNA-d ja katalüüsib DNA matriitsi ahela nukleotiididega komplementaarsete ribonukleotiidide järjestikust liitumist kasvavasse ahelasse.

Teine sarnasus DNA sünteesiga on ehitatava ahela kasvusuunas – 5´→3´. See tähendab, et selles ahelas on järgmised nukleotiidid kinnitatud 3-tollise otsa külge.

Nagu kõigi matriitsi sünteeside puhul, on ehitatav ahel DNA matriitsi ahelaga paralleelne. Seetõttu transkribeerib ensüüm viimast 3´→5´ suunas.

Kuid DNA sünteesil on põhimõttelisi erinevusi.

a) Protsessi asümmeetria: nagu me teame, kasutatakse mallina ainult ühte DNA ahelat. Ei ole täiesti selge, kuidas ensüümsüsteem teeb soovitud ahela õige valiku. Ilmselt mängivad siin võtmerolli mõned süsteemi poolt äratuntud nukleotiidjärjestused ühes ahelas.

b) Konservatiivne protsess: pärast RNA sünteesi lõppemist naaseb DNA molekul algsesse olekusse. DNA sünteesimisel uuenevad molekulid pooleldi, mis muudab replikatsiooni poolkonservatiivseks.

c) Lõpuks ei vaja RNA sünteesi alustamiseks ühtegi praimerit, samas kui DNA replikatsiooniks on vaja RNA praimerit.

Transkriptsiooni mehhanism

Transkriptsiooni algatamine

Esimene ja võib-olla kõige olulisem transkriptsiooni etapp on selle initsiatsioon: RNA polümeraasi seondumine promootoriga ja esimese nukleotiidsideme moodustumine.

Oleme juba rääkinud RNA polümeraasi sidumisest rohkem kui üks kord, nii et nüüd tuletame meelde ainult põhipunkte (koos mõne teabe lisamisega).

Eukarüootides nõuab alati eelnevat seondumist kogu tavaliste transkriptsioonifaktorite valkude komplekti promootoriga koos kompleksi moodustumisega. Seondudes promootoriga, põhjustab RNA polümeraas lokaalset DNA denaturatsiooni, st DNA ahelate eraldumist umbes 1,5 DNA pöörde ulatuses. Nagu öeldakse, moodustub transkriptsiooniline "silm". Tänu sellele muutuvad matriitsi DNA ahela nukleotiidid "silma" piirkonnas kättesaadavaks RNTF-iga (ribonukleosiidtrifosfaat) sidumiseks.

Esimene RNA ahel, mis ehitatakse, on alati puriini nukleotiid – ATP või GTP ning selle kõik kolm fosfaadijääki säilivad.

Seejärel moodustub esimene 5",3"-fosfaatside teise nukleotiidiga.

Transkriptsiooni pikenemine

Järgmine etapp pärast initsiatsiooni on pikenemine: kasvava pre-RNA ahela järkjärguline pikenemine lõpliku suuruseni.

See juhtub siis, kui RNA polümeraas liigub mööda DNA-d. Vastavalt liigub ka transkriptsioon “silm”, st lokaalse DNA lahtikerimise koht. DNA transkribeeritud osas taastatakse kaheahelaline spiraalne struktuur kohe pärast RNA polümeraasi lahkumist.

Ensüümide liikumise ja RNA sünteesi ligikaudne kiirus on 30 nukleotiidi sekundis.

Transkriptsiooni lõpetamine

Viimane samm on lõpetamine ehk transkriptsiooni lõpp.

Signaali selleks annavad spetsiaalsed HC-rikkad piirkonnad geenide lõpus. Kuna GC paaride vaheline interaktsiooni jõud on üsna suur, on selliste DNA piirkondade lokaalne denatureerimine keerulisem. See aeglustab RNA polümeraasi edenemist ja võib olla signaalina selle transkriptsiooni peatamiseks.

Kuid isegi enne protsessi lõppu on äsja sünteesitud RNA lõppu aega ilmuda ka GC-rikkal piirkonnal. Oma nukleotiidide vastasmõju kaudu moodustab see "juuksenõela".

See tähendab, et interaktsioonid DNA matriitsi ahela nukleotiididega asendatakse "juuksenõelasiseste" interaktsioonidega. See hõlbustab RNA eraldumist DNA-st.

7. RNA KÄGENDAMINE (TÖÖTLEMINE).

Peaaegu kõik RNA küpsemisprotsessid võib jagada kolme tüüpi:

Ühe eemaldamine,

Ühinemine teistega ja

Sama või kolmanda nukleotiidi muutmine.

"Liigsete" järjestuste eemaldamine

üldkirjeldus

"Ekstra" nukleotiidide eemaldamine toimub spetsiaalsete nukleaaside abil. Eksonukleaasid lõikavad järjestikku ühe nukleotiidi ahela konkreetsest otsast (3' või 5'). Ja endonukleaasid lõikavad ahela kuskilt keskmistest osadest, mis viib selle killustumiseni.

Mehhanism, splaissimine

Vaadeldava mehhanismi üks võtmepunkte on RNA-eelse ahela lõikamise täpsuse tagamine: isegi ühe nukleotiidi viga viib "kaadri nihkeni", mis muudab kõigi mRNA koodonite või tRNA antikoodoni tähendust. .

Täpsus saavutatakse kahel asjaolul:

Esiteks on iga introni alguses ja lõpus teatud nukleotiidide järjestused: näiteks algavad intronid alati tähega G-U ja lõpevad A-G dubletiga.

Teiseks, nende järjestuste äratundmiseks eriline RNA, nn. väikesed tuuma-RNA-d (snRNA-d). Viimased on seotud ensüümidega, mis katalüüsivad splaissimist. Selliseid ribonukleoproteiini komplekse nimetatakse spliosoomideks.

Splaissimine algab kahe snRNA interaktsioonist introni alguse ja lõpuga. See annab endonukleaasile "orientatsiooni": viimane toimib kahe- ja üheahelaliste piirkondade piiridel.

Esimene pre-RNA katkestus toimub introni 5' otsa piirkonnas, mis on vasakpoolse snRNA vasaku serva asukoht. Sel juhul seostub introni 5' ots sama introni keskosas ühe nukleotiidiga, mis viib tsüklistruktuuri moodustumiseni.

Nukleotiidide kinnitamine ja muutmine

Niisiis kaotab viimane RNA-eelse küpsemise protsessis olulise osa nukleotiididest. Kuid esineb ka üksikute nukleotiidide mittetranskriptsioonilist kinnitumist.

Pre-mRNA puhul lisatakse 5'-otsast 7-metüülguanüülnukleotiid, "cap" komponent (kasutades polünukleotiidide jaoks ebatüüpilist pürofosfaatsidet) ja 3'-otsast polü(A). ) ligikaudu 200 nukleotiidist koosnevat fragmenti suurendatakse nukleotiidide kaupa. Selleks kasutatakse spetsiaalseid ensüüme; eelkõige polü(A) - polüadenülaatpolümeraasi fragmendi moodustamiseks.

Pre-tRNA puhul lisatakse 3'-otsast kordamööda kolm nukleotiidi, C, C ja A, moodustades aktseptorharu.

rRNA töötlemine: primaarse transkripti lõikamine, metüülimine, splaissimine. Eukarüootides sünteesitakse kõik rRNA-d ühe transkripti osana. Ekso- ja endonukleaasid lõikavad selle küpseteks sRNA-deks. Eelkäija sisaldab 18, 5,8, 28S rRNA-d ja seda nimetatakse 45S RNA-ks. rRNA töötlemine nõuab snRNA osalemist. Mõnes organismis sisaldab 28S RNA prekursor inserte/intranse, mis töötlemise tulemusena eemaldatakse ja RNA fragmendid liidetakse splaissimise tulemusena.

Upprokarüootne rRNA prekursor sisaldab 16, 23, 5S rRNA-d + mitut tRNA prekursorit. 3 ja 5' otsad on kokku viidud komplementaarsete külgnevate aluspaaridega. Seda struktuuri lõhustab RNaas III. Ülejäänud ribonukleotiidid lõigatakse ära eksonukleaaside/kärpimise teel. tRNA 5'-otsa töötleb RNaas ja 3'-otsa töötleb RNaas D. tRNA nukleotidüültransferaas lõpetab CCA saba.

Eukarüootides sisaldab tRNA prekursor introni, see ei ole piiratud konserveerunud järjestustega ja on sisse ehitatud antikoodoni ahelasse. Nõuab intronite eemaldamist ja splaissimist. Splaissimine põhineb tRNA sekundaarstruktuuri äratundmisel ja eeldab ensüümide osalemist nukleaasi (RNA lõheneb mõlemalt poolt ekson-introni piiril) ja ligaasi (vabade 3- ja 5'-koonuste ristsidumine) aktiivsusega. Vabanemisel voldib intronatRNA oma normaalsesse struktuuri.

mRNA töötlemine. 5' otsa muutmine (korkimine). 3'-otsa modifikatsioon (polüadenüülimine). Primaarsete mRNA transkriptide splaissimine, splaissosoom. Automaatne splaissimine. Alternatiivne splaissimine.

Eel-mRNA töötlemine Eukarüoot koosneb mitmest etapist:

1. Eriti pikkade otsajadade katkestamine.

2. Kinnitus CEP järjestuse 5'-otsa, milles on tingimata olemas 7-metüülguanosiin, millest CEP algab. Järgmine on 1-3 metüülitud ribonukleotiidi. Eeldatakse, et CEP on vajalik mRNA stabiliseerimiseks, takistades selle lõhustumist 5'-eksonukleaaside poolt, ning selle tunneb ära ka ribosoom. CEP-i moodustumine võimaldab splaissimist.

3. Intronite väljalõikamine ja eksonite splaissimine.

Reeglina hõlmab splaissimine spetsiaalseid ribonukleoproteiini osakesi (RNP-sid) – väikeseid tuuma-RNP-sid (snRNP-sid), mis hõlmavad uratsiilirikkaid snRNA-sid, tähisega U1-U6 (mida mõnikord nimetatakse ribosüümideks) ja arvukalt valke. Need RNP osakesed intronite ja eksonite liitumiskohtades moodustavad funktsionaalse kompleksi, mida nimetatakse splaissosoomid(splaissoomid). U-osakeste ülesanne on tuvastada splaissimise kohti. Eelkõige tunneb kasutajaliides ära 5' splaissimiskoha ja U2 tunneb ära 3' splaissimiskoha. Sel juhul toimub nende kohtade ja U1 ja U2 osakeste RNA vastavate järjestuste vahel komplementaarne interaktsioon ja konvergents. Seega toimub introni silmus. Naabruses asuvad eksonid puutuvad üksteisega kokku üksikuid eksoneid ära tundvate tegurite vastastikuse mõju tulemusena.

Mõned intronid eemaldatakse koos automaatne splaissimine, mis ei nõua muid lisakomponente peale pre-mRNA-de endi. Esimeseks sammuks on fosfodiesterside katkestamine introni 5'-asendis, mille tulemusena eraldub ekson 1 intronit sisaldavast RNA molekulist ja ekson 2, mis asub introni 3'-otsast ülesvoolu. Imetajarakkudes sisaldab hargnemiskoht konserveerunud järjestust, selle järjestuse võtme-A-nukleotiid asub positsioonis 18–28 bp introni 3'-otsast ülesvoolu. Pärmis on see järjestus UACUAAC. Intron eemaldatakse lasso kujul.

Mõnel juhul ei muudeta kõiki eksoneid aminohappejärjestusteks. Selle tulemusena loetakse ühest geenist mitu mRNA-d - alternatiivne splaissimine. Lisaks võib alternatiivsete promootorite ja terminaatorite kasutamine muuta transkripti 5' ja 3' otsa.

4. Nukleotiidide lisamine 150-200 adenüülnukleotiidist koosneva järjestuse 3'-otsa, mis viiakse läbi spetsiaalsete polü(A)-polümeraaside abil.

5. Aluste muutmine ärakirjas. Väga sageli toimuvad pre-mRNA küpsemise ajal mõne aluse keemilised transformatsioonid, näiteks ühe lämmastikualuse muundumine teiseks (C-st U-ks või vastupidi).

Seega tekivad transkriptsiooni tulemusena ribonukleiinhapped. Seega tagavad nukleiinhapped raku elutegevuse säilimise, säilitades ja väljendades geneetilist informatsiooni, määrates valkude biosünteesi ning omandades organismi poolt teatud tunnused ja funktsioonid.

Bakterirakkudes kinnituvad ribosoomid valmis mRNA piirkonna külge, mis hakkab maatriksist eralduma ja alustab kohe valgusünteesi. Seega moodustub ühtne transkriptsiooni-translatsioonikompleks, mida saab tuvastada elektronmikroskoobi abil.

RNA süntees eukarüootides toimub tuumas ja on ruumiliselt eraldatud valgusünteesi kohast – tsütoplasmast. Eukarüootides kondenseerub äsja sünteesitud RNA koheselt, moodustades palju külgnevaid valke sisaldavaid osakesi. Need osakesed sisaldavad ligikaudu 5000 nukleotiidi pikkust RNA-d, mille niit on keritud ümber valgu karkassi, moodustades seega heterogeensed tuuma ribonukleoproteiini kompleksid (nRNP-d). Need on heterogeensed, kuna neil on erinevad suurused. Mõned neist kompleksidest on splaissemosoomid ja osalevad premRNA inronide eemaldamises ja splaissimise eksonites.

Pärast töötlemist tunnevad küpsed eukarüootsed mRNA molekulid ära retseptorproteiinide poolt (mis sisalduvad tuumapoorides), mis hõlbustavad mRNA liikumist tsütoplasmasse. Samal ajal ei lahku hnRNP-d moodustavad peamised valgud kunagi tuumast ja libisevad tuumapooride kaudu liikudes mRNA-lt maha.

Tsütoplasmas ühineb mRNA taas valkudega, kuid juba tsütoplasmaatiliste valkudega, moodustades mRNP-sid. Samal ajal tuvastatakse vabad mRNP osakesed (tsütoplasmaatilised informosoomid), aga ka polüsoomidega (ribosoomide kompleksid) seotud mRNP-d (polüsomaalsed informosoomid). Polüsoomidega seotud miRNA-sid transleeritakse aktiivselt. Informosoomidega seotud valgud tagavad mRNA säilitamise tsütoplasmas transleerimata asendis. mRNA üleminekuga polüsoomidele kaasneb valkude muutumine – repressorvalkude lõhustamine või modifitseerimine ja aktivaatorvalkude seondumine. Seega on eukarüootsetes rakkudes mRNA alati kompleksis valkudega, mis tagavad mRNA aktiivsuse säilitamise, transpordi ja reguleerimise.