Процесинг пре мрнк включає. Новосинтезовані рНК ще неактивні. Процесинг попередника матричної РНК

Процесинг- Це етап формування функціонально активних молекул РНК з первісних транскриптів. Процесинг розглядають як посттранскрипційні модифікації РНК, характерні для еукаріотів. (У прокаріотів процеси транскрипції та трансляції іРНК йдуть майже одночасно. Цей тип РНК у них процесингу не зазнає.)

В результаті процесингу первинні транскрипти РНК перетворюються на зрілі РНК. Оскільки є кілька різних типів РНК, то кожного з них характерні свої модифікації.

Процесинг інформаційної (матричної) РНК

На ділянках ДНК, що кодують структуру білка, утворюється попередник інформаційної (матричної) РНК (пре-іРНК). ПреіРНК копіює всю нуклеотидну послідовність ДНК від промотору до термінатора транскриптона. Тобто вона включає кінцеві нетрансльовані області (5" та 3"), інтрони та екзони.

Процесинг пре-іРНК включає у собі кепіювання, поліаденілювання, сплайсинга також деякі інші процеси (метилювання, редагування).

Кепіювання- це приєднання 7-метил-ГТФ (7-метилгуанозинтрифосфат) до 5"-кінця РНК, а також метилювання рибози двох перших нуклеотидів.

В результаті утворюється так звана шапка (кеп). Функція кепа пов'язана з ініціацією трансляції. Завдяки йому початкова ділянка іРНК прикріплюється до рибосоми. Також кеп захищає транскрипт від руйнівної дії рибонуклеазу і виконують ряд функцій у сплайсингу.

В результаті поліаденілуваннядо 3"-кінцю РНК приєднується поліаденіловий ділянку (полі-А) довжиною приблизно 100-200 нуклеотидів (що містять аденін). Дані реакції забезпечує фермент полі-А-полімераза. Сигналом до поліаденілювання служить послідовність AAUAAACA на 3"-кінці. У місці CA відбувається розрізання молекули іРНК.

Полі-А захищає молекулу РНК від ферментативного розпаду.

Кепування та поліаденілювання відбуваються ще на етапі транскрипції. Кеп утворюється відразу після вивільнення з РНК-полімерази 5"-кінця РНК, що синтезується, а полі-А утворюється відразу після термінації транскрипції.

Сплайсингє вирізання інтронів і з'єднання екзонів. Екзони можуть з'єднуватися по-різному. Таким чином, з одного транскрипту можуть утворюватися різні іРНК. У сплайсингу інформаційної РНК беруть участь малі ядерні РНК, які мають ділянки, комплементарні кінцям інтронів та зв'язуються з ними. Крім мяРНК у сплайсингу беруть участь різні білки. Всі разом (білки та мяРНК) формують нуклеопротеїдний комплекс. сплайсосому.

Після процесингу іРНК стає коротшим за свого попередника іноді в десятки разів.

Процесинг інших видів РНК

При процесингу молекул рибосомальних та транспортних РНК не відбувається кепування та поліаденілювання. Модифікації даних видів РНК відбуваються у еукаріотів, а й у прокаріотів.

Три види рибосомальної РНК еукаріотів утворюються в результаті розщеплення одного транскрипта (45S-РНК).

Процесинг ряду транспортних РНК може включати розщеплення одного транскрипта, інші тРНК виходять без розщеплення. Особливістю процесингу тРНК є те, що молекула РНК проходить довгий ланцюг модифікацій нуклеотидів: метилювання, дезамінування та ін.

Процесинг у еукаріотів торкається всіх видів первинних транскриптів еукаріотичних генів.

Процесинг у еукаріотів

Кепіюванняє утворенням на 5"-кінці мРНК особливої ​​структури - кепа (шапочки). Кепування відбувається ще до повного завершення транскрипції і захищає 5"-кінець РНК від дії нуклеаз. Кепіювання РНК здійснюється за участю GTP(гуанозінтріфосфату), зі складу якого GMP переноситься на 5"-дифосфат першого нуклеотиду мРНК.

Поліаденілюванняздійснюється, ферментом полі(А)-полімеразою і призводить до утворення на З"-кінці оліго(А)-фрагменту, що містить 100 - 200 залишків аденілової кислоти підряд і званого також «полі(А)-хвостом». Ця полі (А) -Послідовність додається до РНК після приєднання кепа. Спочатку 3"-кінець РНК відщеплюється ферментами в точці, що віддаляється на 10-35 рибонуклеотидів від консервативної послідовності ААUААА, а потім відбувається поліаденілювання цього кінця молекули РНК. Полі(А)-хвіст знаходять практично у всіх мРНКеукаріотичних організмів, за винятком. Послідовність ААUААА зустрічається не у всіх еукаріотичних РНК-транскриптах. Очевидно, це пов'язано з мутаціями, що перешкоджають поліаденілювання. За відсутності 3"- хвоста РНК-транскрипти швидко деградують під дією ферментів.

Т.ч. 5"-кеп та 3"-хвіст надзвичайно важливі для подальшого процесингу та транспортування мРНК у цитоплазму. Полі(А)-хвіст визначає стабільність мРНК та час її життя у клітині. Крім того, сприяє виходу мРНК з ядра в цитоплазму, а також суттєвий для регулювання трансляції.

Механізми сплайсингу: автокаталіз РНК (Клаг, 400)

Для різних типів ядерної РНК, а також для РНК МТХ і ХЛП існують свої власні механізми сплайсингу.

Залежно від специфічності механізму сплайсингу, інтрони можна розділити на кілька груп. До першої групивідносяться інтрони, що входять до складу первинного рРНК-транскрипта, видалення яких не потрібно додаткових компонентів. Ці інтрони самі мають ферментативну активність, необхідну для їх вирізання. Вперше цей факт був виявлений в 1982 р. (Томас Чех із співр.) у джгутикового найпростішого тетрахімени (Tetrachymena). Через автокаталітичні властивості самосплайсуються РНК іноді називають рибозимами .

Процес самовирізування (автоесцізія) (рис. 145_Коничев)

(рис.12-12, Клаг) є дві нуклеофільні реакції, або реакції трансетерифікації, у яких гуанозин взаємодіє з первинним ітранскриптом та діє як кофактор. При цьому З"-гідроксильна група гуанозину переноситься на нуклеотид, що примикає до 5"-кінцю інтрону. У другій реакції ця гідроксильна група взаємодіє з фосфатною групою на З"-кінці правого інтрону, в результаті інтрон вирізується, а кінці двох сусідніх екзонів з'єднуються з утворенням зрілої мРНК.

Інтрон 26S рРНК тетрахімени - IVS складається з 413 нуклеотидів. В результаті реакції трансетерифікації без додаткових витрат енергії здійснюється лігування двох екзонів із заснуванням зрілої 26S рРНК. Вирізаний інтрон потім циклізується. З його складу шляхом двоетапного ауторозщеплення звільняється фрагмент, що містить 19 нуклеотидів, внаслідок чого утворюючи РНК довжиною 376 нуклеотидів (L -19 IVS), яка і є істинним РНК-ферментом. (рибозим), що володіє каталітичними властивостями. Цей рибозим має стійку структуру, має ендонуклеазну активність, розщеплюючи довгі одноланцюгові РНК, і виявляє специфічність, розпізнаючи у складі атакованого субстрату тетрануклеотиди CUCU . У структурі інтронів типу Iвиявлено характерні внутрішні олигопуриновые послідовності (у тетрахімени це послідовність GGAGGG), звані адапторними послідовностями , що беруть участь у освіті активного центру РНК-ферментів та виконують найважливішу роль у каталітичному розщепленні РНК.

Таке самовирізування інтронів притаманно пре-рРНК інших найпростіших. Цей механізм, мабуть, діє і при видаленні інтронів з первинних транскриптів іРНК та тРНК мітохондріях та хлоропластах, які відносяться до групі II.

Для вирізування інтронів другої групитакож необхідні дві автокаталітичні реакції, але гуанозин не потрібний.

Подальші дослідження дозволили встановити, що каталітичну активність мають не лише великі РНК (~400 нуклеотидів у тетрахімени і РНКази Р), але й короткі 13-20-членові олігонуклеотиди, які можуть бути синтезовані in vitro. Такі рибозими стали називати мінімами . Одна з детально досліджених моделей функціонування таких рибозимів отримала назву «Головка молотка »(Рис. 146). Третинна структура «головки молотка» стабілізується іонами двовалентних металів, які нейтралізують негативно заряджені атоми кисню фосфодіефірних зв'язків і одночасно з'єднують фосфатні групи ковалентними зв'язками, що є істотним для утворення стабільного перехідного стану (фермент-субстратного комплексу). Як і у випадку каталізу, що здійснюється ферментами білкової природи, рибозими та атакований субстрат

(природні чи синтетично отримані молекули РНК) утворюють фермент-субстратний комплекс, та був - фермент-продуктный комплекс (див. рис. 146).

Механізми сплайсингу: сплайсосома. (Процесинг мРНК у еукаріотів)

У ядерних пре-мРНК інтрони можуть досягати завдовжки 20 000 нуклеотидів. Тому їх видалення вимагає складнішого механізму, ніж самовирізування (автоексцизія). (Рис.12-13). Нуклеотидні послідовності на кінцях інтронів у цих молекулах подібні: на 5"-кінцях часто знаходиться динуклеотид (GU)ГУ, а на З"-кінці - динуклеотид (AG)АГ. З цими послідовностями зв'язуються молекули спеціальних білків, які формують комплекс, званий сплайсомою. Основний компонент сплайсосом малі ядерні рибонуклеопротеїни, або м'яРНП, які знайдені лише в ядрі та збагачені залишками урідину. Тому малі ядРНК часто позначають U1, U2 … U6.

[Коничів, с.292.У сплайсингу пре-мРНК

у вищих еукаріотів задіяний ряд білків, а також РНК особливого виду - малі ядерні РНК (мяРНК). Малі ядерні РНК мають послідовності протяжністю від 65 до 1000 і більше нуклеотидів (10S -90S), багаті на уридилові нуклеотиди, і тому називаються також uPHK (Ul, U2 і т.д.). У дріжджів виявлено 25 різних мяРНК, у хребетних тварин - 15. У шпорцевих жаб Xenopus laevis ряд мяРНК (U3, U8, U14 та U22) беруть участь у процесингу рибосомальних РНК, зв'язуючись з прикордонними ділянками спейсерних послідовностей (см3). Малі ядерні РНК виявлені у хребетних тварин і дріжджів, а й у комах і архібактерій. Вони є, мабуть, дуже давню групу молекул. Нуклеотидна послідовність усіх відповідних uPHK

еукаріот збігається більш ніж на 90%, що, зокрема, відноситься до U1 людини та дрозофіли. Високий консерватизм структури uPHK говорить про те, що сплайсинг є дуже древнім процесом, що розпочався з аутосплайсингу (див. вище) і трансформувався в сплайсинг за участю особливих рибонуклеопротеїдних частинок - мяРНП. Гени мяРНК транскрибуються РНК-полімеразою II і мають різну локалізацію в геномі: частина з них є дискретними незалежними генами,

які мають інтронів, тоді як гени інших мяРНК розташовуються всередині інтронів генів, що кодують білки. Так, у Xenopus U13 кодується трьома унікальними послідовностями, що знаходяться

в інтронах 5, 6 та 8 генів білків теплового шоку, а ген U16 знаходиться всередині інтрону рибосомального білка L1. Остання обставина має важливе значення, тому що показує, що процесинг рРНК та процесинг мРНК білків рибосом може бути скоординований за участю мяРНК. Крім того,

припускають, що мяРНК здатні служити РНК-шаперонами, беручи участь у фолдінгерРНК, тобто. допомагаючи їй прийняти необхідну структуру у просторі. Малі ядерні РНК присутні в ядрах в комплексах з білками, що отримали назву маліерибонуклеопротеїнові частки (м'яРНП). Стабільним компонентом мяРНП є білок фібриларин – дуже консервативний за структурою білок з молекулярною масою 34 кДа, локалізований у ядерцях. Комплекс, що складається з безлічі мяРНП, який каталізує сплайсинг ядерних про-мРНК, має назву сплайсингосоми .]

Відомо, мяРНК типу U 1, містить нуклеотидну послідовність, гомологічну 5"-кінцю інтрону. Спарювання цих послідовностей дає початок сплайсоме. Потім до неї приєднується мяРНК типу U2, U4, U5 і U6 починається сплайсинг. реакції трансетерифікації. З"-гідроксильна група аденіну (А), локалізованого в інтроні, взаємодіє з 5"-сайтом сплайсингу, розрізаючи ланцюг РНК. Потім кілька мяРНП формують проміжний комплекс і починається друга реакція: вільний 5"-кінець інтрону з'єднується із залишком аденіну. В результаті формується характерна петлеподібна структура типу ласо, що містить віддалений інтрон. Потім кінці екзонів лігують і комплекс мяРНК звільняє транскрипт. .

[ Конічев, с.294. Взаємодія різних мяРНК, що входять до складу сплайсингосоми, зі сплайсованої премРНК в 5 "- і З"-сайтах повідомляє інтрону петлеподібну структуру. При цьому зближуються кінці екзонів, чому сприяє утворення неканонічних (відмінних від уотсон-криковських пар) водневих зв'язків між двома гуанінами, що містяться в 5"- і З"-сайтах сплайсингу (див. рис. 148). Зближення екзонів створює умову для атаки З"-кінця інтрону аденіловим нуклеотидом, розташованим поблизу З"-кінця. В результаті розриву фосфодіефірного зв'язку між екзоном 1 і 5"-кінцем інтрону останній взаємодіє з аденіловим нуклеотидом і утворенням в інтроні петлі типу «лассо» (див. рис. 148_Коничев). Після цього звільнений З"-ОН-кінець екзону 1 "-Сайт сплайсингу, вищеплює інтрон і, з'єднуючись з екзоном 2, утворює в результаті зрілу (сплайсовану) молекулу мРНК ]

Відразу після синтезу первинні транскрипти РНК з різних причин ще не мають активності, є "незрілими" і надалі зазнають ряду змін, які називаються процесингом. У еукаріотів процесингу піддаються всі види пре-РНК, у прокаріотів - тільки попередники рРНК і тРНК.

Процесинг попередника матричної РНК

При транскрипції ділянок ДНК, що несуть інформацію про білки, утворюються гетерогенні ядерні РНК, що за розміром набагато перевершують мРНК. Справа в тому, що через мозаїчну структуру генів ці гетерогенні РНК включають інформативні (екзони) і неінформативні (інтрони) ділянки.

1. Сплайсінг (англ. splice– склеювати встик) – особливий процес, у якому за участю малих ядерних РНКвідбувається видалення інтронів та збереження екзонів.

Послідовність подій сплайсингу

2. Кепіювання (англ. cap– шапка) – відбувається ще під час транскрипції. Процес полягає у приєднанні до 5"-трифосфату кінцевого нуклеотиду пре-мРНК 5"-вуглецю N 7 -метил-гуанозину.

"Кеп" необхідний для захисту молекули РНК від екзонуклеаз, що працюють з 5"-кінця, а також для зв'язування мРНК з рибосомою та для початку трансляції.

3. Поліаденілювання– за допомогою поліаденілат-полімерази з використанням молекул АТФ відбувається приєднання до 3"-кінця РНК від 100 до 200 аденілових нуклеотидів, що формують поліаденіловий фрагмент – полі(А)-хвіст. Полі(А)-хвіст необхідний для захисту молекули РНК від екзонуклеаз, працюючих з 3"-кінця.

Схематичне представлення матричної РНК після процесингу

Процесинг попередника рибосомальної РНК

Попередники рРНК є більшими молекулами порівняно зі зрілими рРНК. Їх дозрівання зводиться до розрізання прерибосомной РНК більш дрібні форми, які безпосередньо беруть участь у формуванні рибосоми. У еукаріотів існують чотири типи рРНК - 5S-, 5,8S-, 18S- та 28S-рРНК. При цьому 5S-рРНК синтезується окремо, а велика прерибосомна 45S-РНК розщеплюється специфічними нуклеазамиз утворенням 5,8S-рРНК, 18S-рРНК та 28S-рРНК.

У прокаріотів молекули рибосомальної РНК зовсім інші за своїми властивостями (5S-, 16S-, 23S-рРНК), що є основою винаходу та використання низки антибіотиків у медицині.

Процесинг попередника транспортної РНК

1. Модифікація нуклеотидів у молекулі шляхом дезамінування, метилювання, відновлення.
Наприклад, утворення псевдоуридину та дигідроуридину.

Будова модифікованих уридилових нуклеотидів

2. Формування антикодонової петлі відбувається шляхом сплайсингу

Синтез РНК (транскрипція РНК).

Структура РНК.

Організація генетичного матеріалу у еукаріотів.

Спосіб запису генетичної інформації

Організація генетичного матеріалу. Функціональні відділи геному.

Загальні відомості про експресію генів.

1. Загальні відомості про експресію генів

Як відомо, у ДНК міститься певна генетична інформація:

Про структуру всіх білків та РНК організму, а також про порядок реалізації цієї інформації в різних клітинах у процесі онтогенезу та за різних функціональних станів.

Оскільки в усіх соматичних клітинах організму - один і той же набір з 46 хромосом, - то, незважаючи на сильні відмінності між клітинами, всі вони містять у своїх ДНК одну й ту саму генетичну інформацію. (Деякий виняток становлять лімфоцити, у процесі формування яких відбувається перебудова генів імуноглобулінів.)

У процесі реплікації ДНК генетична інформація відтворюється повністю, щоб потім передаватися дочірнім клітинам. Але, крім того, ця інформація експресується (реалізується) у клітині, зумовлюючи усі прояви її життєдіяльності. Однак експресії піддається не вся генетична інформація, що є в ядрі, а лише якась її частина.

Експресія інформації про структуру певного білка включає 2 основні етапи:

а) Перший з них - транскрипція: освіта в клітинному ядрі на відповідному гені (локалізується в одній із хромосом) спеціального посередника - матричної РНК (мРНК).

Сенс цього процесу - переписування інформації структуру білка з величезного нерухомого носія (ДНК у складі хромосоми) на невеликий рухливий носій -мРНК. Приблизно так само, коли з жорсткого диска комп'ютера, що містить тисячі файлів, переписують один з них на дискету. Отже, мРНК, лічені з різних генів, повинні відрізнятися один від одного – як відрізняються один від одного самі гени. Інша важлива обставина: безпосередній продукт транскрипції гена правильніше називати попередником мРНК (премРНК). Справа в тому, що новостворена мРНК піддається відразу (в ядрі) дозріванню, або процесингу. При цьому вона зазнає істотної модифікації. І лише після того зріла мРНК надходить із ядра в цитоплазму.

б) Другий з основних етапів експресії гена трансляція: синтез білка на рибосомах за програмою, що диктується мРНК. Суть цієї програми - визначення черговості, в якій амінокислоти повинні включатися в пептидний ланцюг, що будується. Причому у процесі беруть участь не вільні, а активовані амінокислоти: кожна пов'язана з т. зв. транспортної РНК (тРНК), тобто знаходиться у вигляді аміноацил-тРНК (аа-тРНК). Для кожної з 20 амінокислот є своя специфічна форма тРНК, а найчастіше навіть одна, а кілька форм.

Рибосоми ж грають у трансляції роль молекулярних машин, що забезпечують правильну взаємодію учасників. До складу рибосоми входять чотири молекули. рибосомної РНК (рРНК) - по одній молекулі кожного з чотирьох видів рРНК. Об'єднуючись з рибосомними білками, вони утворюють дві субодиниці рибосоми та виконують у них структурну, а також, можливо, каталітичну функції. Таким чином, у трансляції беруть участь РНК трьох класів - мРНК, тРНК та рРНК.

2. Організація генетичного матеріалу. Функціональні відділи геному

Гени та їх структура

Власне, інформація про структуру білків і РНК записана в ділянках ДНК, званих генами і цистронами.

Ген- Це ділянка ДНК, що кодує один білок.

Цистрона ділянка ДНК, що кодує один поліпептидний ланцюг.

У тварин і людини цистрони нерідко розташовуються у різних хромосомах і зазвичай називаються генами. Крім генів всіх білків організму, у хромосомах є також гени РНК - чотирьох видів рибосомних РНК та кількох десятків транспортних РНК.

Загальна сукупність генів, що визначають спадкову інформацію організму, називається геномом.

Майже всі гени еукаріотів (на відміну від генів прокаріотів) мають характерну особливість: містять не тільки кодуючі ділянки. екзони, але й некодуючі - інтрони. Екзони та інтрони перемежовуються один з одним, що надає гену як би «розірвану» структуру.

Число інтронів у гені варіює від 2 до кількох десятків; у гені міозину їх близько 50. Іноді на інтрони доводиться до 90 % загальної довжини гена.

Інші відділи ДНК

Між генами також знаходяться некодуючі послідовності. спейсери. Незважаючи на загальну назву, функціональна роль їх може бути абсолютно різною.

а) Багато спейсерних ділянок, мабуть, виконують структурну роль:

Беруть участь у правильному укладанні нуклеосомного ланцюга у вищі структури хроматину,

У прикріпленні хромосом до апарату центріолей тощо.

б) Інші ділянки ДНК, що не кодують, служать специфічними локусами зв'язування певних білків:

Функціонуючих на ДНК ферментів,

Білків виконують регуляторну функцію.

При цьому ділянки зв'язування РНК-полімерази (ферменту, що синтезує РНК на ДНК) називаються промоторами. Вони або впритул примикають до початку гена (або групи генів), або відокремлені від гена будь-якими іншими функціональними локусами.

в) У еукаріотів (включаючи людину) регуляцію «прочитання» генів здійснюють не лише білки-репресори, а й білки-активатори – т.з. Транскрипційні фактори.

До останніх відносяться згадані загальні фактори транскрипції, необхідні для зв'язування РНК полімерази з промотором. Ці фактори є у всіх клітинах і необхідні для прочитання будь-якого функціонуючого гена.

Інші транскрипційні фактори підвищують активність лише певних генів, і локуси ДНК, що зв'язують такі фактори, називаються енхансерами.

г) Нарешті, в ДНК можуть міститися короткі локуси, що служать сигналами про закінчення ( термінації) транскрипції ДНК.

Термінуючі ділянки, що розташовуються після генів, називаються термінаторами.

3. Спосіб запису генетичної інформації

Функціональна роль ланцюгів ДНК

Два ланцюга ДНК в області гена принципово відрізняються за своєю функціональною роллю: одна з них є кодуючоюабо смисловий, друга - матричної.

Це означає, що у процесі «зчитування» гена (транскрипції, чи синтезу пре-мРНК) як матриці виступає лише одне - матрична - ланцюг ДНК. Продукт цього процесу - пре- мРНК за послідовністю нуклеотидів збігається з кодуючим ланцюгом ДНК (із заміною тімінових основ на урацилові).

Таким чином, виходить, що за допомогою матричної ціни ДНК при транскрипції відтворюється в структурі РНК генетична інформація кодуючого ланцюга ДНК.

На малюнках ген прийнято зображати так, щоб ланцюг, що кодує, був зверху; тоді, відповідно до загального правила зображення ДНК, 5"-кінець кодуючого ланцюга повинен розташовуватися зліва.

Інформація на ланцюгу, що кодує, записана в напрямку 5'→3'; отже, промотор знаходиться з боку 5"-кінця кодуючого ланцюга гена. І цей же кінець прийнято вважати 5"-кінцем всього гена (хоча у його матричного ланцюга тут знаходиться 3'-кінець).

Основні властивості генетичного коду

Одиницею інформації в кодуючому ланцюзі ДНК є триплет- Послідовність з трьох нуклеотидів.

4 види нуклеотидів (зустрічаються в ДНК) можуть утворювати 64 види триплетів. З них 61 триплет є смисловим, тобто кодує ту чи іншу з 20 амінокислот, а 3 триплет є «безглуздими».

Як бачимо, на одну амінокислоту припадає в середньому кілька смислових триплетів (насправді від 1 до 6). З цієї причини генетичний код називають виродженим. Якби він не був таким, випадкові точкові мутації (заміни в ДНК одних нуклеотидів на інші) з дуже високою частотою призводили б до появи «безглуздих» триплетів.

У той же час код специфічний: кожному із смислових триплетів відповідає лише одна амінокислота

Сама ж інформація про білку полягає в тому, що в повному гені (за винятком інтронів) лінійна послідовність триплетів кодує аналогічну лінійну послідовність амінокислот у первинній структурі даного білка (в напрямку від амінного до карбоксильного кінця пептидного ланцюга).

Цього виявляється цілком достатньо, оскільки первинна структура білка визначає просторову конфігурацію білкової молекули, а також її фізико-хімічні та біологічні властивості.

Лінійна відповідність між послідовністю триплетів в екзонах гена та амінокислот у пептидному ланцюгу позначається як колінеарністьгенетичного коду.

Отже, генетичний код є триплетним. специфічним, виродженим, колінеарним та безперервним. До цього списку зазвичай додають універсальність: у всіх видів організмів сенс будь-якого триплету той самий.

Генетичний код

Говорячи про код, досі ми мали на увазі смисловий ланцюг ДНК. Але така сама, з урахуванням заміни тиміну (Т) на урацил (У), послідовність нуклеотидів в пре-мРНК.

Триплети мРНК, що відповідають триплетам ДНК, називаються кодонами. Справді, саме вони безпосередньо:

Визначають порядок включення амінокислот у пептидний ланцюг, що синтезується на рибосомі.

Кодони однієї амінокислоти відрізняються лише останнім (третім) нуклеотидом.

У подібних за будовою амінокислот кодони також подібні між собою: збігаються за двома нуклеотидами або одним, але центральним, нуклеотидом.

4. ОРГАНІЗАЦІЯ ГЕНЕТИЧНОГО МАТЕРІАЛУ У ЕУКАРІОТ

Гени ряду білків та РНК

Одна з відмінних рис багатьох генів еукаріотів - наявність у їх складі некодуючих ділянок - інтронів.

Інша особливість полягає в тому, що поряд з унікальними генами (представленими в гаплоїдному геномі одиничним числом копій) зустрічаються гени, що багаторазово повторюються.

Щоб проілюструвати ці дві особливості, розглянемо деякі конкретні гени:

Гени гістонів

Гістони- основні (за кислотно-лужними властивостями) білки, що у формуванні нуклеосомної структури хроматину. Кожен із п'яти видів цих білків (HI, Н2А, Н2В, НЗ та Н4) кодується відповідним геном.

Гени рибосомних РНК

До складу рибосом входять рРНК чотирьох видів. Дані РНК розрізняються за константою седиментації.

На функціонування генів впливають дуже багато білків.

Загальні фактори транскрипції

Загальні фактори транскрипції – це такі транскрипційні фактори, які необхідні для зв'язування РНК-полімерази з промотором, причому самі також взаємодіють з промотором.

Білок Р53 як транскрипційний фактор

Серед великої кількості вже відкритих транскрипційних чинників найвідоміший, мабуть, білок Р53. Це пояснюється тим, що він контролює виключно важливі клітинні процеси і завдяки цьому залучений у велику кількість всіляких регуляторних ланцюгів.

Функціональна роль.

Білок р53 (або його ген) активується у відповідь різноманітні пошкодження клітинної структури:

Нерепаровані розриви та інші пошкодження ДНК,

Порушення розходження хромосом у мітозі,

Руйнування мікротрубочок і т.д.

У результаті через посередництво білка р53 клітина у відповідь пошкодження своєї структури

Або затримується тій чи іншій стадії мітотичного циклу і виправляє ці ушкодження;

Або (у разі неможливості виправлень) взагалі припиняє поділу і входить у процес клітинного старіння;

Або (при потенційної небезпеки пошкодженої клітини на її оточення) здійснює апоптоз, т. е., попросту кажучи, самогубство.

Зокрема, апоптозу, крім інших, зазнають і клітини, у яких відбулася пухлинна трансформація. У зв'язку з цим зрозуміло, чому одночасно гальмується ангіогенез: ще один спосіб обмеження пухлинного росту.

Тому білок р53 – один з найважливіших пухлинних супресорів. У більшості ж пухлин, що розвиваються, функції білка р53 виявляються в тому чи іншому відношенні порушені.

5. СТРУКТУРА РНК

Усі транскрипційні чинники, як і сама транскрипція, покликані забезпечити лише одне - освіту з необхідною швидкістю РНК тих чи інших ділянках хромосом.

Загальний план будови РНК

Як і ДНК, РНК є лінійні (тобто нерозгалужені) полінуклеотиди з тим самим принципом організації:

Складаються з чотирьох видів нуклеотидів, кожне з яких включає азотисту основу, пентозу та фосфатний залишок;

Нуклеотиди пов'язані в ланцюг за допомогою 5',3'-фосфоди-етерних зв'язків;

Полінуклеотидні ланцюги полярні, тобто мають помітні 5"- і 3"-кінці.

Але є й відмінності від ДНК. Головне з них - те, що молекули РНК (крім РНК деяких вірусів) є не дво-, а одноланцюжковими. Причиною є такі три особливості первинної структури.

а) По-перше, пентоза в РНК це не дезоксирибоза, а ри боза, що містить додаткову гідроксигрупу. Остання робить дволанцюжкову структуру менш компактною.

б) По друге, серед чотирьох головних, або мажорних, азотистих підстав замість тіміну міститься урацил, відрізняється від тиміну лише відсутністю метильної групи в 5-му положенні.

6. СИНТЕЗ РНК (ТРАНСКРИПЦІЯ ДНК)

Загальна характеристика транскрипції

На відміну від реплікації ДНК, транскрипція ДНК відбувається практично у всіх клітинах, що містять ядро ​​- як діляться, так і що не діляться.

Причому в клітинах, що діляться, вона відбувається в будь-який момент мітотичного циклу, крім періоду реплікації (у еукаріотів) і власне розподілу.

Більше того, транскрипція будь-якої ділянки ДНК може відбуватися не тільки майже в будь-який момент циклу, але і багаторазово - скільки завгодно число разів. З іншого боку, набір ділянок, що транскрибуються в клітині, під дією тих чи інших факторів нерідко змінюється.

Ферментативне забезпечення процесу здійснюється РНК-полімеразою. У еукаріотів три види цього ферменту:

РНК-полімераза I – для синтезу пре-рРНК.

РНК-полімераза II - для синтезу пре-мРНК та

РНК-полімераза III – для синтезу пре-тРНК

Фермент повзе вздовж ДНК і каталізує почергове включення в ланцюг рибонуклеотидів, що росте, комплементарних нуклеотидам матричного ланцюга ДНК.

Ще одна подібність із синтезом ДНК полягає в напрямку зростання ланцюга, що будується - 5'→3'. Це означає, що цей ланцюг чергові нуклеотиди приєднуються до З"-кінця.

Як при всіх матричних синтезах, ланцюг, що будується, антипаралельна матричному ланцюгу ДНК. Отже, остання транскрибується ферментом у напрямку 3'→5'.

Але є й важливі відмінності від синтезу ДНК.

а) Асиметричність процесу: як матрицю, як ми знаємо, використовується лише один ланцюг ДНК. Не зовсім ясно, як ферментна система здійснює правильний вибір необхідного ланцюга. Певне, ключову роль тут грають якісь послідовності нуклеотидів однією з ланцюгів, відомі системою.

б) Консервативність процесу: молекула ДНК після синтезу РНК повертається у вихідний стан. При синтезі ДНК молекули наполовину оновлюються, що робить реплікацію напівконсервативною.

в) Нарешті, синтез РНК не вимагає для свого початку ніякого затравлення, тоді як при реплікації ДНК необхідна РНК-затравка.

Механізм транскрипції

Ініціація транскрипції

Перший і, мабуть, найважливіший етап транскрипції – це її ініціація: зв'язування РНК-полімерази з промотором та утворення першого міжнуклеотидного зв'язку.

Про зв'язування РНК-полімерази ми говорили вже не раз, тому зараз лише нагадаємо основні моменти (з додаванням деяких відомостей).

У еукаріотівзавжди потрібне попереднє зв'язування з промотором цілої сукупності білків загальних факторів транскрипції з утворенням комплексу. Зв'язавшись з промотором, РНК-полімераза викликає локальну денатурацію ДНК, тобто розділення ланцюгів ДНК протягом приблизно 1,5 витка ДНК. Як кажуть, утворюється транскрипційне «вічко». Завдяки цьому нуклеотиди матричного ланцюга ДНК в області «вічка» стають доступними для парування з рНТФ (рибонуклеозидтрифосфат).

Першим у ланцюг РНК, що будується, завжди включається пуриновий нуклеотид - АТФ або ГТФ, причому всі три його фосфатні залишки зберігаються.

Потім утворюється перший 5",3"-фосфатний зв'язок з другим нуклеотидом.

Елонгація транскрипції

Наступний за ініціацією етап - елонгація: поступове подовження зростаючого ланцюга пре-РНК до остаточного розміру.

Це відбувається в міру просування РНК-полімерази ДНК. Відповідно, переміщається і транскрипційне «вічко», тобто ділянка локального розплетення ДНК. На транскрибованій частині ДНК дволанцюжкова спіральна структура відновлюється відразу після відходу РНК-полімерази.

Приблизна швидкість руху ферменту та синтезу РНК – 30 нуклеотидів за секунду.

Термінація транскрипції

Останній етап - термінація, або закінчення транскрипції.

Сигналом для цього є спеціальні ГЦ-багаті ділянки в кінці генів. Оскільки сила взаємодії пар ГЦ є досить великою, локальна денатурація таких ділянок у ДНК відбувається важче. Це уповільнює просування РНК-полімерази і може бути для неї сигналом до припинення транскрипції.

Але ще до закінчення процесу наприкінці новосинтезованої РНК теж встигає з'явитися ГЦ багата ділянка. Завдяки взаємодії між своїми нуклеотидами він утворює «шпильку».

Т. е. взаємодії з нуклеотидами матричного ланцюга ДНК замінюються на «внутрішньошпилькові» взаємодії. Це полегшує від'єднання РНК від ДНК.

7. ПОГЛЯД (ПРОЦЕСИНГ) РНК

Практично всі процеси дозрівання РНК можуть бути поділені на три типи:

Видалення одних,

Приєднання інших та

Модифікація тих самих чи третіх нуклеотидів.

Видалення «зайвих» послідовностей

Загальний опис

Видалення "зайвих" нуклеотидів здійснюється спеціальними нуклеазами. Екзонуклеази послідовно відщеплюють з певного кінця ланцюга (3' або 5') по одному нуклеотиду. А ендонуклеази розрізають ланцюг десь у середніх ділянках, призводячи до його фрагментації.

Механізм, сплайсинг

Один з ключових моментів механізму, що розглядається, забезпечення точності розрізання ланцюга пре-РНК: помилка навіть на один нуклеотид призведе до «зсуву рамки», що змінить сенс всіх кодонів мРНК або антикодону тРНК.

Точність досягається завдяки двом обставинам:

По-перше, на початку та в кінці кожного інтрону є певні послідовності нуклеотидів: так, інтрони завжди починаються з Г-У, а закінчуються дуплетом А-Г.

По-друге, для пізнання цих послідовностей використовуються спеціальні РНК т.з. малі ядерні РНК (мяРНК). Останні пов'язані з ферментами, що каталізують сплайсинг. Такі рибонуклеопротеїдні комплекси називаються сплайосомами.

Сплайсинг починається із взаємодії двох мяРНК із початком та кінцем інтрону. Це дає «орієнтацію» для ендонуклеази: остання діє на межах двох- та одноланцюгових ділянок.

Перший розрив пре-РНК відбувається в області 5 'кінця інтрона - це місце знаходження лівого краю лівої м'яРНК. При цьому 5" кінець інтрону зв'язується з одним з нуклеотидів у середній частині того ж інтрону, що призводить до утворення кільцевої структури.

Приєднання та модифікація нуклеотидів

Отже, у процесі дозрівання пре-РНК остання втрачає значну частину нуклеотидів. Але відбувається також і нетранскрипційне приєднання окремих нуклеотидів.

У разі пре-мРНК з боку 5"-кінця приєднується (за допомогою нетипового для полінуклеотидів пірофосфатного зв'язку) 7-метилгуаніловий нуклеотид - компонент «ковпачка». А з боку З"-кінця понуклеотидно нарощується полі(А)-фрагмент приблизно з 200 нуклеотидів . І тому використовуються спеціальні ферменти; зокрема, для утворення полі(А) - фрагмента поліаденілатполімеразу.

У разі ж пре-тРНК із З"-кінця по черзі приєднуються три нуклеотиди - Ц, Ц та А, що утворюють акцепторну гілка.

Процесинг рРНК: нарізання первинного транскрипта, метилювання, сплайсинг. Уеукаріот всі рРНК синтезуються як частина одного транскрипта. Він нарізається за допомогою екзо та ендонуклеаз на зрілієрРНК. Попередник містить 18, 5.8, 28S рРНК і називається 45S РНК. Процесинг рРНК потребує участі мяРНК. У деяких організмів у складі попередника 28S РНК знаходяться вставки/інтрани, кот. видаляються в результаті процесингу і фрагменти РНК зшиваються в результаті сплайсингу.

Упрокаріот попередник рРНК містить 16, 23, 5S рРНК + кілька попередників тРНК. 3 і 5 кінці зближені за рахунок компліментарно прилеглих пар підстав. Така структура розрізається РНКазою III. Рибонуклеотиди, що залишилися, відрізаються екзонуклеазами/підрівнювання. Процесинг 5'кінця тРНК здійснюється РНКазою, а 3'кінця - РНКазойД.тРНК-нуклеотидилтрансфераза добудовує ССА-хвіст.

У еукаріотів попередник тРНК містить у собі інтрон, він не обмежений консервативними послідовностями і вбудований в антикодонову петлю. Необхідно видалити інтрони і сплайсинг. В основі сплайсингу – впізнавання вторинної структури тРНК, що вимагає участі ферментрів з нуклеазною (розщеплюють РНК на межекзон-інтрон з двох сторін) та лігазною (зшивання вільних 3 та 5'-конів) активності. Після вивільнення интронатРНК згортається звичайну структуру.

Процесинг мРНК. Модифікація 5'-кінця (кепіювання). Модифікація 3'-кінця (поліаденілювання). Сплайсинг первинних транскриптівРНК, сплайсосома. Автосплайсинг. Альтернативний сплайсинг.

Процесинг пре-мРНКеукаріот складається з кількох етапів:

1. Відрізання зайвих довгих кінцевих послідовностей.

2. Приєднання до 5'-кінця послідовності КЕПу, в якому обов'язково є 7-метилгуанозин, з якого починається КЕП. Далі розташовується 1-3 метилованихрибонуклеотидів. Припускають, що КЭП необхідний стабілізації мРНК, оберігаючи її від розщеплення 5'-экзонуклеазами, і навіть пізнається рибосомою. Утворення КЕПу дає можливість проходження сплайсингу.

3. Вирізання інтронів та сплайсингекзонів.

У сплайсингу, як правило, беруть участь особливі рибонуклеопротеїнові частки (РНП) - малі ядерні РНП (мяРНП), до складу яких входять мяРНК, багаті на урацил і позначаються U1-U6 (іноді звані рибозимами) і численні білки. Ці РНП-частинки на стиках інтронів та екзонів утворюють функціональний комплекс, який отримав назву сплайсосоми(Сплайсмосоми). Функції U-частинок полягають у розпізнаванні сайтів сплайсингу. Зокрема, UI дізнається 5'-кінцевий сайт сплайсингу, a U2 - 3'-кінцевий сайт. При цьому відбувається комплементарна взаємодія та зближення між цими сайтами та відповідними послідовностями в РНК U1 та U2 частинок. Таким чином, відбувається петлювання інтрону. Сусідні екзони входять у контакт друг з одним у результаті взаємодії між чинниками, які розпізнають індивідуальні екзони.

Деякі інтрони видаляються за допомогою автосплайсинг, не вимагаючи жодних додаткових компонентів, крім самих пре-мРНК. Першим кроком є ​​розрив фосфодіефірного зв'язку в 5'-положенні інтрона, що призводить до відділення екзону 1 від молекули РНК, що містить інтрон і екзон 2. розташовану вище 3'-кінця інтрону. У клітинах ссавців ділянка розгалуження містить консервативну послідовність, ключовий А-нуклеотид у цій послідовності розташований у положенні 18-28 пн вище 3'-кінця інтрону. У дріжджів цією послідовністю є UACUAAC. Інтрон видаляється у формі ласо.

У деяких випадках в амінокислотні послідовності трансформуються не всі екзони. В результаті з одного гена зчитується кілька мРНК. альтернативнийсплайсинг. Крім того, використання альтернативних промоторів і термінаторів може змінювати 5' і 3' кінці транскрипта.

4. Додавання нуклеотидів до З'-кінця послідовності з 150-200 аденілових нуклеотидів, що здійснюється спеціальними полі(А)-полімеразами.

5. Модифікація основ у транскрипті. Дуже часто при дозріванні пре-мРНК відбуваються хімічні перетворення деяких основ, наприклад перетворення однієї азотистої основи на іншу (З U або навпаки).

Таким чином, в результаті транскрипції утворюються рібонуклеїнові кислоти. Таким чином, нуклеїнові кислоти забезпечують підтримання життєдіяльності клітини, шляхом зберігання та експресії генетичної інформації, визначаючи біосинтез білка та отримання організмом певних ознак та функцій.

У клітинах бактерій до готової ділянці мРНК, що починає відділятися від матриці, приєднуються рибосоми і відразу ж починають синтез білка. Так утворюється єдиний транскрипційно-трансляційний комплекс, який можна знайти за допомогою електронного мікроскопа.

Синтез РНК уеукаріотів проходить в ядрі і відокремлений просторово від місця синтезу білка - цитоплазми. У еукаріотів, знову синтезована РНК відразу ж конденсується з утворенням безлічі розташованих частинок, що містять білок. До складу цих частинок входить РНК довжиною приблизно 5000 нуклеотидів, нитка якої намотана на білковий кістяк, таким чином утворюються гетерогенні ядерні рибонуклеопротеїнові комплекси (гяРНП). Гетерогенні вони тому, що мають різні розміри. Частина цих комплексів є сплайсмосомами і беруть участь у видаленні інронів та сплайсингеекзонівпремРНК.

Після процесингу зрілі молекули мРНК еукаріотів упізнаються рецепторними білками (що входять до складу ядерних пір), які сприяють просуванню мРНК у цитоплазму. При цьому основні білки, що входять до складу гяРНП, ніколи не залишають ядро ​​і зісковзують з мРНК у міру її просування через ядерні пори.

У цитоплазмі мРНК знову поєднується з білками, але вже цитоплазматичними, утворюючи мРНП. При цьому виявляються вільні мРНП-частинки (цитоплазматичні інформосоми), а також мРНП, пов'язані з полісом (комплекс рибосом) (полісомні інформосоми). Пов'язані з полісомамімРНК активно транслюються. Білки, пов'язані з информосомами, забезпечують зберігання цитоплазмі мРНК в нетрансльируемом положенні. Перехід мРНК до полісом супроводжується зміною білків - відщепленням або модифікацією репресорних білків та зв'язуванням активаторних білків. Таким чином, в еукаріотичних клітин мРНК завжди знаходиться в комплексі з білками, які забезпечують зберігання, транспорт і регуляцію активності мРНК.