Джефферсон - Сборник упражнений и задач - 2000 / Student Guide21

Глава 21: Транскрипция генов - первый этап в механизме контроля за биосинтезом белка

153

Глава 21

Транскрипция генов - первый этап в механизме контроля за биосинтезом белка.

Резюме главы

В этой главе описывается транскрипция генов. Особый акцент сделан на механизмы регуляции экспрессии генов. Сравниваются и противопоставляются различия между синтезом мРНК и ДНК. Подробно рассмотрены промоторные боксы и транскрипционные факторы, действующие в про- и эукариотических системах. Рассматриваются особенности функционирования lac и trp оперонов. Взаимосвязь между интронами и экзонами важна для понимания того, каким образом передается информация, необходимая для синтеза белка. Рассмотрено строение ДНК-связывающих белков, включая “цинковые пальцы” и “лейциновые молнии”.

Цели урока

♦Роль мРНК в переносе генетической информации из ядра в цитоплазму клетки.

♦Три главных структурных различия между РНК и ДНК.

♦Сходство и различия между ДНК- и

РНК-полимеразами, участвующими в процессах репликации и транскрипции, соответственно.

♦Сравнение размера и время полужизни РНК и ДНК.

♦Комплементарная природа мРНК, синтезируемой на матричной цепи; и правило обозначения нематричной цепи ДНК, как кодирующей или смысловой цепи.

♦Роль нетранслируемых участков мРНК (UTRs, untranslated regions).

♦Взаимосвязь между последовательностями нуклеотидов ДНК, расположенными против или по ходу транскрипции; правило нумерации оснований относительно стартовой точки инициации транскрипции.

154	Глава 21: Транскрипция генов - первый этап в механизме контроля за биосинтезом белка

♦Функция матричной и нематричной цепей ДНК могут быть различны для различных цепей.

♦Три стадии транскрипции генов.

♦Инициация транскрипции у E.coli: бокс Прибнова (ТАТААТ) и роль белка сигма фактора.

♦Природа шпилечной структуры, вызывающей образование “самодуплекса” РНК, и ее связь с сигналом терминации.

♦Роль Rho фактора в механизме терминации транскрипции.

♦Природа конститутивно экспрессирующихся генов.

♦Взаимосвязь между сильными и слабыми промоторами и факторы, влияющие на их свойства.

♦Ферменты, специфически индуцируемые у E.coli при культивировании клеток с лактозой в качестве единственного источника углерода.

♦Взаимосвязь между генами одного и того же оперона и полицистронная мРНК.

♦Функция САР белка и механизм регуляции lac-оперона, включая сАМР и метаболиты лактозы.

♦Механизм аттенуации trp-оперона.

♦Отличие особенности регуляции экспрессии эукариотических и прокариотических генов.

♦Роль реакции кэпирования РНК путем метилирования по N-7 положению GТР-кэпа.

♦Распространение интронов и экзонов в цепи мРНК и процесс сплайсинга мРНК катализируемый сплайсосомами.

♦Значение реакции сплайсинга у Tetrachymena,- первой известной реакции, которую катализирует молекула РНК, а не белок-фермент.

♦Взаимосвязь между местоположением интронов и доменами белка.

♦Различия между моделями “поздних интронов” и “ранних интронов” , предложенными для объяснения существования прерывистых генов.

♦Важность ТАТА боксов, энхансерных элементов и белковых факторов транскрипции в экспрессии генов у эукариот.

♦Значение ТАТА-связывающего белка (ТВР) и ТВР-ассоциированных факторов (TAFS) в регуляции активности генов.

♦Факторы, обусловливающие гибкость механизма регуляции эукариотических генов.

♦Структура ДНК-связывающих белков.

♦Палиндромные последовательности.

♦Белки типа “лейциновой молнии” и правомерность использования этого термина.

♦Гомеодоменные белки и гомеобоксы.

♦Взаимосвязь между стабильностью мРНК и скоростью синтеза белка и их влияние на регуляцию генной активности.

♦Ðîëü железо-чувствительных элементов (IRE, iron responsive elements) в регуляции синтеза трансферрина.

Глава 21: Транскрипция генов - первый этап в механизме контроля за биосинтезом белка		155
♦ AU-элементы (AURE, adenine/uracil-	♦ Распространение механизмов
rich elements) и их влияние на	редактирования мРНК.

стабильность мРНК.

♦ Митохондрии не имеют всей ДНК, необходимой для их полного воспроизведения.

Прогулка по главе

Информационная РНК

У …………….….(1) ДНК локализуется в ……….………(2), а белок-синтезирующий аппарат находится в ……………(3). Копии генетической информации поступают в форме информационной (матричной) РНК (мРНК). Существует …………..(4) основных различия между мРНК и ДНК: в РНК сахар ……………(5), а не дезоксирибоза (он содержит ОН-группу во 2′-положении); основание U (вместо Т), которое образует водородные связи с А; мРНК - ……(6) цепочечная молекула. Фермент РНК…………….(7) катализирует образование РНК с использованием в качестве матрицы ……………..…….(8), синтезируя РНК в направлении ………….(9). Поэтому антипараллельная матрица читается в направлении 3′ → 5′. Механизм присоединения каждого основания включает реакцию между …………(10) группой ………….(11) цепи и …..…………..(12) группой у остатка сахара входящего нуклеотидтрифосфата. Гидролиз пирофосфата является энергетической движущей силой реакции. В отличие от ДНК-полимеразы, РНК-полимераза не нуждается в …………..(13). Каждая мРНК кодирует один ген (или их небольшую группу). мРНК имеет довольно короткую длину и время полужизни от около 20 минут до нескольких часов у

………….(14) и около 2 минут у бактерий. Поэтому постоянный синтез мРНК необходим для поддержания синтеза белка. У бактерий обнаружены ………………..(15) молекулы мРНК, несущие последовательности для кодирования нескольких белков.

Ответы: (1) эукариот; (2) ядре; (3) цитоплазме; (4) три; (5) рибоза; (6) одно-; (7) полимераза; (8) ДНК; (9) 5′→ 3′; (10) 3′-ОН; (11) растущей; (12) фосфатной; (13) праймере; (14) эукариот; (15) полицистронные.

156	Глава 21: Транскрипция генов - первый этап в механизме контроля за биосинтезом белка

Заполните следующее

Терминология транскрипции

Процесс переноса информации от ДНК на мРНК называется ……………...(1), а от мРНК к белку - ………………….(2). В конечном счете последовательность ДНК определяет ………………..(3) последовательность. Лишь ……….(4) из цепей ДНК транскрибируется в мРНК. Две цепи ДНК имеют комплементарные пары оснований (А-Т, G-С) и синтезируемая мРНК комплементарна цепи ДНК, используемой в качестве .……………..(5). Таким образом, как синтезируемая мРНК, так и

…………..….(6) используемая в качестве матрицы (нематричная) цепь ДНК являются

…………….......(7) матричной цепи. Они имеют одинаковую последовательность оснований (за исключением того, что вместо основания Т в РНК используется U). Поэтому, во избежание путаницы, нематричная цепь называется …………………….(8) или смысловой цепью. Ген является специфическим участком ДНК, транскрибируемым в РНК (обратите внимание, что в ходе транскрипции образуются не только мРНК). Молекулы мРНК на каждом конце имеют не транслируемые области, называемые …………….(9) участками (UTRs). UTR участки на 5′-конце молекулы мРНК содержат сигналы для …………….(10) трансляции, а 3′-UTR-сигналы - для

…………….(11). Все они входят в состав гена. В транскрипции гена важную играют также и другие участки ДНК, такие как промотор и терминатор. Нумерация оснований ДНК ведется от стартовой точки транскрипции: является первое читаемое основание обозначается +1; основания, расположенные в сторону 3′-конца обозначаются термином …………(12) транскрипции. Основание……………(13) располагается перед стартовой точкой; его и все другие основания,

Глава 21: Транскрипция генов - первый этап в механизме контроля за биосинтезом белка	157

расположенные от стартовой точки в сторону…………….(14) конца кодирующей цепи, обозначают термином «против хода» транскрипции. Обратите внимание, что роль, выполняемая двумя цепями ДНК, для каждого гена неодинакова. …………….(15) цепь для одного гена может и не быть той же самой матричной ДНК для другого гена. Полимеразы могут читать основания “слева направо” или “справа налево”, но при этом им необходимо использовать .………….(16) цепи ДНК-дуплекса. В транскрипции генов выделяют 3 стадии …..………….…..(17), ……..…………..(18) и …….………….(19). Короткие последовательности оснований часто называются ……………….(20)

(блоками) или элементами. Типичный промотор E.coli имеет бокс …………..…(21) в положении -10 и другой бокс в положении -35. Путем сравнение структуры большого числа различных боксов Прибнова определена ………………(22) последовательность - ТАТААТ, которая приводится в направлении 5′ → 3′ кодирующей цепи. Узнавание этих боксов РНК-полимеразой происходит при участии белка …………(23) фактора, который необходим для транскрипции только нескольких первых оснований. Цепь ДНК временно расплетается в участке транскрипционного глазка по мере продвижения полимеразы вдоль синтезируемой РНК со скоростью около 40 присоединенных нуклеотидов в 1 сек.

Ответы: (1) транскрипцией; (2) трансляцией; (3) аминокислотную; (4) одна; (5) матрицы; (6) не;

(7) комплементарны; (8) кодирующей; (9) нетранслируемыми; (10) инициации; (11) терминации; (12) по ходу; (13) -1; (14) 5′; (15) Матричная; (16) различные; (17) инициации; (18) элонгации; (19) терминации; (20) боксами; (21) Прибнова; (22) консенсусная; (23) сигма.

Заполните следующее:

Контроль транскрипции

Механизм .……………(1) транскрипции у ……………(2) включает использование

…………………(3) фактора, который присоединяется к вновь транскрибированной мРНК и движется позади РНК-полимеразы. Этот белок обладает ………….(4) активностью и во время движения вдоль цепи расплетает РНК-ДНК …………(5). Терминация синтеза происходит тогда, когда Rho-фактор «догоняет» …….……….(6). Гены, ответственные за включение транскрипции,

158	Глава 21: Транскрипция генов - первый этап в механизме контроля за биосинтезом белка

экспрессируются ……..……….(7). Промоторы подразделяются на слабые и сильные, в зависимости от …………..(8), с которой происходит инициация транскрипции и это отражается на

……….……(9) синтезируемых молекул мРНК. Последовательность оснований бокса Прибнова и бокса в положении -35, так же как ………………(10) и природа ……….……..(11) между ними, оказывают влияние на силу данного ……………(12). Существуют различные сигма факторы, индуцирующие транскрипцию различных генов в ответ на определенные условия окружающей среды, такие как тепловой шок, азотистое ………….…..(13) и другие неблагоприятные воздействия. Синтез белка в ответ на химический сигнал называется ……….……(14), а химическое соединение - ……………..(15); блокирование синтеза белка называется …………….(16). Многие прокариотические гены сгруппированы вместе в отдельные группы и находятся под транскрипционным контролем одного промотора. мРНК генов такого типа называется

…………….(17), а группа генов, контролируемая одним промотором, представляет собой

………….….(18).

Ответы: (1) терминации; (2) прокариот; (3) Rho; (4) хеликазной; (5) дуплекс; (6) полимеразу; (7) конститутивно; (8) частоты; (9) количестве; (10) расстояние; (11) оснований; (12) промотора; (13) голодание; (14) индукцией; (15) индуктором; (16) репрессией; (17) полицистронной; (18) оперон.

lac и trp опероны

В клетках E.coli существует три специальных белка, которые необходимо индуцировать для обеспечения жизнедеятельности клеток в условиях, когда лактоза является единственным источником углерода. Это ……..…….(1), β-галактозид ………………..(2) и галактозид……….……….(3). ДНК кодирует синтез трех этих белков вместе с белком, названным lac …………….(4); последний связывается с участком ДНК, расположенным рядом с промотором

…………(5) транскрипции, который назван……………….(6). Рядом с промотором против хода транскрипции расположена последовательность ДНК, названная участком связывания

………………(7) - белка ……………….(8) катаболизма (САР). Оператор и САР-связывающий участок локализованы на ДНК и с ними могут взаимодействовать специфические белки. САРбелок связывается с САР-связывающим участком при повышении уровня ………………(9),

который образуется в клетке только при ………………(10) концентрации глюкозы. Связывание САР-белка усиливает свойства lac ……………(11). Однако низкий уровень глюкозы не является сам по себе достаточно эффективным сигналом для включения этого ……………..(12), поскольку если присутствует лактоза, то белок lac …………….(13) связывается с оператором и полимераза не может транскрибировать другие гены. С белком lac-репрессором непосредственно взаимодействует…………(14) лактозы, приводя к тому, что репрессор …………….(15) связывается с оператором. Этот метаболит лактозы, представляющий собой сахар ……………..(16), называется индуктором. В его отсутствии lac-репрессор связывается с оператором и ……………(17)

транскрипцию.

Глава 21: Транскрипция генов - первый этап в механизме контроля за биосинтезом белка

159

Заполните следующее

Существует также триптофановый оперон (trp оперон), который сходен с lac опероном, но использует для прекращения транскрипции механизм…….……….(18). Этот механизм основан на том, что у прокариот …………………(19) мРНК в белок начинается после транскрибирования небольшого фрагмента мРНК. В этом случае первым синтезируется 14-членный пептид, названый

………………..(20) пептидом. Способность клетки синтезировать этот лидерный пептид является

…………….(21) для блокирования биосинтеза белков, которые …………………..(22) триптофан. При очень низкой концентрации триптофана, по мере того как оперон начинает синтезировать мРНК и последняя начинает транслироваться в лидерный пептид, синтезирующие белок рибосомы будут ……………..(23) в определенном участке мРНК, где необходимо присоединение

…………….(24) остатков триптофана. Эта задержка …………….(25) образование в частично синтезированной молекуле мРНК структуры ……..………...(26), которая формируется при

…………..(27) процесса синтеза мРНК. В том случае, когда триптофан присутствует в избытке, рибосома ........ (28) задерживается, …………..(29) шпилечная структура и оставшаяся часть

……….(30) не синтезируется.

160	Глава 21: Транскрипция генов - первый этап в механизме контроля за биосинтезом белка

Ответы: (1) β-галактозидаза; (2) пермеаза; (3) трансацетилаза; (4) репрессором; (5) по ходу; (6) оператором; (7) САР; (8) активатора; (9) сАМР; (10) низкой; (11) промотора; (12) оперона; (13) репрессор; (14) метаболит; (15) не; (16) аллолактозу; (17) останавливает; (18) аттенуации; (19) трансляция; (20) лидерным; (21) сигналом; (22) синтезируют; (23) задерживаться; (24) двух; (25) предотвращает; (26) шпильки; (27) остановке; (28) не; (29) образуется; (30) мРНК.

Эукариотическая система

Эукариотическая система имеет много общих принципов функционирования с

………………….…(1). Этап ……………(2) гораздо более сложен и тесно связан с генетическим контролем. Детали сигнала ……………(3) не вполне поняты, однако известно, что ответственный за синтез мРНК фермент РНК……….……..(4) синтезирует специфическую последовательность AAUAAA на конце цепи РНК и затем продолжает транскрипцию. В дальнейшем мРНК подвергается процессингу и происходит присоединение ………………(5) “хвоста”. После этого мРНК ……………..(6) на 5′-конце по первому основания цепи, которое имеет также

………………….(7) группу у 5′-гидроксила и связано через 3′-ОН группу с остальной цепью. Кэпирование включает присоединение остатка ……………(8), образующего …………….(9)

трифосфатную связь, а основание G кэпа затем …………..……….(10) по N-7 положению, а так же по 2′-ОН группе второго, а иногда и третьего нуклеотида. Считается, что кэп ………….(11)

конец цепи от действия ………….(12) и участвует в инициации трансляции.

РНК, кодирующая белки в эукариотической системе, разделена на несколько сегментов, связанных вместе последовательностями РНК, которые……….(13) кодируют белки. Последовательности ДНК, на которых синтезируются эти не кодирующие фрагменты РНК, называются...………….(14), а кодирующие последовательности называются...……………...(15). Интроны могут быть многочисленными (2-50) и протяженными (20-20 000 п.о.); они транскрибируются в ………………..(16) транскрипт. В процессе ………………….(17) мРНК

.................(18) вырезаются, а экзоны …………..……….(19) вместе при помощи механизма, включающего реакцию трансэтерификации, которая не сопровождается значительными потерями химической энергии. Все интроны начинаются с динуклеотида GU и оканчиваются AG, благодаря чему их узнают ферменты системы сплайсинга. На начальном этапе сплайсинга 2′ОН-группа остатка аденина в интроннрй цепи атакует 5′-фосфатную группу остатка нуклеотида G в месте соединения с образованием ..............…………..(20). Сразу же свободный 3′-ОН конец первого экзона атакует 5′-фосфатный конец второго и оба экзона соединяются. Эту последовательность реакций катализирует …………….(21), которая содержит белок и РНК, последняя обозначается

………………(22), (малая ядерная РНК). Интересно, что недавно была обнаружена, способность примитивного организма Tetrahymena вырезать ……………..(23) без помощи фермента. Впервые открыта реакция, катализируемая скорее молекулой …..………….(24), чем …………….(25). Часто интроны кодируют синтез дискретных доменов белков и предполагается, что ранее неизвестные

Глава 21: Транскрипция генов - первый этап в механизме контроля за биосинтезом белка	161

белки могут синтезироваться организмом путем “тасования” этих ……………(26), где последние выполняют определенную функцию. Механизм должен включать “тасование ” ……………….(27)

и ………………(28) гена. Природу прерывистых генов объясняют с позиции моделей “поздних интронов” и “ранних интронов”. Исследование генов, существующих в неизменном виде в течение длительного времени, ……(29) выявило соответствия между интрон-экзонной структурой и особенностями структуры доменов белка. Это не подтверждает теорию .......……………….(30).

Сплайсинг может также происходить по различным схемам так что одна группа экзонов образует одну мРНК, а другая группа того же транскрипта - другую, поэтому альтернативный сплайсинг ведет к синтезу различных белков, кодируемых одним и тем же геном.

Ответы: (1) прокариотической; (2) инииации; (3) терминации; (4) полимераза II; (5) поли А; (6) кэпируется; (7) трифосфатную; (8) GMP; (9) 5′-5′; (10) метилируется; (11) защищает; (12) экзонуклеаз; (13) не; (14) интронами; (15) экзонами; (16) первичный; (17) сплайсинга; (18) интроны; (19) соединяются; (20) лассо-подобной петли; (21) сплайсосома; (22) мяРНК; (23) интроны; (24) РНК; (25) белка; (26) доменов; (27) экзонов; (28) кроссинговер; (29) не; (30) ранних интронов.

Заполните следующее

Эукариотические механизмы регуляции

Транскрипция генов и ее контроль в эукариотической системе начинаются с …………………..(1) ДНК путем избирательного расплетания тех участков цепи ДНК, которые будут транскрибироваться. Это вывод основывается на наблюдении, что хромосомные ………………(2)

в клетках слюнной железы личинки дрозофилы, которые являются ………………(3) активными участками хроматина, становятся более чувствительными к атаке ДНКазами. Существует около 50 000-100 000 ……………..(4) у человека и только 4000-5000 у E. coli, причем у E. coli, экспрессия генов происходит в основном во время деления клеток. Эукариотические системы координируют клеточную активность, осуществляя изменение синтеза специфических белков путем регуляции

…………………(5) гена. Сложность такого контроля необычайно высока и поэтому данный ген должен ……………(6) на множество различных сигналов. Кроме того, необходима экспрессия

162 Глава 21: Транскрипция генов - первый этап в механизме контроля за биосинтезом белка

различных генов в разных …………………(7). Гены, постоянно экспрессирующиеся во всех тканях, называются генами ………….………………(8). Некоторые гены экспрессируются, главным образом, в ..………………..(9) (ср. эмбриональный и зрелый). Эукариотические гены имеют промотор, расположенный левее стартовой точки и, примерно в 80% случаев, ……………….(10)

бокс около положения -25. Еще левее от стартовой точки (против хода транскрипции) на расстоянии 100-200 пар оснований находятся области ДНК (боксы), которые специфически узнаются белками, получившими название ………………….(11) факторов, а также области, названные ..…………..(12) и ………………(13), которые тоже связывают белки. Эти области часто расположены на достаточно большом удалении (до 1000 пар оснований) от сайта инициации. Энхансеры …………..(14) входят в состав …………….(15), поскольку они не имеют фиксированной позиции по отношению к стартовой точке. Регуляция экспрессии различных эукариотических генов осуществляется путем комбинации разных элементов. Транскрипция эукариотических генов инициируется группой белков, известных как транскрипционные факторы, образующих .......…………(16) инициаторный комплекс на ДНК, с которым взаимодействует РНКполимераза, и который необходим для транскрипции всех генов РНК-полимеразой II. ТАТА-бокс, ТАТА-связывающий ………….(17) (ТВР) и ТВР-ассоциированные факторы……………..(18) образуют комплекс - фактор транскрипции D для полимеразы II ………………..(19), который связывается с РНК-полимеразой II и другими белками, формируя основной ………………..(20) комплекс. Инициация транскрипции генов, не имеющих ТАТА-бокса, а также генов, транскрибируемых полимеразами I и III, осуществляется с помощью других сходных механизмов. Пока ДНК находится в составе …………..…(21) структуры ……………(22) специфические факторы транскрипции …………….(23) взаимодействовать с элементами ДНК, расположенными против хода транскрипции, и энхансером,. Перед формированием основного инициаторного комплекса структура нуклеосомы должна претерпеть изменения. Транскрипционные факторы, которые связываются с удаленными от стартовой точки транскрипции элементами, могут участвовать в формировании комплекса путем механизма образования ………………(24) ДНК. У каждого

……………..(25) есть по крайней мере два участка связывания: один взаимодействует с ДНК, а второй - с другими белками транскрипционного комплекса. Механизм регуляции эукариотического гена обладает ………………….(26), поскольку на экспрессию генов может влиять множество факторов. На многие главные вопросы о том, как взаимодействуют транскрипционные факторы и как осуществляется контроль образования инициирующего комплекса, ответов пока нет.

Ответы: (1) распаковки; (2) пуфы; (3) транскрипционно; (4) генов; (5) транскрипции; (6) реагировать; (7) тканях; (8) “домашнего хозяйства” (9) развивающемся организме; (10) ТАТА; (11) транскрипционных; (12) элементами; (13) энхансерами; (14) не; (15) промотора; (16) основной; (17) белок; (18) TAFs; (19) TFIID; (20) инициатоорный; (21) нуклеосом; (22) хроматина; (23) не могут; (24) петли; (25) белкового фактора; (26) гибкостью.