Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ТРАНСКРИПЦИЯ.doc
Скачиваний:
19
Добавлен:
02.09.2019
Размер:
173.06 Кб
Скачать

ТРАНСКРИПЦИЯ (от лат. transcriptio, букв-переписывание), биосинтез РНК на матрице ДНК; первая стадия реализации генетич. информации, в ходе которой нуклеотидная последовательность ДНК считывается в виде нуклеотидной последовательности РНК (см. Генетический код). В основе этого процесса лежит принцип комплементарного спаривания пуриновых и пиримидиновых оснований (см. Компле-ментарность). Т. осуществляется с участием фермента РНК-полимеразы, использующей в качестве субстратов рибонук-леозидтрифосфаты. Кроме того, в транскрипции участвует большое число вспомогат. белков, регулирующих работу РНК-полимеразы.

Т. происходит на участках ДНК, наз. единицами Т. или трапскриптонами. В начале и конце транскрилтона расположены специфич. нуклеотидные последовательности -соотв. промотор и терминатор. Существование множества транскриптонов обеспечивает возможность независимого считывания разных генов, их индивидуального включения и выключения. У животных, растений и др. эукариот в состав транскриптона, как правило, входит один ген. Транс-криптоны бактерий обычно наз. оперонами; мн. из них содержат по неск. генов, обычно функционально связанных (напр., кодирующих неск. ферментов, участвующих в синтезе той или иной аминокислоты).

Процесс синтеза РНК можно разделить на четыре основные стадии: 1) связывание РНК-полимеразы с промотором, 2) начало синтеза цепи РНК (инициация), 3) рост цепи РНК (элонгация), 4) завершение синтеза цепи РНК (терминация).

Связывание РНК-полимеразы с промотором включает по крайней мере два этапа. На первом РНК-полимераза образует с промотором закрытый комплекс, в котором ДНК сохраняет двухспиральную структуру, а РНК-полимераза еще не способна начать синтез РНК. На втором закрытый комплекс превращается в открытый, в котором РНК-полимераза расплетает примерно один виток двойной спирали ДНК в районе стартовой точки-нуклеотида, с которого начинается комплементарное копирование матрицы.

При наличии субстратов РНК-полимераза в открытом комплексе осуществляет инициацию. Первый нуклеотид (обычно это аденозин- или гуанозинтрифосфат) входит в состав цепи целиком, а последующие присоединяются к группе 3'-ОН предыдущего нуклеотида с образованием фос-фодиэфирной связи и освобождением пирофосфата (см. Нуклеиновые кислоты). На стадии инициации образующаяся РНК связана с матрицей и ферментом непрочно и может отделиться от комплекса. В этом случае РНК-полимераза, не покидая промотора, снова инициирует РНК (такой синтез коротких рибонуклеотидов наз. абортивным). Стадия инициации завершается, когда цепь РНК достигает критич. длины (от 3 до 9 нуклеотидов на разных промоторах); при этом от РНК-полимеразы отделяется s-субъединица.

Считают, что в процессе элонгации примерно 13 нуклеотидов РНК образуют гибридную спираль с матричной нитью расплетенной ДНК (всего на этой стадии в ДНК расплетено примерно 18 нуклеотидов). По мере движения РНК-полимеразы по матрице впереди нее происходит расплетание, а позади восстановление двойной спирали ДНК. Одновременно происходит вытеснение очередного звена растущей цепи РНК из комплекса с матрицей.

Цепь РНК растет в направлении 5' : 3' по мере продвижения РНК-полимеразы по цепи ДНК в направлении от 3'-конца к 5'-концу. Средняя скорость роста цепи РНК у бактерии Escherichia coli (E. coli) составляет 40-45 рибонуклеотидов в секунду. В процессе удлинения цепи РНК фермент движется по ДНК с непостоянной скоростью. В некоторых участках матрицы происходят длительные задержки в его продвижении, т. наз. паузы (некоторые стадии Т. показаны на рис.).

На стадии злонгации в состав транскрибирующего комплекса входит ряд дополнит. белков, от которых зависит протекание завершающей стадии транскрипции -терминации. Один из таких белков, кодируемых геном nusA E. coli, занимает в РНК-полимеразе место s-субъединицы. Др. бактериальный фактор терминации r взаимод. с РНК.

Терминация Т., как правило, происходит в строго определенных участках матрицы - терминаторах, в которых от матрицы отделяются РНК и РНК-полимераза; последняя, объединившись со свободной s-субъединицей, может вступить в следующий цикл Т. В терминаторах, для узнавания которых РНК-полимеразе не требуется фактора р, нуклеотидная последовательность характеризуется двумя особенностями: по ходу Т. перед точкой терминации расположен участок, богатый парами dG-dC (дезоксигуанозин-дезоксицити-дин), а затем участок, состоящий из 4-8 расположенных подряд остатков дезоксиадениловой кислоты. Предполагают, что после прохождения РНК-полимеразой участка, богатого dG-dC, в РНК возникает шпилька, которая препятствует продвижению фермента и разрушает часть спирали РНК-ДНК транскрибирующего комплекса. Оставшаяся часть гибридной спирали, включающая концевую полиуридиловую последовательность РНК, легко плавится (разрушается) ввиду крайней нестабильности комплементарной пары уридин-дезоксиаденозин, что и приводит к освобождению РНК.

Мн. терминаторы узнаются РНК-полимеразой только с помощью белковых факторов терминации. Из них наиб. изучен фактор r E. coli-олигомерный белок с мол. м. 46 тыс. Фактор r присоединяется к определенным участкам синтезируемой РНК (не имеющим протяженных двухспи-ральных структур) до того, как РНК-полимераза достигает терминатора. Предполагается, что фактор r передвигается вдоль РНК вслед за РНК-полимеразой, используя для этого энергию гидролиза нуклеозидтрифосфатов, и способствует диссоциации гибрида РНК с матричной нитью ДНК.

Скорость Т. разл. генов может отличаться в тысячи раз; в столь же больших пределах может изменяться скорость Т. одного и того же гена в разных тканях многоклеточного организма или в одной клетке в зависимости от изменяющихся внеш. условий или внутр. программы. На стадии инициации регуляция Т. осуществляется благодаря наличию особых белков-регуляторов (см. Регуляторные белки), способных присоединяться к определенным участкам ДНК и тем самым препятствовать или помогать РНК-полимеразе инициировать синтез РНК на промоторе.

У прокариот регуляция Т. часто осуществляется на стадии терминации в особых терминаторах (называемых аттенюаторами), расположенных в начале или внутри оперонов.

Существует также обратная Т.-синтез ДНК на матрице РНК. Такой синтез осуществляется у ретровирусов (семейство РНК-содержащих вирусов) с участием фермента ревер-тазы (обратная транскриптаза). В ходе обратной Т. образуется вначале гибрид РНК-ДНК, который реплицирует под действием ДНК-зависимой ДНК-полимеразы (см. Полиде-зоксирибонуклеотид-синтетазы) с образованием двухцепо-чечной спирали ДНК. Последняя также подвержена репликации и способна включаться в геном инфицированной клетки и служить там матрицей для вирусной РНК. Т. обр., поток генетич. информации у ретровирусов направлен от РНК к ДНК и затем обратно к РНК.

РНК-полимеразу открыли С. Вейс, Ж. Гурвиц и О. Стивене в 1960; ими же установлено ее значение в синтезе РНК. Концепцию транскриптона (оперона) сформулировали Ф. Жакоб и Ж. Моно в 1961. X. Темин и Д. Балтимор в 1970 открыли обратную транскриптазу и механизм синтеза ДНК на РНК-матрице.

Роль σ-субъединицы прокариотической рнк-полимеразы

Присоединение РНК-полимеразы к промотору можно ускорить не только с помощью изменений промоторной области ДНК, но и воздействуя на структуру самой РНК-полимеразы. Например, набор тех генов, к промоторам

которых будет присоединяться РНК-полимераза, определяется с помощью σ-субъединицы (сигма-субъединицы) этого фермента. Сигма-субъединица (рис. 7) “позволяет” или “не позволяет” РНК-полимеразе “прилипнуть” к нужному промотору. Если присоединения к промотору не произошло, то белок с гена, контролируемого данным промотором, синтезироваться не будет.

Распространена гипотеза сменных σ-субъединиц: в зависимости от того, к какому промотору следует присоединиться РНК-полимеразе, в коровой части фермента будет присутствовать σ-субъединица то одного, то другого типа (так же, как мы меняем насадки миксера или пылесоса при выполнении разной работы). Нуклеотидные последовательности промоторов, опознаваемых разными σ-субъединицами, существенно различаются и, как правило, не могут быть распознаны более чем одной σ-субъединицей. Например, у бактерии Bacillus subtilis один тип σ-субъединиц распознает последовательность ТТГАЦА, расположенную в положении “-35” и последовательность ТАТААТ в положении “-10”. Для распознавания другим типом σ-субъединиц этой же бактерии указанные последовательности должны быть АТАТТ и АТАЦА соответственно.

Транскрипцию практически всех жизненно важных генов, обеспечивающих гомеостатические клеточные процессы (репликацию ДНК, транскрипцию, трансляцию и т.д.), обеспечивают σ-субъединицы, называемые

основными. Остальные процессы требуют альтернативных σ-субъединиц, которых в настоящее время описано не менее десяти. Например, у E. coli при резком повышении температуры (тепловом шоке) начинает синтезироваться альтернативная субъединица σ32 (с молекулярной массой 32 кДа). Ее присутствие придает РНК-полимеразе способность находить промоторы генов, кодирующие защитные белки – БТШ (белки теплового шока). Дополнительная информация о разнообразии σ-субъединиц E. coli и контролируемых ими процессах

У прокариот σ-субъединицы позволяют эффективно контролировать целые блоки генов. Являясь обычно конечным (реже – промежуточным) звеном какого-либо регуляторного каскада, они не детектируют изменение средовых условий сами, а полагаются в этом на другие белки. Поэтому синтез и функционирование σ-субъединиц обычно также подвержены регуляции.

ρ-зависимые и ρ-независимые терминаторы, их роль в регуляции

Существуют белковые факторы, одни из которых препятствуют, а другие – способствуют терминации. В случае ρ-зависимой терминации регуляция синтеза белка возможна через воздействие на активность ρ-белка. Для прокариот известно два типа терминации транскрипции: ρ-зависимая и ρ-независимая. Процесс ρ-зависимой терминации показан на рис. 10.

Главным фактором терминации транскрипции у бактерий является белок ρ (“ро”), или ρ-фактор, или Rho-фактор, состоящий из шести субъединиц.

До последнего времени считалось, что ρ-фактор, присоединившись к 5’-концу РНК, начинает двигаться по ней с той же скоростью, с какой РНК-полимераза движется по ДНК. В районе ρ-зависимого терминатора, отличающегося большим содержанием Г-Ц-пар азотистых оснований, РНК-полимераза притормаживает, так как ей трудно разрывать по три водородные связи в парах “гуанин – цитозин”. Поэтому ρ-белок, скорость которого осталась прежней, догоняет РНК-полимеразу и взаимодействует с ней, изменяя ее конформацию. В результате РНК-полимераза отделяется от ДНК. Согласно данной модели, ρ-фактор первоначально связан только со строящейся РНК, но не с РНК-полимеразой. Лишь позднее он взаимодействует с этим ферментом.

По современным представлениям, ρ-фактор сразу связывается с РНК-полимеразой на старте транскрипции, еще до возникновения какого-либо

фрагмента РНК. Как только строящаяся РНК становится достаточно длинной, ρ-фактор “продевает” ее сквозь себя, при этом образуя из нее петлю, и начинает тормозить движение РНК-транскрипта с использованием энергии АТФ. Из-за образования петли нарастает пространственное напряжение, которое в районе ρ-зависимого терминатора приводит к изменению конформации ρ-фактора. Это, в свою очередь, изменяет конформацию РНК-полимеразы и инактивирует ее. В итоге элонгационный комплекс останавливается в зоне терминатора, а затем медленно распадается на составные элементы.