Транскрипция у прокариот

Бактериальные РНК-полимеразы ‒ сложные белки, состоящие из нескольких типов субъединиц. Холофермент Е.соli содержит 5 разных субъединиц: 2 α-субъединицы, β-, βʹ-субъединицу, σ- и ω-субъединицы. Альтернативная форма фермента, лишенная σ-субъединицы, называется мини-ферментом или кор-ферментом. Он способен транскрибировать ДНК в РНК, однако не может инициировать синтез РНК в нужном месте, поскольку не способен узнавать промоторные сайты. Точное связывание и инициация в промоторах происходят только после добавления к кор-ферменту σ-субъединицы и образования холофермента (рис.30.1).

Транскрипция аналогична репликации в том смысле, что порядок присоединения рибонуклеотидов определяется комплементарным спариванием оснований. После формирования первых нескольких фосфодиэфирных связей (обычно 5-10) σ-субъединица отделяется от инициирующего комплекса, а дальнейшая транскрипция осуществляется с помощью кор-фермента.

Рис. 30.1. Общая схема транскрипционного цикла

Как и другие матричные процессы, транскрипция включает три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.

Инициация транскрипции

На этом этапе транскрипции необходимы холофермент, специальная последовательность нуклеотидов в ДНК (промотор) и набор нуклеозидтрифосфатов. Транскрипция инициируется при образовании стабильного комплекса между холоферментом и промотором, расположенным в начале всех транскрипционных единиц.

Промотор ‒ это участок молекулы ДНК, состоящий примерно из 40 пар нуклеотидов и расположенный непосредственно перед участком инициации транскрипции. В нем различают две важные и достаточно консервативные по составу последовательности. Одна из них состоит из шести или семи нуклеотидов (чаще ТАТААТ) и расположена на расстоянии примерно 10 нуклеотидов от первого транскрибируемого нуклеотида (+1); эту последовательность обычно обозначают как ‒10-последовательность, или Прибнов-бокс, (в честь ее первооткрывателя Прибнова). В данном сайте РНК-полимераза связывается с ДНК. Вторая последовательность расположена на расстоянии примерно 35 нуклеотидов до сайта инициации (-35) и служит участком распознавания промотора РНК-полимеразой (рис.30.2).

Рис.30.2. Структура промотора у прокариот

Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетение двойной спирали ДНК и образование открытого промоторного комплекса (рис.30.3), так называемого транскрипционного «глазок». Благодаря этому нуклеотиды матричной цепи ДНК в области «глазка» становятся доступными для спаривания с рибонуклеозид-трифосфатами.

Рис. 30.3. Схема инициации транскрипции

Происходит копирование последовательности смысловой, или (+)-цепи ДНК, имеющей направление 5ʹ→ 3ʹ. При этом первым в строящуюся цепь РНК всегда включается пуриновый нуклеотид ‒ АТР или GTP, сохраняющий все три его фосфатных остатка. Затем образуется первая 5ʹ,3ʹ-фосфодиэфирная связь. Далее σ-субъединица теряет связь с ферментом, а кор-фермент начинает перемещаться по ДНК.

Элонгация транскрипции

Растущая цепь РНК остается связанной с ферментом и спаренной своим растущим концом с участком матричной цепи. Остальная часть образовавшейся цепи не связана ни с ферментом, ни с ДНК. По мере продолжения транскрипции кор-фермент, движущийся вдоль цепи ДНК, действует подобно застежке «молния», расплетая двойную спираль, которая замыкается позади фермента, и восстанавливается ее исходная дуплексная структура. «Раскрытая» ферментом область ДНК простирается всего на несколько нуклеотидов (рис.30.4).

Наращивание РНК идет в направлении от 5ʹ- к 3ʹ-концу вдоль матричной (‒)-цепи, ориентированной в направлении 3ʹ→5ʹ, т.е. антипараллельно. РНК наращивается на 3ʹ-конце. В ходе присоединением каждого нуклеотида кор-фермент делает шаг по ДНК и сдвигается на один нуклеотид. Размер белкового комплекса, составляющего кор-фермент, 150 Ǻ. Размеры РНК-полимеразы − 150×115×110Ǻ.

Рис. 30.4. Элонгация транскрипции

Скорость работы РНК-полимеразы – до 50 нуклеотидов в секунду. Комплекс кор-фермента с ДНК и РНК называется элонгационным комплексом. В нем находится ДНК-РНК гибрид. Это участок, на котором ДНК спарена с РНК и 3′-конец РНК открыт для дальнейшего роста. Размер этого гибрида – 9 пар оснований. «Расплетенный» участок ДНК занимает примерно 12 пар оснований.

Перед «расплетенным» участком РНК-полимераза связана с ДНК. Этот участок называется передним дуплексом ДНК, его размер – 10 пар оснований. Полимераза связана также с более длинной частью ДНК, называемой задним дуплексом ДНК. Размер матричных РНК, которые синтезируют РНК-полимеразы у бактерий, может достигать 1000 нуклеотидов и больше. В эукариотических клетках размер синтезируемых ДНК может достигать 100000 и даже нескольких миллионов нуклеотидов. Правда, неизвестно, существуют ли они в таких размерах в клетках, или в процессе синтеза могут успеть процессировать.

Элонгационный комплекс довольно стабилен, т.к. должен выполнить большую работу (рис.30.5). Он способен перемещаться по ДНК со скоростью до 50 нуклеотидов в секунду. Этот процесс называется перемещением (или транслокацией). Взаимодействие ДНК с РНК-полимеразой (кор-ферментом) не зависит от последовательности этой ДНК, в отличие от σ-субъединицы. При прохождении определенных сигналов терминации кор-фермент завершает синтез ДНК.

Рис.30.5. Элонгационный косплекс