95 Розділ 5. Транскрипція: прокаріоти

Down, down, down. There was nothing else to do.

Lewis Carroll

"Alice's adventures in Wonderland"

Транскрипція (transcription) – процес синтезу РНК з використанням одного з ланцюгів ДНК у якості матриці, тобто “переписування“ послідовності нуклеотидів ДНК у послідовність нуклеотидів РНК. Зростання ланцюга РНК відбувається у напрямі від 5' до 3'-кінця. Субстратами реакції є 3'-кінцева ОН-група рибози зростаючого транскрипта (ланцюга РНК, що синтезується) та рибонуклеозидтрифосфати (rNTP). Фермент, що каталізує цю реакцію – ДНК-залежна РНК-полімераза (DNA dependent RNA Polymerase, RNAP). Приступаючи до розгляду прокаріотичної системи транскрипції, слід зауважити, що молекулярні механізми синтезу РНК є значною мірою спільними для усіх живих організмів.

РНК-полімераза

Загальний сценарій транскрипції у бактерій

Рис. 5.1. Ініціація транскрипції бактеріальною РНК-полімеразою.

Бактеріальна РНК-полімераза складається з кількох білкових субодиниць та існує, в залежності від стадії транскрипції, у двох формах: 1) кор-фермент (core enzyme) у складі субодиниць, що позначаються як α (дві копії), β, β' та ω; 2) голофоремент (holoenzyme) – комплекс кор-фермента із субодиницею σ. Кор-фермент має досить високу неспецифічну спорідненість до ДНК, що дозволяє йому працювати на різноманітних послідовностях. Поява субодиниці σ у складі голофермента призводить до зниження загальної неспецифічної спорідненості, але при цьому з'являється специфічна спорідненість до особливих ділянок, з яких транскрипція має розпочинатися – промоторів (promoters). За рахунок цього голофермент має змогу ефективно перебирати (шляхом зв'язування та швидкої дисоціації) різноманітні ділянки ДНК, здійснюючи пошук промотора, взаємодія з яким є більш міцною. Субодиниця σ, таким чином, виконує роль загального фактора ініціації транскрипції. Різні промотори розрізняються за спорідненістю до голофермента (силою промотора). Відповідно, впізнання слабких промоторів залежить від додаткових, специфічних для даного гена чи групи генів, факторів ініціації (див. нижче).

Робочий цикл РНК-полімерази складається з наступних стадій.

• Ініціація транскрипції, яка, у свою чергу, є багатостадійним процесом (рис. 5.1):

  • Зв'язування голофермента з промотором. У результаті формується закритий комплекс, у складі якого ДНК зберігає форму подвійної спіралі.

  • Локальне плавлення подвійної спіралі з утворенням відкритого комплексу – розходження ланцюгів ДНК, яке дозволяє використовувати один з них у якості матриці.

  • Включення перших двох нуклеотидів до молекули РНК (синтез першого фосфодіефірного зв'язку в активному центрі полімерази) – найбільш повільна стадія процесу.

  • Зростання первинного короткого транскрипту – приєднання 8-9 нуклеотидів. Після цього є можливою абортивна ініціація (визволення короткого транскрипту) – невдала спроба ініціації.

  • У іншому випадку відбувається очистка промотора – дисоціація σ-фактора, яка маркує перехід до елонгації транскрипці.

• Елонгація транскрипції, у кожному елементарному акті якої (елонгаційному циклі) відбувається приєднання чергового нуклеотида до 3'-кінця РНК та пересування кор-фермента на один нуклеотид уздовж матриці (транслокація).

• Термінація транскрипції при впізнанні полімеразою спеціального сигналу термінації (особливого елементу послідовності), коли відбувається визволення транскрипту. Далі кор-фермент знов взаємодіє з σ-субодиницею і здійснює новий пошук промотору.

Суттєвою особливістю прокаріотичної системи транскрипції білкових генів є те, що молекула мРНК зв'язується з рибосомами безпосередньо під час транскрипції – транскрипція мРНК і білковий синтез (розділ 8) є єдиним процесом.