Глава 6. Экспрессия генетического материала

Как уже было сказано выше, экспрессия генетического материала – это процесс реализации наследственного материала, который осуществля- ется в клетках в процессе клеточного цикла и обеспечивает реализацию генетической информации путем ее активации. Механизмами экспрессии генов является транскрипция ДНК и трансляция РНК.

6.1. Транскрипция днк (синтез рнк)

Транскрипция ДНК – это первая стадия реализации генетической информации, обеспечивающая перенос информации с молекулы ДНК на одноцепочную молекулу РНК, в ходе которого осуществляется биосинтез РНК на матрице ДНК.

Транскрипция ДНК осуществляется как в делящихся клетках, так и в неделящихся. У прокариот она осуществляется постоянно, независимо от этапа клеточного цикла, практически одновременно с репликацией (только на разных участках ДНК. У эукариот – постоянно, кроме периода реплика- ции и собственно деления. В основе транскрипции лежит фундаментальный принцип комплементарности азотистых оснований цепей молекул ДНК и РНК. Синтез РНК идет в направлении 5′→3′, подобно синтезу дочерних нитей ДНК. Матрицей служит та цепь ДНК, у которой направление цепи будет антипараллельно синтезирующейся РНК, то есть, нить ДНК с направлением 3′→5′. Эта цепь называется кодогенной или матричной.

Процесс транскрипции осуществляется при участии комплекса ферментов – РНК–полимераз и белков, регуляторов транскрипции. В системе контроля реализации генетической информации, особенно, конт- роля дифференциальной активности генов в онтогенезе транскрипция играет ведущую роль.

РНК-полимеразы, так же как и ДНК–полимеразы, относятся к трансферазам, использующих в качестве субстрата нуклеозидтрифосфаты и активных в присутствии ионов Мg²⁺, но они работают без праймера (РНК-затравки). Для синтеза РНК они используют рибонуклеозит- 5^′-трифосфаты – рАТФ, рГТФ, рЦТФ и рУТФ, которые в ходе включения в цепь теряют пирофосфатные остатки; освободившаяся энергия используется в ходе синтеза РНК.

Свободный рНТФ → рНМФ + пирофосфат.

включаются в растущую цепьРНК

Рост новосинтезированной РНК идет путем присоединения рибонуклеозид-5^′-монофосфатов (рАМФ, рГМФ, рЦМФ, рУМФ) к 3′-гидроксильной группе рибозы предшествующего нуклеотида (рис.101). Последовательность нук-

леотидов в молекуле РНК определяется последовательностями нуклеотидов в матрице ДНК.

Рис.101. Синтез РНК на матричной цепи ДНК.

Транскрипция у всех организмов осуществляется не со всей молекулы ДНК, а с ее участка, который называется терминационный единицей или транскриптоном (рис.102). Транскриптон начинается промотором (зона начала транскрипции) и оканчивается терминатором (зона окончания транскрипции). Транскриптоны прокариот являются оперонами (см. Гены прокариот). Поскольку в состав оперона входят несколько цистронов (структурных генов), то синтезируемая с них мРНК будет полицистронной, то есть, включать последовательность нуклеотидов нескольких цистронов и в дальнейшем будет использована для синтеза нескольких белков. У эукариот мРНК – моноцистронная: служит матрицей для синтеза только одного белка.

Рис.102. Схема процесса транскрипции у Е.соli (Из: Айяла-Кайгер, 1988).

Регуляцию транскрипции осуществляют белки регуляторы или факторы транскрипции, которые осуществляют белок - белковые и белок – нуклеиновые взаимодействия, способствуя усилению или ослаблению скорости транскрипции. Они связываются с определенными последователь -ностями ДНК, расположенными в самых транскриптонах или в областях отдалённых от него. Эти области называется энхансеры (см. Отделы ДНК) или сайленсеры. Дополнительным моментом усиления или ослабления транскрипции могут выступать модификации самих белков–регуляторов, взаимодействие их с небелковыми компонентами и другими факторами транскрипции, необходимыми для правильного узнавания промоторов и терминаторов транскрипции; взаимодействие с ними также обеспечивает повышение или понижение уровня транскрипции в ответ на внешние или внутренние сигналы.

Транскрипция осуществляется в 4 этапа:

1 - связывание молекул РНК-полимераз с ДНК и узнавание промот-ра;

2 - инициация (начало транскрипции);

3 - элонгация (рост цепи РНК);

4 - терминация (завершение транскрипции).

На первом этапе происходит связывание РНК-полимераз с молекулой ДНК и поиск промотора, на котором образуется инициаторный комплекс. Инициация терминации заключается в образовании первых фосфодиэфирных связей во вновь синтезируемой молекуле РНК. Элонгация – это удлинение молекулы РНК за счет присоединения нуклеозид-5- монофосфатов. Заканчивается элонгация при достижении РНК-полимеразой специфических участков ДНК, называемых терминаторами. После этого молекула РНК и РНК-полимераза отсоединяются от молекулы ДНК. РНК-полимераза может вступить в новый цикл транскрипции, а вновь- синтезированная РНК (РНК-транскрипт или пре-РНК) претерпевает пост- транскрипционную модификацию и принимает участие в процессе трансляции РНК (рис.103).