6.Транскрипция. Трансляция. Альтернативный сплайсинг. Основные характеристики генетического кода. Рамка считывания.

в 1956 г. Ф. Крик обосновал основные пути передачи генетической информации и оформил их в виде «Центральной догмы молекулярной биологии»:

ДНК ↔ ДНК → РНК → белок

репликация транскрипция трансляция

Все пути переноса информации осуществляются на матричной основе и протекают в три этапа: инициации, элонгации и терминации.

I. Основной (классический = общий) путь переноса генетической информации:

― ДНК→ДНК (воспроизведение информации при репликацииДНК);

― ДНК→РНК→белок (транскрипция и трансляция).

II. Специализированный перенос генетической информации в клетке(более редкий)

― РНК→РНК (репликация РНК, т. е. синтез РНК по РНК-матрице).происходит с помощью фермента РНК-репликазы у РНК-содержащих вирусов, у которых РНК является геномной;

― РНК→ДНК (обратная транскрипция);

― ДНК→белок: от ДНК непосредственно к белкам: (трансляция белка). Было показано, что в присутствии некоторых антибиотиков (например, стрептомицина) рибосомы могут связываться с одноцепочечными кольцевыми ДНК и непосредственно их транслировать. Перенос этого типа в природе не найден и наблюдался только в лабораторных условиях.

III. Невозможные (запрещенные) пути переноса: белок→белок, белок→ДНК, белок→РНК. Белок не может служить матрицей для синтеза ДНК или РНК, т. к. у молекул белка нет свойства комплементарности отдельных частей молекулы, что позволило бы использовать ее как матрицу.

Транскрипция (или биосинтез РНК на матрице ДНК). Считывание генетической информации происходит с участка одной цепи-матричной (смысловой). Последовательность нуклеотидов во второй (противоположной, антисмысловой) цепи совпадает с последовательностью нуклеотидов РНК, на которую переписывается информация. В отличие от репликации, транскрипция идет не на всей ДНК-матрице, а на определенном ее участке (транскриптоне), где располагается структурный ген соответствующего белка (или тРНК, рРНК) или группа функционально сходных генов. Каждому работающему гену (или группе генов) соответствует своя молекула мРНК. Транскриптон с двух сторон ограничен сигнальными специфическими последовательностями: промотором, служащим для присоед.фермента ДНК-зависимой РНК-полимеразы и инициации транскрипции, и терминатором, служащим для остановки транскрипции.РНК синтезируется в направлении от 5′- к 3′-концу. Промотор обычно располагается вначале гена перед кодирующей последовательностью (5′-фланкирующая последовательность), а терминатор― после (3′).

У эукариот в состав транскриптона входит, как правило, только один ген, а у прокариот транскриптоны полицистронны и часто содержат несколько функционально связанных генов, организованых в опероны. Поэтому синтезируемая на оперонах мРНК является полицистронной и может быть использована для синтеза нескольких белков. У прокариот структурный ген представляет собой непрерывный кодирующий участок молекулы ДНК. У эукариот ― большинство генов имеет мозаичную структуру, т. е. состоит из кодирующих (экзонов) и некодирующих (интронов) участков. Первичный транскрипт (или про-мРНК) включает и экзоны и интроны, а затем происходит его «созравание» ― процессинг, в ходе которого осуществляется вырезание интронов и сшивание экзонов (сплайсинг), а также модификация 5′-конца (кэпирование ― присоединение 7-метилгуанозина) и 3′-конца (полиаденилирование ― ферментативное присоединение остатков аденина с образованием поли-А хвоста). Зрелая мРНК выходит из ядра в цитоплазму, где на ней происходит синтез белка. Однако иногда сплайсинг осуществляется по альтернативному типу.

Трансляция, или процесс перевода генетической информации с последовательности мРНК в последовательность аминокислот в молекуле полипептида осуществляется в цитоплазме на специфических рибосомах. Способом записи генетической информации в молекулах ДНК и РНК является генетический код. Основные свойства ген кода: триплетность (включение одной аминокислоты в полипептидную цепь кодируется 3 нуклеотидами― кодоном), неперекрываемость (два соседних кодона не имеют общих нуклеотидов), непрерывность считывания (код не имеет «запятых», т. е. считывается непрерывно со стартовой точки в пределах гена в одном направлении― от 5′- к 3′-концу), вырожденность (за включение одной аминокислоты в полипептидную цепь могут отвечать несколько кодонов), универсальность (единый для всех организмов).

Полный кодовый словарь всех 64 кодонов. Из них, однако, только 61 кодон оказался кодирующим (осмысленные кодоны), а три ― некодирующими (бессмысленными): UAA, UAG, UGA. Но как было установлено позже, они играют важную роль как терминаторы трансляции ― стоп-сигналы. Роль старт-сигналов выполняют кодоны AUG и GUG. Считывание начинается на одном конце гена и заканчивается на другом. Интервал между стартовым и стоп-кодоном называется открытой рамкой считывания (ORF).

Начало трансляции определяется рамкой считывания, т. е. одной из трех возможных последовательностей одного кодона. Поскольку генетический код триплетен, число возможных рамок считывания равно трем.

Например, для последовательности ACG:ACGACGACG,CGACGACGA,GACGACGAC

При этом в каждом из трех случаев будет синтезироваться иная полипептидная цепь, а какая именно последовательность станет рамкой считывания, будет определяться местом сборки рибосом (объединения большой и малой субъединиц). В процессе биосинтеза белка принимают участие три типа РНК: мРНК (на которую нанизываются рибосомы), рРНК (входящая в состав рибосом) и тРНК (низкомолекулярные РНК, главной функцией которых является акцептирование аминокислот и перенос их к месту сборки белковых молекул― рибосомам). Тип тРНК определяется антикодоном (участком, состоящим из трех нуклеотидов), комплементарным кодону мРНК, в соответствии с которым к акцепторному участку молекулы прикрепляется определенная аминокислота. Он имеет одинаковый состав у всех тРНК (CCA) на 3′-конце. Для прикрепления аминокислоты к соответствующей тРНК необходима ее активизация, т. е. взаимодействие с АТФ, что осуществляется под контролем фермента, специфичного для каждой аминокислоты― аминоацил-тРНК-синтетазы, которых тоже 20, как и аминокислот.

Процесс трансляции продолжается до тех пор, пока весь код гена не будет считан и не синтезирована вся кодируемая им полипептидная цепь. Сигналом для завершения трансляции служит один из трех стоп-кодонов в конце гена.

Альтернативный сплайсинг — процесс, в ходе которого экзоны, вырезаемые из пре-мРНК, объединяются в различных комбинациях, что порождает различные формы зрелой мРНК. В результате один ген может порождать не одну, а множество форм белка. Пре-мРНК некоторых генов эукариот могут подвергаться альтернативному сплайсингу. При этом интроны в составе пре-мРНК вырезаются в разных альтернативных комбинациях. Существует несколько механизмов альтернативного сплайсинга:Экзон может вырезаться или оставаться в составе мРНК. Один из двух «взаимоисключающих» экзонов вырезается, а другой остаётся.Использование альтернативного донорных сайтов: используются разные 5'-точки разрезания первичного транскрипта (донорные сайты), что изменяет 3'-границу вышележащего экзона. Использование альтернативных акцепторных сайтов: используются разные 3'-точки разрезания транскрипта (акцепторные сайты), так что меняется 5'-границы нижележащего экзона. Сохранение интронов в составе мРНК. В этом случае для сохранения функциональности белка интрон должен содержать последовательность нуклеотидов, не вызывающую сдвиг рамки считывания и не содержащую стоп-кодонов.Существуют и другие механизмы альтернативного сплайсинга.