2 курс / Биохимия / Книжки и сборники / Biokhimia_dlya_chaynikov

в разных местах цепи ДНК. Как промоторы, так и большинство генов-усили-

телей размещаются на одной нити ДНК с геном, который они регулируют; по-

этому они по сути выступают цис-активными элементами. Как обсуждалось

ранее, обычно промоторами являются блоки ТАТА (обычно располагаются между участками -30 и -100), ЦААТ и ГЦ (оба расположены между участками

-40 и -150). Гены-усилители могут находиться перед, после или внутри гена,

который будет подвергнут транскрипции. Если гены-усилители присутству-

ют в противоположной цепи ДНК, то они называются транс-активными, или

транскрипционными факторами другой нити ДНК.

В наиболее распространенном случае транскрипционный фактор TFIID (TF

обозначает транскрипционный фактор, а цифра II — РНК-полимеразу II) свя-

зывается с блоком ТАТА. Связывание становится возможным благодаря на-

личию у TFIID небольшого компонента, обозначаемого аббревиатурой ТВР

(TATA-box-binding protein — связывающий блок ТАТА белок), который име-

ет чрезвычайно высокое структурное сродство с ТАТА. Присоединение ТВР к

ДНК приводит к существенным изменениям в ДНК, включая раскручивание ее на несколько градусов.

Позже к ТВР присоединяются другие компоненты, используемые в процес- се транскрипции, в таком порядке: TFIIA, TFIIB, TFIIF, РНК-полимераза II и, наконец, TFIIE. Последняя группа представляет собой базовый транскрипци- онный комплекс. Это только одна из возможных комбинаций многочисленных

факторов инициации транскрипции.

В эукариотических клетках все или почти все продукты транскрипции (пре- курсоры) подвергаются дальнейшему преобразованию, прежде чем достигают конечной активной формы. В общем случае у прекурсоров тРНК удаляется на- чальный конец 5, в процессе сплайсинга извлекаются все интроны, поли(У)-

хвост заменяется последовательностью ЦЦА, а иногда даже изменяются не-

которые основания. Каждая из операций выполняется с помощью одного или нескольких ферментов.

Очень часто прекурсоры различных форм иРНК подвергаются значитель-

ным изменениям. В частности, у них добавляется “ колпачок” к концу 5 и по-

ли(А)хвост к концу 3. Колпачки нумеруются как 0, 1 и 2, где число указывает количество метилированных рибозных сахаров (рис. 16.5). У тРНК, мяРНК или рРНК такие колпачки отсутствуют.

У большинства иРНК есть поли(А)хвост, не закодированный ДНК. Обыч-

но перед добавлением этого хвоста расщепляется интронная часть прекурсо-

ра иРНК. Последовательность ААУАА указывает место, где происходит такое расщепление. Эта последовательность представляет собой только часть сиг-

нала; что является остальной частью сигнала, пока достоверно не известно. После расщепления поли(А)полимераза добавляет около 250 аденилатных

322 ЧАСТЬ 5 Генетика: почему мы такие, какие есть

остатков к концу 3. Точное назначение хвоста не ясно, но предполагается, что

Колпачок 2

иРНК

Рис. 16.5.Колпачки в общей структуре иРНК

В некоторых случаях прекурсоры иРНК нуждаются в редактировании. Под

редактированием понимается изменение последовательности оснований на

отличную от заданной в процессе сплайсинга. Для примера рассмотрим хи-

мическое преобразование одного основания в другое. Редактирование проис-

ходит в иРНК, кодирующей аполипопротеин В (аро-В), который состоит из 4536 остатков. Однако в метаболизме очень важной оказывается форма, обра- зованная из 2152 таких остатков. Наряду с этим востребована и более длинная форма белка, синтезируемая в печени, — она играет важную роль в транспорте

ГЛАВА 16 Расшифруй это! Транскрипция РНК 3^3

каждая. Аминокислоты с большим количеством кодонов в избытке присутству- ют в белках. Табл. 16.1 показывает, что большинство синонимичных кодонов

(кодирующих одну и ту же аминокислоту) сгруппированы вместе и различают- ся только последним основанием в кодоне. Сходство синонимичных кодонов предотвращает нанесение вреда организму возможными мутациями. В таблице приведены и другие корреляции; внимательно изучите ее, чтобы найти их.

Рис. 16.7. Структуры метионина и формилметионина

Коды запуска и завершения

Хотя тРНК не считывает конечные кодоны (УАА, УАГ и УГА), это делают

специфические белки, называемые рилизинг-факторами. Связывание рили-

зинг-фактора с рибосомой приводит к высвобождению синтезированного бел- ка, что сигнализирует о начале нового синтеза.

Втабл. 16.1 стоп-коды указаны в явном виде, а что насчет стартовых ко- дов? Что является сигналом для начала синтеза белка? Сигналом инициа- ции процесса обычно выступает последовательность АУГ, кодон метионина

(рис. 16.8). В эукариотических клетках в действие вступают дополнительные факторы. У многих бактерий исходной аминокислотой, которую обычно ко- дирует АУГ, является fMeT (формилметионин), однако иногда для этих целей применяется кодон ГУГ.

Генетический код практически универсален; в большинстве случаев кодоны соответствуют одной и той же аминокислоте, но есть несколько исключений.

Например, код митохондриальной ДНК несколько отличается от ядерной ДНК.

Вмитохондриальной ДНК кодон УГА выступает не стоп-кодом, а кодоном триптофана.

Впрокариотических клетках, в отличие от эукариотических собратьев, ко- дирование белков происходит непрерывно. У некоторых млекопитающих и

птиц гены прерывистые. Например, в генах, кодирующих Р-глобин, некото- рые участки не принимают участие в кодировке белка. В этом гене содержится

ГЛАВА 16 Расшифруй это! Транскрипция РНК 3^7

В этом разделе мы исследуем такие процессы в прокариотических клетках, а затем перейдем к изучению более сложных закономерностей в эукариотиче- ских клетках. Рассмотрение простых механизмов, свойственных прокариоти- ческим клеткам, позволит лучше понять сложные процессы в эукариотических клетках, хотя в своей основе они очень схожи.

Как и ранее будем изучать поведение прокариотической клетки на примере

кишечной палочки. Исследователи получили четкое представление о генной

регуляции, когда заменили богатый глюкозой рацион Е. coli рационом, состо- ящим преимущественно из лактозы. Для использования этого альтернативно- го источника энергии клетки должны вырабатывать фермент Р-галактозидазу. Этот фермент обычно синтезируется многими микроорганизмами, но ситуация усложняется при замене глюкозы на лактозу. Одна из ключевых задач нового

механизма состоит в увеличении выработки Р-галактозидазы, галактозидпер-

меазы (переносит лактозу в клетку) и тиогалактозидтрансацетилазы (обезвре-

живает другие вещества, переносимые галактозидпермеазой). Таким образом

всего одно изменение в окружающей среде вызывает образование множества ферментов. Изучение скоординированного механизма регулирования экспрес- сии генов стало возможным благодаря открытию оперона.

Модель Жакоба-Моно

Одновременное изменение уровней трех различных ферментов в результате изменения единственного фактора окружающей среды предполагает наличие связи между клеточными механизмами регуляции. Для объяснения принципов

генной регуляции биологи Франсуа Жакоб и Жак Моно предложили оперон-

ную модель. В такой модели участвуют регулирующий ген, который воздей- ствует на ряд структурных генов, и контрольный сайт. Оператор и связанные с ним структурные гены составляют оперон. Регулирующий ген отвечает за про- изводство репрессорного белка. Репрессорный белок связывается с контроль- ным сайтом и предотвращает экспрессию структурных генов, как показано на рис. 16.9 (надпись “ и т.д.” предполагает возможность регуляции большего ко- личества структурных генов, выполняемой по такой же схеме).

Многочисленные структурные гены отвечают за производство одной боль-

шой иРНК, и эта единственная нить РНК способна генерировать набор бел-

ков. иРНК, кодирующая множество белков, называется полигенной или поли-

цистронной.

Недостаток оперонов

Лактозный оперон (1ас-оперон) — это самый изученный оперон, который с

момента открытия в 1961 году расширил представление о механизме регуля- ции своего генома. Он представляет образцовую регуляторную систему. Лак- тозный оперон изображен на рис. 16.10.

ГЛАВА 16 Расшифруй это! Транскрипция РНК 3^9

Оператор и промотор

Рис. 16.9.Схема стандартного оперона

Промотор

/

Промотор Оператор

Рис. 16.10.Диаграмма1ас-оперона

Лактозный оператор ( lac-оператор) представляет собой палиндромную

последовательность ДНК с симметрией второго порядка. Повторение палин-

дрома не всегда точное. (Совпадение симметрии наблюдается у многих взаи- модействий ДНК-белок.) Лактозный оператор представляет собой следующую последовательность с центральной осью, выделенной буквами полужирного начертания.

5’-ТГТГТГГААТТГТГАГЦГГАТААЦААТТТЦАЦАЦА-3'

З'-АЦАЦАЦЦТТААЦАЦТЦГЦТААТГТТАААГТГТГТ-З'

Лактозный репрессор — это димерный белок, который может соединяться

и образовывать тетрамер. В отсутствие лактозы репрессор плотно связывается

соператором. Наличие репрессора не позволяет РНК-полимеразе разматывать

нить ДНК для инициации транскрипции. По своей сути репрессор выполняет

функции предохранителя.

Для лактозного оперона триггером является аллолактоза, а не лактоза. И лак- тоза, и аллолактоза — это дисахариды, состоящие из галактозы и глюкозы (рис. 16.11), которые отличаются расположением a-связи: у галактозы связь а (1-4), а в аллолактозы — а (1-6). Аллолактоза возникает тогда, когда не-

сколько молекул р-галактозидазы, обычно присутствующих в клетке, впервые

сталкиваются с лактозой. Вместе с несколькими подобными молекулами этот дисахарид выступает индуктором лактозы. Индуктор связывается с репрессо- ром и уменьшает сродство последнего с оператором в ДНК. С уменьшением сродства репрессор отделяется от оператора, и сегмент ДНК открывается для

дальнейших преобразований.

330 ЧАСТЬ 5 Генетика: почему мы такие, какие есть