Глава 2. Синтез рнк (Трансляция)
Процесс матричного копирования с ДНК, в результате которого синтезируется молекула РНК, называется транскрипция (transcription) (от лат. transcriptio – переписывание).
Эта молекула РНК является комплементарной копией того участка ДНК, с которого производится копирование. Фактически, в ходе транскрипции происходит «переписывание» генетической информации с «четырёхбуквенного языка ДНК» (А, Т, Г, Ц (аденин, тимин, гуанин, цитозин)) на «четырёхбуквенный язык РНК» (А, У, Г, Ц (аденин, урацил, гуанин, цитозин)).
В результате транскрипции синтезируются три основных типа РНК:
рибосомальные РНК (рРНК, ribosomal RNA, rRNA), из которых ассемблируется (собирается) рибосома;
транспортные РНК (тРНК, transfer RNA, tRNA), которые обеспечивают перенос аминокислот к рибосомам для синтеза полипептидных цепей белков;
матричные РНК (мРНК, messenger RNA, mRNA), которые содержат инфор- мацию о первичной структуре полипептидных цепей белков и используются рибосомами для матричного синтеза этих полипептидов.
Именно с процесса транскрипции начинается экспрессия генов и именно на этапе транскрипции реализовано большинство механизмов управления биосинтезом белков. Хотя необходимо заметить, что биосинтез белков регулируется также и на стадии трансляции, и на стадии посттрансляционной модификации белков.
В биотехнологии термином «экспрессия белка» принято обозначать суммарный процесс экспрессии гена (в результате которого синтезируется мРНК), трансляции этой мРНК на рибосоме (в результате которой синтезируется белок) и посттрансляционной модификации этого белка (в результате которой в организме-продуценте образуется полностью функциональный белок).
В самом схематичном виде процесс экспрессии гена показан на рисунке. После активации (инициации) в ходе транскрипции копирование гена в РНК (про-РНК) осуществляет фермент РНК-полимераза. В клетках эукариот эта РНК преобразуется в функциональную матричную РНК (мРНК) в ходе процессинга РНК, при котором из про-РНК удаляются некодирующие участки (интроны), а кодирующие (экзоны) соединяются вместе. мРНК перемещается из ядра в цитоплазму, соединяется с малой и большой субъединицами рибосомы и начинается трансляция – синтез полипептидной цепи белка.
Рисунок 2 – «Экспрессия» генов
Рассмотрим процесс транскрипции более детально.
В качестве матрицы в процессе транскрипции используется только одна из двух полинуклеотидных цепей ДНК. Синтез РНК осуществляется на основе принципа комплементарности азотистых оснований мононуклеотидов строящейся РНК, азотистым основаниям мононуклеотидов ДНК-матрицы.
Катализатором образования полинуклеотидной цепи РНК является фермент ДНК- зависимая РНК-полимераза (РНК-полимераза). Он представляет собой олигомерный белок, состоящий из пяти субъединиц. В структуру его активного центра входят ионы магния Mg2+, электростатически удерживаемые отрицательно заряженными боковыми радикалами аспарагиновой кислоты (Asp).
В клетках существует три основные разновидности ДНК-зависимой РНК-полимеразы:
тип I – локализуется в ядрышке и участвует в синтезе рРНК (РНК-полимераза I);
тип II – локализуется в нуклеоплазме и принимает участие в синтезе мРНК (РНК- полимераза II);
тип III – локализуется в нуклеоплазме и принимает участие в синтезе тРНК (РНК- полимераза III).
В отличие от ДНК-полимеразы, для начала синтеза РНК ферменту РНК-полимераза не нужен праймер. РНК-полимераза присоединяет мононуклеотиды растущей полинуклеотидной цепи в строго определённом направлении – от 5' конца к 3' концу.
Транскрипция происходит в три стадии:
инициация (начало синтеза полинуклеотидной цепи РНК);
элонгация (рост полинуклеотидной цепи);
терминация (завершение
синтеза РНК).
Рисунок 3 – Транскрипция
Инициация транскрипции. В ходе инициации транскрипции РНК-полимераза распознаёт
промотор – специфическую последовательность пар нуклеотидов в двойной спирали ДНК – и связывается с ним.
Для нахождения промотора и инициации трансляции необходимо присутствие специфических белков, которые называются факторы транскрипции.
После связывания с промотором РНК-полимераза расплетает («плавит») ДНК для того, чтобы освободить нуклеиновые основания матричной цепи ДНК для спаривания с рибонуклеозидтрифосфатами (НТФ, NTP). Всего РНК-полимераза «плавит» приблизительно 14 пар оснований ДНК вокруг стартовой точки транскрипции, образуя «область транскрипции» (transcription bubble).
На стадии элонгации РНК-полимераза перемещается по ДНК «пошагово», на один нуклеотид за один шаг, расплетая спираль ДНК впереди по направлению движения, и восстанавливая двойную спираль ДНК сзади.
За один шаг один рибонуклеотид присоединяется к 3'-концу растущей (nascent) нити РНК. Примерно 8 нуклеотидов на 3'-конце растущей РНК остаются спаренными с нуклеотидами матричной цепи ДНК в области транскрипции, образуя ДНК-РНК гибридную область.
Процесс элонгации РНК регулируется различными факторами. Например, одним из ингибиторов элонгации является антибиотик актиномицин D.
Актиномицин D встраивает (интеркалирует) феноксазоновую систему колец (phenoxazone ring system) между соседними парами оснований в ДНК, раскручивает ДНК на 23◦ и раздвигает соседние пары оснований на 7 Å, что препятствует перемещению РНК-полимеразы по ДНК (эффект «заедания молнии»).
Последний этап транскрипции – терминация, – при котором синтезированная РНК, или первичный транскрипт (primary transcript), освобождается от РНК-полимеразы, а сама полимераза диссоциирует с матричной ДНК. Определённая последовательность пар нуклеотидов ДНК – терминатор – сигнализирует полимеразе об окончании транскрипции. Освобождённая полимераза может сразу же приступать к транскрипции этого же или другого гена.