2 курс / Лекция 15. Транскрипция, или биосинтез РНК

Лекция 15

ТРАНСКРИПЦИЯ, или биосинтез РНК

Часть ДНК, которая копируется в процессе биосинтеза РНК, носит

название оперона, т.е. часть генома, на которой синтезируется 1 молекула

РНК.

1.Поскольку ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, а РНК из одной, то транскрибируется только одна цепь – «+» цепь («плюс»-цепь).

2. Оперон имеет сигналы начала и конца считывания.

Аминокислоты кодируются триплетами, которые никак не отделяются друг от друга в РНК. Рибосома считывает по три нуклеотида. Рибосоме всё равно что считывать. Представим, что на один нуклеотид считывание началось позже. В этом случае рамка считывания сдвигается и образуется бракованная копия, кодирующая совсем другой белок. Точно также сдвиг может произойти на два нуклеотида. Если сдвиг произойдёт на 3 нуклеотида, то в белке не будет одной аминокислоты. При сдвиге на 1, 2 нуклеотида возникают бессмысленные копии.

Синтез РНК должен начаться с точностью до одного нуклеотида во избежание сдвига рамки считывания, для этого существуют сигналы начала и конца считывания – это промотор и терминатор. Считывание будет осуществляться от промотора до терминатора.

Оперон содержит информативные и неинформативные зоны.

Соотношение информативных и неинформативных зон различается:

упрокариот 9 : 1

уэукариот – 1: 9.

Т.е. у эукариот только 10% оперона являются кодирующими. Чем выше организм в эволюционном развитии, тем протяжённее у него регуляторные зоны. Почему?

В наших клетках ДНК вся одинаковая, а белки каждой ткани синтезируются разные. Этот процесс называется дифференцировка, она зависит от дифференциальной экспрессии генов. Например, у эмбриона из одних типов клеток начинают возникать клетки кожи и нервные клетки.

На каком этапе (репликация, транскрипция, трансляция) будет включаться это регулирование?

У эукариот очень много регуляторных зон в оперонах, т.к. именно на этом этапе происходит регуляция экспрессии генов и, как следствие,

дифференцировка тканей.

Транскрибирование информативной зоны даёт ту часть РНК, которая

обладает определённой функциональной активностью. Это может быть как иРНК, несущая информацию о белке, так и рРНК, тРНК.

Транскрибирование неинформативных зон даёт ту часть РНК, которая затем в процессе созревания вырезается.

Структура и механизм действия РНК-полимераз

Биосинтез РНК осуществляется с помощью РНК-полимераз.

Механизм их действия во многом совпадает с ДНК-полимеразой:

1.Присоединение идёт к 3`-гидроксильному концу РНК

2.Синтез идёт из нуклеозидтрифосфатов (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ)

3.Переписывание информации осуществляется за счёт спаривания соответствующего нуклеотида с комплементарным ДНК.

4.Синтез идёт от 5`-к 3`.

Отличия:

1.Не требуют затравки

2.Не корректируют свой синтез, и точность работы 1 ошибка на 104 – 105

нуклеотидов.

Далее мы будем все процессы изучать на примере E.coli, т.к. её полимераза наиболее изучена. Она состоит из 5 субъединиц: две α, две β и σ (сигма-

фактор).

РНК-полимераза без σ-фактора называется минимальным ферментом. Или

кор-ферментом («сердцевина»).

РНК-полимераза с σ-фактором называется холоферментом.

σ-фактор необходим для правильного связывания РНК-полимеразы с опероном, а синтез идёт под действием минимального Е.

Бывают:

РНК-полимераза I – принимает участие в синтезе рРНК в ядрышке.

РНК-полимераза II – осуществляет синтез иРНК.

РНК-полимераза III – обеспечивает синтез тРНК и 5S рРНК

Этапы транскрипции

Что должно быть на первом этапе? Все факторы должны связаться с тем местом, откуда пойдет синтез-это инициация. Затем самая длинная стадия – синтез - элонгация. Далее – окончание синтеза – терминация.

Инициация

Задача – точное начало считывания (с точностью до одного нуклеотида).

Необходимы:

•Холофермент

•НТФ

•наличие специфического участка ДНК – промотора.

Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание двойной спирали и открывается область в несколько пар оснований (зона локальной денатурации).

Промотор – участок ДНК примерно в 40 п.н. и располагающийся перед

сайтом инициации.

Синтез всегда начинается с А или Г.

Фермент довольно большой, это мультисубъединичный комплекс. Он связывается с зоной оперона. Сначала σ-фактор связывается с сайтом

узнавания, затем кор-фермент далее связывается вправо со всей зоной оперона

Для начала работы нужно создать зону локальной денатурации. Где это проще сделать? Там где много АТ-пар, т.к. эти связи слабее (здесь более слабые стэккинг-взаимодействия). Участок связывания кор-фермента расположен выше сайта инициации примерно на 10 н. и называется блок Прибнова (бокс Прибнова). Здесь создается зона локальной денатурации

и начинается синтез.

Почему +1, но -10, -40?

Это имеет отношение к синтезу, который должен начаться. По отношению к сайту инициации, где начнется синтез – эти последовательности

-10, -40 не считываются. На верхнем рисунке сайт инициации показан «х».

Затем нарисовано несколько нуклеотидов РНК.

Сначала σ-фактор связывается с сайтом узнавания, затем холофермент и формирует зону локальной денатурации. Затем, начиная с сайта инициации,

начинается синтез РНК. Затем фермент будет продвигаться далее и

образовывать зону локальной денатурации. После присоединения нескольких нуклеотидов σ-фактор уходит. На этом заканчивается стадия инициации.

Элонгация

Начинается после отделения σ-фактора. Дальше работает только минимальный фермент. Он движется вдоль РНК и действует как застёжка-

молния (раскрывая двойную спираль), которая замыкается позади фермента после подбора и спаривания соответствующих оснований РНК.

Образующаяся копия (РНК) при этом вытесняется (на рисунке она

«свисает»).

Не забываем, что копируется только одна цепь!

Терминация

Происходит на специфических участках ДНК, называемых

терминаторами или трейлерами.

Начало этих участков обогащено ГЦ-парами, а остальная часть – АТ-

парами. ГЦ-участок представляет собой палиндром. Фермент здесь тормозит. (Примеры палиндромов: город дорог, умер и мир ему, нажал кабан на баклажан, а роза упала на лапу Азора и т.д.)

В терминации важную роль играет специфический ро-белок (ρ), или ρ

ρ -фактор, белковый фактор терминации.

Итак, синтезировалась очень длинная РНК. Она называется про-РНК

или РНКпрешественник

Процессинг, или созревание РНК

Вновь синтезированная РНК подвергается процессингу. Процессинг,

или созревание – это посттранскрипционные расщепления и химическая модификация молекул РНК.

1 Процессинг рРНК

У эукариот рРНК образуются из длинных молекул-предшественников.

При этом происходит химическая модификация и последующее укорачивание.

Рис. Процессинг транскриптов пре-РНК у бактерий (Нельсон, Кокс 2015).

2 Процессинг тРНК

У эукариот происходит в 3 стадии:

1.Кэпирование и метилирование 5`-конца. Образуется 7МеГ.

2.Полиаденилирование 3`-конца.

3.Вырезание интронов и сплайсинг экзонов. Была открыта мозаичная структура генов эукариот. Гены эукариот состоят из кодирующих

(экзоны) и некодирующих участков (интроны). В ходе процессинга происходит вырезание интронов и сплайсинг (сшивание) экзонов.