Билеты к экзамену
.pdfВопрос 1 «Транскрипция. Определение, механизм, субстраты, матрицы, ферменты, продукты.»
Транскрипция − это фундаментальный процесс экспрессии генов, представляющий собой синтез молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК) на матрице дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В ходе этого процесса генетическая информация, хранящаяся в последовательности нуклеотидов ДНК, "переписывается" в комплементарную последовательность РНК, создавая рабочие копии генов. Эти копии в виде матричной РНК (мРНК) будут использованы для синтеза белка, а другие типы РНК (рибосомальная, транспортная и др.) выполнят структурные и функциональные роли в клетке.
Механизм транскрипции является циклическим и включает три строго последовательные стадии: инициацию, элонгацию и терминацию. На всех этапах ключевую роль играет фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза, которая движется вдоль ДНК, расплетает двойную спираль и катализирует образование фосфодиэфирных связей между рибонуклеотидами.
Субстратами для реакции синтеза РНК служат четыре вида рибонуклеозидтрифосфатов (рНТФ): аденозинтрифосфат (АТФ), уридинтрифосфат (УТФ), гуанозинтрифосфат (ГТФ) и цитидинтрифосфат (ЦТФ). Энергия, необходимая для полимеризации, заключена в макроэргических связях этих молекул.
Матрицей для синтеза всегда выступает одна из цепей молекулы ДНК,
именуемая матричной (или антикодирующей) цепью. Именно ее нуклеотидная последовательность определяет порядок присоединения комплементарных рибонуклеотидов (А=У, Т=А, Г≡Ц, Ц≡Г). Продуктом же является цепь РНК, комплементарная этой матрице и идентичная (с заменой Т на У) второй, кодирующей цепи ДНК.
I. |
Инициация |
|
|
|
|
Прокариоты |
Эукариоты |
|
|
|
Узнавание комплекс кор- |
РНК-полимераза |
I − |
синтезирует |
фермента РНК-полимеразы (α ββ'ω) |
большую часть рРНК. |
|
||
и сигма-фактора (σ-фактора). |
|
|
|
|
|
|
РНК-полимераза II − самая важная |
||
|
|
для экспрессии генов; синтезирует |
||
|
|
пре-мРНК, а также малые ядерные |
||
|
|
РНК (snRNA) |
и |
микроРНК |
|
|
(miRNA). Полимераза II является |
||
|
|
мишенью для сложной регуляции. |
||
|
|
РНК-полимераза III − синтезирует |
||
|
|
тРНК, 5S рРНК и другие малые |
||
|
|
стабильные РНК. |
|
|
Промотор (часто содержащий TATAбокс) сначала связывается фактор транскрипции TFIID, ключевым компонентом которого является TBP (TATA-binding protein). Затем к комплексу последовательно присоединяются другие общие факторы транскрипции (TFIIA, TFIIB, TFIIF, TFIIE, TFIIH),
формируя преинициаторный комплекс.
Только после сборки этого многокомпонентного комплекса к нему рекрутируется РНК-полимераза II (ответственная за синтез мРНК).
Факторы транскрипции − это белки, которые, не обладая каталитической активностью РНК-полимеразы, абсолютно необходимы для регуляции: они обеспечивают правильное позиционирование фермента на старте гена, способствуют раскручиванию ДНки (как геликаза в составе TFIIH) и фосфорилированию "хвоста" РНК-полимеразы II, что служит сигналом для перехода к элонгации.
TFIID − ключевой фактор сборки преинициирующего комплекса (PIC). Имеет два домена: TATA-связывающий белок (TBP) и связанные с ним факторы (TAFs).
TFIIA − привлекается |
к сборке |
PIC TFIID для стабилизации комплекса. |
|||
TFIIB − привлекается к сборке PIC после того, как к комплексу присоединится |
|||||
TFIIA. Находится |
близко к |
месту начала инициации транскрипции. |
|||
TFIIF − вероятно, связывается с |
РНК-полимеразой, поэтому добавляется к |
||||
комплексу после того, как |
TFIIB привлечёт |
РНК-полимеразу II. |
|||
TFIIE − привлекается |
после |
TFIIF |
и |
перед |
TFIIH. |
TFIIH − центральный GTF сборки PIC, обладает свойствами киназы и геликазы. Способствует локальному распадению ДНК, чтобы могла начаться транскрипция.
BRE − расположен до TATA-бокса. Связывает фактор TFIIB, помогая правильно сориентировать комплекс. DPE, DCE и MTE − расположены после точки старта транскрипции. Характерны для промоторов без TATA-бокса. Связываются с TAFсубъединицами комплекса TFIID, выполняя аналогичную TATA-боксу якорную функцию для стабилизации комплекса на ДНК.
Субстратом на этой стадии выступает первый рибонуклеозидтрифосфат (часто пурин − АТФ или ГТФ), который образует инициирующий комплекс.
Продуктом инициации является стабильный комплекс инициации с первыми 2-10 соединенными нуклеотидами РНК, после чего у прокариот σ-
фактор высвобождается, а у эукариот большинство факторов транскрипции отсоединяются.
II.Элонгация
После диссоциации σ-фактора (у прокариот) или факторов инициации (у эукариот) РНК-полимераза переходит в конформацию, активную для перемещения. Фермент (кор-РНК-полимераза у прокариот или РНК-полимераза II с фосфорилированным С-концевым доменом у эукариот) продвигается вдоль матричной цепи ДНК, раскручивая ее примерно на один виток впереди себя и позволяя спирали восстанавливаться позади. На этой стадии к растущему 3'-концу цепи РНК фермент последовательно присоединяет комплементарные субстраты − рибонуклеозидтрифосфаты (рНТФ). Каждое присоединение сопровождается отщеплением пирофосфата (РРi), что делает реакцию необратимой.
Таким образом, продуктом стадии элонгации является непрерывно растущая цепь первичного транскрипта РНК, которая временно образует гибридную дуплексную структуру с матричной ДНК на коротком участке внутри транскрипционного пузыря.
III.Терминация
Синтез РНК продолжается до тех пор, пока РНК-полимераза не встретит
специфическую |
сигнальную |
последовательность |
терминатор. У |
||
прокариот существуют |
два |
основных |
механизма. ρ-независимая |
||
(интринсическая) терминация происходит, когда в транскрипте формируется шпилечная структура из Г-Ц пар, за которой следует ряд уридиловых остатков; это приводит к отсоединению РНК и фермента. При ρ-зависимой терминации вспомогательный белок ρ-фактор (хеликаза), двигаясь вдоль синтезированной РНК, догоняет полимеразу, остановившуюся на терминаторе, и вызывает диссоциацию комплекса.
У эукариот терминация для РНК-полимеразы II тесно связана с посттранскрипционным событием − полиаденилированием. После того как в синтезируемую РНК встраивается сигнальная последовательность AAUAAA, специальный комплекс белков осуществляет ее эндонуклеолитическое
расщепление. |
Затем |
фермент поли(А)-полимераза использует |
в |
качестве субстрата АТФ |
для наращивания на 3'-конце РНК поли(А)- |
||
хвоста длиной 150-200 остатков. Само же расщепление РНК служит сигналом, который приводит к диссоциации РНК-полимеразы II от матрицы ДНК. Таким образом, конечным продуктом стадии терминации является отсоединенная цепь первичного транскрипта и высвобождение РНК-полимеразы.
Вопрос 2 «Структурно-функциональная организация прокариотических РНК-полимераз. Структура и функции субъединиц α, , ’, . Типы и функции субъединиц.»
Вопрос 3 «Инициация транскрипции у прокариотов.»
Вопрос 4 «Структурно-функциональная организация эукариотических РНКполимераз»
Вопрос 5 «Организация промоторов у прокариотов и эукариотов.»
Вопрос 6 «Роль цис-элементов и транс-факторов в организации процессов транскрипции»
Цис-элементы: коровые (главные) элементы промотора.
Прокариоты |
Эукариоты |
|
|
|
|
|
UP элемент - многократно усиливает |
uBRE – узнавание преинициирующего |
|||||
транскрипцию за счет связывания с |
комплекса, ориентация для TFIIB; |
|
||||
αCTE; |
TATA – бокс − точное место сборки |
|||||
TTGACA – бокс – первый сайт |
преинициирующего комплекса; |
|
||||
связывания σ-фактора, образование |
dBRE - узнавание преинициирующего |
|||||
закрытого комплекса; |
комплекса, ориентация для TFIIB; |
|
||||
Спейсер − правильная ориентация и |
Inr |
− |
последовательность, |
|||
посадка σ-фактора; |
охватывающая точку старта (+1). Она |
|||||
TATA – бокс – расплетание цепи ДНК |
помогает |
|
зафиксировать первый |
|||
и узнавание σ-фактора. |
нуклеотид будущей РНК; |
|
|
|||
|
MTE; |
|
DPE; |
DCE |
– |
|
|
расположены после точки |
старта |
||||
|
транскрипции. |
Характерны |
для |
|||
|
промоторов без |
|
TATA-бокса. |
|||
|
Связываются |
|
с TAF- |
|||
|
субъединицами комплекса TFIID, |
|
||||
|
выполняя аналогичную TATA-боксу |
|||||
|
якорную функцию для стабилизации |
|||||
|
комплекса на ДНК. |
|
|
|||
|
GC-бокс (консенсус GGGCGG) - |
|||||
|
Сайт |
|
связывания |
фактора |
||
|
транскрипции Sp1. Характерен |
для |
||||
|
промоторов без |
|
TATA-бокса. |
|||
|
Стабилизирует |
преинициаторный |
||||
|
комплекс, |
|
обеспечивая |
базальный |
||
|
уровень транскрипции "домашних" |
|||||
|
генов. Работает на близком расстоянии. |
|||||
|
CAAT-бокс (консенсус CCAAT) - Сайт |
|||||
|
связывания фактора NF-Y. Расположен |
|||||
|
около |
|
-80. |
|
Необходим |
|
|
для эффективной |
|
|
|
||
|
инициации транскрипции. |
Влияет |
на |
|||
|
правильное |
позиционирование РНК- |
||||
|
полимеразы II и повышает общую |
|||||
|
эффективность работы промотора. |
|
||||
|
UAS - аналог энхансера. Сайт |
|||||
|
связывания |
|
|
|
для |
|
специфических активаторных белков. Активатор, связавшийся с UAS, рекрутирует коактиваторы и медиатор, что приводит к усилению транскрипции целевого гена. Может работать на некотором расстоянии.
Транс-факторы - компоненты базальной машины транскрипции.
Прокариоты |
Эукариоты |
|
|
|
|
|
|
|
|
TFIID − ключевой |
фактор |
сборки |
|||||
|
преинициирующего |
комплекса (PIC). |
||||||
|
Имеет |
два |
домена: |
TATA- |
||||
|
связывающий белок (TBP) и связанные |
|||||||
|
с ним факторы (TAFs). |
|
|
|
|
|||
|
TFIIA − привлекается |
к |
сборке |
PIC |
||||
|
TFIID для стабилизации комплекса. |
|||||||
|
TFIIB − привлекается |
к |
сборке |
PIC |
||||
|
после того, как к комплексу |
|||||||
|
присоединится |
TFIIA. |
Находится |
|||||
|
близко к месту начала инициации |
|||||||
|
транскрипции. |
|
|
|
|
|
|
|
|
TFIIF − вероятно, связывается с РНК- |
|||||||
|
полимеразой, поэтому добавляется к |
|||||||
|
комплексу после того, как TFIIB |
|||||||
|
привлечёт |
РНК-полимеразу |
II. |
|||||
|
TFIIE − привлекается |
после |
TFIIF и |
|||||
|
перед |
|
|
|
|
|
TFIIH. |
|
|
TFIIH − центральный |
GTF |
сборки |
|||||
|
PIC, обладает свойствами киназы и |
|||||||
|
геликазы. |
Способствует |
локальному |
|||||
|
распадению ДНК, чтобы могла |
|||||||
|
начаться транскрипция |
|
|
|
|
|||
Вопрос 7 «Инициация транскрипции эукариотической РНК-полимеразы II (сборка базальной машины транскрипции)»
1.Распознавание промотора комплексом TFIID
•Комплекс TFIID первым связывается с ядром промотора. Его ключевая субъединица TBP встраивается в малую бороздку ДНК, специфически
взаимодействуя |
с TATA-боксом (если |
он есть), |
вызывая его резкое |
изгибание (~80°). |
|
|
|
• На TATA-less |
промоторах эту |
функцию |
выполняют TAF- |
субъединицы TFIID, которые связываются с другими элементами: Inr, DPE, DCE.
•TFIIA стабилизирует связывание TFIID с ДНК, выступая как антирепрессор.
2.Рекрутирование TFIIB и формирование DAB-комплекса
•TFIIB связывается одновременно с TBP и с ДНК, взаимодействуя с элементами, расположенными как выше (BREu), так и ниже (dBRE) TATAбокса.
•Функция TFIIB критична: Он выступает в роли "молекулярного моста", который, во-первых, еще больше стабилизирует комплекс TFIID на ДНК, а во-вторых, и это главное, создает специфическую площадку для последующего связывания Pol II. TFIIB задает полярность комплекса и определяет направление транскрипции.
3.Привлечение РНК-полимеразы II с "помощником" TFIIF
•Pol II не может присоединиться к промотору сама по себе. Она доставляется в комплекс в виде преформированного "модуля" Pol II–TFIIF.
•TFIIF выполняет несколько функций: (а) облегчает доставку Pol II к промотору, (б) способствует ее стабильному связыванию, (в) препятствует неспецифической адгезии Pol II к ДНК в других местах.
4.Завершение сборки комплекса: присоединение TFIIE и TFIIH
•TFIIE присоединяется к растущему комплексу и служит рекрутером и регулятором следующего критического фактора — TFIIH.
•TFIIH — это многофункциональный белковый комплекс с ферментативной активностью, "мотор" инициации. Он содержит две ключевые активности: o АТФ-зависимая хеликаза (субъединицы XPB, XPD): Использует
энергию АТФ для расплетания двойной спирали ДНК вокруг точки старта транскрипции, формируя транскрипционный пузырь (~13
п.н.).
o Киназная активность (субъединица CDK7): Фосфорилирует C- концевой домен (CTD) РНК-полимеразы II. CTD состоит из множественных гептадных повторов (YSPTSPS). факторов инициации (TFIIB, TFIIE, TFIIH).
