Молекулярные основы общей и психологической генетики. Учебное пособие

Рис. 8. Схема образования репликативной вилки.

Двунаправленная репликация — это наиболее распространенный механизм репликации ДНК. После инициации репликация идет одновременно в обоих направлениях вдоль цепи ДНК. Для осуществления синтеза двойная спираль родительской ДНК должна раскрутиться и ее цепи должны разойтись. В этих процессах участвуют различные белки.

Инициация репликации

В образовании репликативной вилки принимает участие ряд белков и ферментов. Так, ДНК-топоизомераза I разры­ вает фосфодиэфирную связь в одной из цепей двойной спирали и ковалентно присоединяется к 5'-концу в точке разрыва. По окончании формирования вилки она ликвидирует разрыв и отделяется от ДНК. Разрыв водородных связей в двухцепочечной молекуле ДНК осуществляет фермент ДНК-хеликаза. В расплетенном состоянии цепи ДНК в районе вилки поддерживают SSB-белки (см. рис. 9).

21

Рис. 9. Начало репликации:

1—ферментрасщепляетоднуцепьДНК;междуостаткомтирозинамо- лекулы фермента и фосфорным остатком цепи образуется ковалентнаясвязь;

2 — происходит локальное раскручивание двойной спирали при участии ДНК-хеликазы; ДНК-топоизомераза I восстанавливает фосфо-

эфирнуюсвязь.

Элонгация

РепликацияДНКосуществляетсяспециальнымиферментами— ДНК-полимеразами. Инициирует репликацию ДНК-полимераза-ά, которая комплементарна определенному сайту одноцепочечной ДНК. Присоединившись, к нему она синтезирует олигонуклеотид, содержащий приблизительно 60 нуклеотидных остатков, причем 8–10 из них представлены рибонуклеотидами (это — праймер), а остальные дезоксирибонуклеотидами. (см. рис. 10).

Этот фрагмент позволяет присоединиться ДНК-полимеразе-σ и продолжить наращивание цепи в направлении от 5’- к 3’-кон-

22

цу молекулы. Субстратами и источниками энергии для синтеза служат дАТФ, дГТФ, дЦТФ, дТТФ. Включение очередного нуклеотида в синтезируемую цепь ДНК невозможно без предварительного связывания азотистого основания водородными связями с комплементарным нуклеотидом матричной цепи.

Рис. 10. Механизм репликации.

В каждой репликативной вилке одновременно идет синтез двух дочерних цепей. При этом направление синтеза лишь одной из них совпадает с направлением движения репликативной вилки. Это так называемая лидирующая цепь. На второй матричной цепи синтез осуществляется против движения вилки и проводится «кусками». Эти куски получили название фрагментов Оказаки. За их синтез отвечает ДНК-полимераза-ά и -ε. Впоследствии фрагменты Оказаки сшиваются в новую непрерывную цепь с помощью фермента ДНК-лигазы.

23

Далее следует метилирование необходимое для фомирования и поддержания структуры хромосомы и теломерной последовательности — GGGTTA, необходимой для завершения репликации концевых информативных последовательностей хромосом.

24

6. Транскрипция ДНК

Транскрипция — процесс переноса генетической информации от ДНК к РНК. РНК отличается от ДНК наличием в сахарофосфатном остове молекулы сахара рибозы вместо дезоксирибозы и другого азотистого основания — урацила (вместо тимина), комплементарного аденину.

Транскрипция — первая стадия реализации генетической информации в клетке. В основе механизма транскрипции лежит все тот же структурный принцип комплементарного спаривания оснований в молекуле. Синтез молекул РНК начинается в определенных сайтах (последовательностях) ДНК, которые называют промотеры, и завершается в терминирующих участках (сайты терминации). Транскрибируемыемый участок между ними называется транскриптон. Транскрипция проходит в три стадии.

Стадия инициации

Активация промотера проходит с помощью небольшого белка — ТАТА-фактора, называемого так потому, что он взаимодействует со специфической последовательностью нуклеотидов промотера — ТАТААА- (ТАТА-бокс). Его присоединение к промотеру обеспечивает образование репликационной вилки и взаимодействие с РНК-полимеразой.

РНК-полимеразы

Биосинтез РНК осуществляется ДНК-зависисмыми РНКполи­ меразами­ . Известны РНК-полимеразы-I, синтезирующая пре-рРНК; РНК-полимераза II, ответсвенная за синтез пре-

25

тРНК; и РНК-полимераза III, синтезирующая пре-тРНК. Они состоят из нескольких субъединиц. Субъединица сигма выполняет регуляторную функцию и служит одним из факторов инициации.

После того как синтезирован олигонуклеотид, из 8–10 остатков, σ-субъединица покидает комплекс РНК-полимеразы, и вместо него присоединяются несколько факторов элонгации (см. рис. 11).

Рис. 11. Схема и стадии транскрипции.

26

Элогнация

Факторы элонгации повышают активность РНК-полимеразы и облегчают расхождение цепей ДНК, по мере продвижения репликационной вилки нарастает и цепочка комплементарной пре-РНК.

Терминация

Раскручивание двойной спирали ДНК в области сайта терминации делает его доступным для фактора терминации. Их взаимодействие обеспечивает отсоединение пре-мРНК транскрипта и РНК-полимеразы от матрицы.

Процессинц м-РНК

Первичные траскрипты, прежде чем будут использованы для синтеза белка, подвергаются ряду модификаций. Они необходимы для использования их в будущем в качестве матрицы.

Модификация 5'-конца.

Гуанилилтрансфераза осуществляет «кэпирование» 5'-конца мРНК. Реакция протекает в несколько стадий и завершается присоединением N7-метилгуанозина. Образовавшийся «кэп» обеспечивает инициацию трансляции и обеспечивает время жизни мРНК, защищая ее от экзонуклеаз.

Модификация 3'-конца

На этом конце цепочки ферментом полиА-полимеразой формируется полиА-последовательность (полиА-«хвост») состоящий из 100–200 остатков адениловой кислоты. Эта модификация

27

облегчает выход молекулам мРНК в цитоплазму и замедляет ее последующий гидролиз.

Сплайсинг

Поскольку гены наряду с кодирующими участками (экзонами) вбольшомколичествесодержатнекодирующиепоследовательности (интроны) последние при участии малых ядерных рибонуклеопротеинов вырезаются из первичного полного транскрипта­ , а кодирующие участки снова сшиваются в необходимом порядке.

Алтернативный сплайсинг

Альтернативный сплайсинг позволяет путем перестановки последовательности экзонов при транскрибировании одного и того же гена получать матричные РНК для синтеза различных белков (см. рис. 12).

Рис. 12. Сплайсинг матричной РНК.

28

7. Трансляционный аппарат клетки

Таблица 5 Основные компоненты белковосинтезирующей системы

Примечания:elF(eukaryoticinitiationfactors)—факторыинициации;eEF(eukaryotic elongation factors) — факторы элогации; eRF (eukaryotic releasing factors) — факто-

рытерминации.

29

Трансляция — это процесс декодирования мРНК, в результате которого информация с языка последовательности оснований мРНК переводится на язык аминокислотной последовательности белка. Синтез белка осуществляется путем последовательной поликонденсации отдельных аминокислотных остатков, начиная с амино-(М)-конца полипептидной цепи, в направлении к карбоксильному (С-)концу. Декодирование мРНК происходит соответственно в направлении 5' → 3' (см. рис. 13).

Рис. 13. Схема механизма трансляции.

30