Молекулярные основы общей и психологической генетики. Учебное пособие

Рис. 14. Схема строения 2-х типов рибосом.

Для работы системы синтеза белка необходимы следующие компоненты:

1)мРНК, в которой закодирована последовательность аминокислот,

2)тРНК, обеспечивающая доставку аминокислот к «месту сборки»,

3)рибосомы, на которых происходит сборка полипептидной

цепи.

Декодирование происходит при специфическом связывании антикодона транспортной РНК (тРНК) с соответствующим кодоном мРНК. До такого взаимного узнавания кодона и антикодона

ктРНК присоединяется соответствующий аминокислотный остаток: образуется аминоацил-тРНК. Этот процесс называется активацией тРНК. Синтез белка происходит в рибосоме. Все этапы этого процесса осуществляются с помощью множества разных

31

Рис. 15. Пространственное строение рибосомы.

ферментов и других белков (таких, например, как факторы инициации).

Активация тРНК — катализируется ферментом аминоацил- тРНК-синтетазой, и для каждой аминокислоты существует, по крайней мере, один такой фермент-катализатор. Источником энергии для этого процесса служит гидролиз АТР.

Рибосома — это органелла, состоящая из двух субчастиц, на которой происходит синтез белка. Каждая субчастица представляет собой сложный комплекс из белков и молекул РНК. В течение всего процесса синтеза белка растущая полипептидная цепь, мРНК и очередная аминоацил-тРНК остаются прикрепленными к рибосоме.

Строениерибосомыизучалиспомощьюэлектронногомикроскопа. На рисунке 14 представлены две взаимно перпендикулярные проекции­ 70S-рибосомы из Е. coli. «Габаритные» размеры рибосом прокариот составляют примерно 20 нм в наименьшем измерении и 30 нм в наибольшем. Более крупные (80S) рибосомы эукариот подобны по форме своему аналогу из клеток прокариот, но примерно в 1,15 раза больше в любом измерении (соответственно 23 нм × 35 нм).

Участки связывания на рибосоме — это места, к которым присоединяется та или иная молекула, участвующая в трансля-

32

ции. Между большой и малой субчастицами рибосомы остается узкая щель, занимаемая молекулой мРНК. Подойдя к рибосоме, очередная молекула аминоацил-тРНК соединяется с участком, называемым участком (сайтом) А. Другой участок, обозначаемый Р, связывается с молекулой пептидил-тРНК, несущей синтезируемую полипептидную цепочк.

Полисома, или полирибосома, представляет собой молекулу мРНК с несколькими расположенными на ней активными рибосомами, на каждой из которых синтезируется молекула белка.

Если говорить в самых общих чертах, то синтез белка начинается с того момента, когда образуется комплекс, состоящий из большой и малой субчастиц рибосомы, мРНК и соответ­ ствующей аминоацил-тРНК. Далее целая рибосома движется вдоль мРНК от 5'- к 3'-концу. Такое перемещение сопровождается ростом полипептидной цепи. После того как синтез полипептидной цепи полностью завершен, она отходит от рибосомы, которая в свою очередь отщепляется от мРНК и диссоциирует на большую и малую субчастицы. Эти субчастицы могут теперь участвовать в синтезе другой молекулы белка.

33

Рис. 17. Схема биосинтеза белка.

34

8. Трансляция генетического кода

Механизм трансляции генетического кода или синтез белка включает в себя следующие стадии:

1)инициация;

2)элонгация;

a)узнавание кодона,

b)образование пептидной связи,

c)транслокация;

3)терминация.

В осуществлении каждого из этапов принимают участие множество белковых факторов и ферментов, различных для разных клеток. Многие из этих процессов энергозависимы и используют энергию, накопленную в макроэргических связях ГТФ.

Рис. 16. Схема трансляции у эукариот.

На стадии инициации собираются субъединицы 40S и 60S (выделены серым), мРНК и инициаторная тРНК, которая находится в комплексе с аминокислотой метионином(Меt).

Процесс синтеза белка начинается с прикрепления к сайту А рибосомы аминоацил-тРНКMet.

Далее, в процессе элонгации, каждая аминоацил-тРНК прикрепляется к Р сайту связывания рибосомы с участием ряда факторов

35

элонгациииэнергиигидролизаГТФ.Потомпептиднаяцепочка,прикрепленная к аминоацил-тРНК, связавшееся с рибосомой ранее и уже находящейся на сайте А, переносится на аминоацил-тРНК, связавшуюсясрибосомойпозжеинаходящейсянарибосомальномсайте Р. При этом, благодаря активности пептидилтрансферазы, содержащейся в рибосоме, происходит формирование пептидной связи и наращивание пептидной цепочки. Освободившаяся тРНК покидает рибосому. Вслед за этим аминоацил-тРНК вместе с прикрепленной кнейполипептидной цепочкойпереходитсрибосомальногосайтаР на освободившийся сайт связывания А, освобождая Р сайт для присоединения следующей аминоацил-тРНК со следующей по порядку аминокислотой.

Терминация, т.е. окончание синтеза, происходит по команде кодонов UAA, UGAили UAG. В природе не существует таких молекул тРНК, антикодоны которых соответствовали бы этим кодонам. Вместо продолжения синтеза цепи происходит терминация, катализируемая специальными белками, которые названы факторами терминации (RF1 и RF2). Эти факторы изменяют специфичность фермента пептидилтрансферазы таким образом, что происходит гидролиз связи между концевым пептидом и тРНК, а освобожденная полипептидная цепь диффундирует от рибосомы. Вслед за этим происходит диссоциация комплекса мРНКрибосома. Далее рибосома диссоциирует на 30S- и 508-субча- стицы. После реассоциации этих субчастиц с другой молекулой мРНК весь цикл синтеза белка начинается сначала.

36

9. Организация генов

Основная единица генетической информации — ген, представляющий собой отрезок ДНК, который кодирует РНК или полипептидную цепь. Белки, состоящие из одной или нескольких полипептидных цепей, могут играть структурную или регуляторную роль, служить рецепторами для других молекул, выполнять транспортную функцию, катализировать определенную метаболическую реакцию (если белок-фермент) или как-то иначе участ­ вовать в жизнедеятельности клетки или организма.

Общая черта строения про- и эукариотических генов — наличие кодирующей области и расположенных по ее флангам, регуляторных последовательностей (см. рис. 18).

Рис. 18. Структура β-глобинового гена.

Кодирующие области большинства эукариотических генов имеют экзон-интронную структуру. Исключение составляют, например, гены гистонов и ά и β-интерферонов, которые не имеют интронов.

Экзоны — кодирующие последовательности — чередуются с некодирующими последовательностями — интронами.

Размеры и число экзонов и интронов индивидуальны для каждой мРНК. Как правило, интроны по размерам значительно превышают экзоны.

37

Ранее считалось, что интроны — варианты некодирующей, «эгоистичной» ДНК. Однако открытие альтернативного сплайсинга, в процессе которого с одного гена транскрибируется несколько вариантов мРНК, за счет различных комбинаций экзонов и интронов изменило наше представление о функции интронов. Оказалось, что в некоторых случаях интроны могут функционировать как экзоны, а экзоны — как интроны.

Установлено, что в интронах могут находиться промоторы — участки, с которых начинается транскрипция. Неожиданно выяснилось, что в одном из интронов гена фактора VIII расположен другой («гены в генах»). Таким образом, по мере изучения функций «некодирующей» ДНК «ее эгоистичность» часто оказывается мнимой.

Экзоны или их сочетания могут кодировать аминокислотные последовательности, являющиеся структурными и функцио­ нальными доменами белка. Каждый эукариотический ген имеет с обеих сторон от кодирующей области основные регуляторные последовательности, выполняющие функции инициации и терминации транскрипции.

Однако регуляторные участки, повышающие и понижающие уровень транскрипции (энхансеры и сайленсеры), могут быть расположены как внутри гена, так и на значительном расстоянии от него.

Некоторые эукариотические гены организованы в кластеры, но у них отсутствуют общие регуляторные участки, как в оперонах прокариот. К ним относятся, например, гены ά- и (β-цепей гемоглобина НЬА. Однако во многих случаях родственные гены расположены в разных хромосомах, например ген лактатдегидрогеназы LDH A — на хромосоме 11, а ген LDH В — на хромосо-

ме 12.

Наряду с функциональными генами у эукариот есть псевдогены, которые, как правило, не транскрибируются из-за мутаций в регуляторных областях или вследствие изменений в их кодирующей­ области. При этом белок, если и образуется, являет-

38

ся дефектным, не функциональным. Один из вариантов псевдогенов — так называемые процессированные псевдогены, в которых отсутствуют интроны. Последнее обстоятельство еще раз подчеркивает значение интронов для образования пре-мРНК и синтеза нормально функционирующего белка.

Наличие нескольких промоторов в одном гене обусловливает альтернативную транскрипцию, т.е. образование различных изоформ мРНК. Так, в гене миодистрофии Дюшенна имеется 8 промоторов, с которых происходит альтернативная транскрипция в разных тканях (сердечных и скелетных мышцах, эмбриональных нейронах, коре мозга, сетчатке глаз), что приводит к образованию в этих тканях различных изоформ дистрофина.

Помимо альтернативной транскрипции, существует и альтернативный сплайсинг. Альтернативный сплайсинг представляет собой рекомбинацию сшиваемых интрнов того гена, что приводит в последующем к транскрипции совершенно другого белка. Иначе говоря, в результате альтернативного сплайсинга экзоны одного гена соединяются в разных комбинациях с образованием различных зрелых мРНК.

Так, ген кальцитонина млекопитающих кодирует две изоформы мРНК; одна отвечает за кальцитонин щитовидной железы и состоит из первых четырех экзонов из 6. Во второй мРНК, кодирующей белок, родственный CGRP пептиду мозга, отсутствует экзон 4. Так изучен альтернативный сплайсинг с пре-мРНК гена ά-тропомиозина, в результате которого в зрелой мРНК отсутствуют­ экзоныс 5' и 3'-концов середины гена (см. рис. 19). Эти формы мРНК были обнаружены в мышцах, мозге и фибробластах.

39

Рис. 19. Альтернативный сплайсинг пре-мРНК гена α-тропомиозина.

Это явление в корне изменило представление о гене как единице наследственности, кодирующей только одну полипептидную цепь. Вот почему в современной генетической литературе нет единого общепринятого определения термина «ген». Так, в основу одних определений положена структурная организация гена, других — функция в организме, в третьих — ген рассматри- ваетсякакединицавпроцессетранскрипции,вчетвертых—кпе- речисленным функциям добавляется возможность транскрипции с одного гена нескольких вариантов мРНК. Мы предлагаем расширенное понимание термина «ген» с учетом его структурных и функциональных особенностей.

40