Экспрессия генов

В этом разделе рассмотрена экспрессия генов и её регуляция. Экспрессия генов (рис. 3–13) происходит в несколько этапов: транскрипция  процессинг  трансляция  посттрансляционная модификация. На каждом из этих этапов на макромолекулы в виде гена, первичного транскрипта, мРНК, полипептида и белка воздействуют различные регуляторные факторы.

Рис. 3–13. Этапы экспрессии гена [2]. Направление процессов указано стрелками, этапы экспрессии гена названы слева; участники этапов экспрессии (ДНК, транскрипт, мРНК, полипептид, белок) пронумерованы римскими цифрами справа. Транскрибируемый участок гена ограничен цифрами 1 (сайт инициации транскрипции) и 2 (сайт терминации транскрипции), реализуемые в полипептиде участки гена и мРНК («рамка считывания») — цифрами 3 и 4. В составе мРНК указан полиА-«хвост».

Транскрипция

Транскрипция — первый этап реализации генетической информации — приводит к появлению на матрице ДНК первичного транскрипта (РНК), состоящего из линейной последовательности транскрибированных интронов и экзонов. ДНК служит только матрицей для синтеза РНК и в ходе транскрипции не изменяется. В основе механизма транскрипции (полимеразная реакция, катализируемая РНК–полимеразами) находится принцип комплементарного спаривания оснований. Синтез РНК начинается в определённых последовательностях (сайтах) ДНК — промоторах и завершается в сайтах терминации.

 Транскриптон — участок ДНК между промотором и сайтом терминации — единица транскрипции. Каждый транскриптон содержит специфические последовательности нуклеотидов, с которыми взаимодействуют регуляторные факторы транскрипции.

 Факторы транскрипции — белки, взаимодействующие с определёнными регуляторными сайтами ДНК, инициирующие, ускоряющие, замедляющие или блокирующие транскрипцию конкретного гена.

 РНК-полимеразы. Биосинтез РНК осуществляют ДНК–зависимые РНК–полимеразы: РНК–полимераза I синтезирует пре-рРНК, РНК–полимераза II — пре-мРНК, РНК-полимераза III — пре-тРНК. РНК–полимеразы состоят из нескольких СЕ, СЕ  (сигма) выполняет регуляторную функцию, один из факторов инициации транскрипции.

 Стадии транскрипции. В ходе транскрипции выделяют 3 стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.

 Инициация. Промотор активирует фактор инициации — большой белок — ТАТА-фактор (взаимодействует со специфической последовательностью нуклеотидов промотора — ТАТААА [ТАТА-бокс]). Факторы инициации вызывают изменение конформации РНК–полимеразы и обеспечивают раскручивание примерно одного витка спирали ДНК, в которой матрица доступна для синтеза цепи РНК. После синтеза олигонуклеотида из 8–10 нуклеотидных остатков, ‑субъединица РНК–полимеразы отделяется от фермента, а её место занимают несколько факторов элонгации.

 Элонгация. Факторы элонгации облегчают расхождение цепей ДНК. По мере продвижения РНК–полимеразы по матрице ДНК в направлении от 3`- к 5`-концу впереди неё происходит расхождение, а позади — восстановление двойной спирали ДНК.

 Терминация. Раскручивание двойной спирали ДНК в области сайта терминации транскрипции делает его доступным для фактора терминации. Фактор терминации облегчает отделение первичного транскрипта (пре-мРНК), комплементарного матрице ДНК, и РНК-полимеразы от матрицы ДНК. РНК-полимераза может вступить в следующий цикл транскрипции после присоединения субъединицы .

Процессинг

Первичные транскрипты подвергаются ряду ковалентных модификаций (модификации концов пре-мРНК и сплайсинг), в результате осуществления которых формируется способная к трансляции зрелая мРНК.

 Модификация 5`-конца, или кэпирование. Катализирует кэпирование гуанилилтрансфераза, гидролизующая макроэргическую связь в молекуле ГТФ и присоединяющая нуклеотиддифосфатный остаток к 5`-концу синтезированного фрагмента РНК с образованием 5`,5`-фосфодиэфирной связи. Модифицированный 5`-конец обеспечивает инициацию трансляции, удлиняет время жизни мРНК и защищает её от действия 5`-экзонуклеаз в цитоплазме.

 Модификация 3`-конца. ПолиА-полимераза формирует полиА-последовательность (полиА-«хвост»), состоящий из 100–200 остатков адениловой кислоты.

 Сплайсинг. Последовательности нуклеотидов, присутствующие в ДНК, но не входящие в состав мРНК, названы некодирующими (интроны), а последовательности, присутствующие в мРНК, — кодирующими (экзоны). Последовательности интронов «вырезаются» из первичного транскрипта, а концы экзонов соединяются друг с другом. Такую модификацию РНК называют «сплайсинг» (от англ. to splice — сращивать). Процесс «вырезания» интронов протекает при участии малых ядерных рибонуклеопротеинов. Сплайсинг происходит в ядре, а в цитоплазму поступает «зрелая» мРНК. Гены человека содержат больше интронов, чем экзонов, поэтому очень длинные молекулы пре-мРНК (около 5000 нуклеотидов) после сплайсинга превращаются в более короткие молекулы цитоплазматической мРНК (от 500 до 3000 нуклеотидов).

Трансляция

Для синтеза полипептидной цепи необходимы следующие основные компоненты: аминокислоты, тРНК (около 50 разных тРНК), мРНК, рибосомы, источники энергии (АТФ и ГТФ), белковые факторы инициации, элонгации и терминации трансляции. Процесс трансляции схематически отображён на рис. 3–14.

Рис. 3‑14. Трансляция мРНК [9]. Рибосома (80S) состоит из большой (внизу) и малой (вверху) СЕ. Большая СЕ (60S) содержит 5S, 28S и 5,8S РНК и до 50 белков, малая СЕ (40S) включает 18S РНК и более 30 белков (S — константа седиментации). Рибосома имеет три различных участка связывания РНК — один для мРНК и два для тРНК. Пептидил-тРНК-связывающий участок удерживает молекулу тРНК, присоединённую к растущему концу полипептидной цепи; расположенный рядом аминоацил-тРНК-связывающий участок (акцепторный) фиксирует только что поступившую в рибосому молекулу тРНК с аминокислотой. тРНК называют «адапторные молекулы», так как к акцепторному их концу присоединяется определённая аминокислота, а с помощью антикодона они узнают специфический кодон на мРНК. Другими словами, тРНК адаптируют разные по структуре и расположению в составе макромолекул РНК и белка мономеры РНК (нуклеотиды) и белка (аминокислоты). СЕ рибосомы выполняют разные функции: малая СЕ присоединяет мРНК и декодирует информацию с помощью тРНК, большая СЕ ответственна за образование пептидных связей.

 Генетический код. Трансляция информации, записанной в мРНК (последовательность нуклеотидов), в аминокислотную последовательность полипептида требует наличия генетического кода, т.е. правил, согласно которым первичная структура нуклеиновой кислоты (чередование четырёх нуклеотидов) в ДНК и мРНК определяет первичную структуру белка (специфическая последовательность аминокислот в полипептидной цепочке). Другими словами, необходим своего рода «алфавит».

 Кодоны. Буквами «алфавита» являются кодоны — триплеты нуклеотидов, кодирующие конкретную аминокислоту. Получается, что суммарное количество кодирующих последовательностей из четырёх нуклеотидов по три (кодон) равно 64 (4³=64), т.е. более чем в три раза превышает минимальное количество кодонов, необходимое для кодирования 20 аминокислот.

 Свойства генетического кода. Для генетического кода характерны специфичность и вырождённость (избыточность).

 Специфичность. Каждому кодону соответствует только одна конкретная аминокислота. Так, кодон GGU кодирует аргинин, кодон AUA — метионин, кодон CCA — пролин (U — урацил, C — цитозин, A — аденин, G — гуанин).

 Вырождённость — включение в полипептидную цепочку одной и той же аминокислоты кодируют несколько кодонов. Так, аргинин кодируют 6 триплетов (CGU, CGC, CGA, CGG, AGA и AGG), пролин — 4 (CCU, CCC, CCA, CCG), но метионин — только 1 триплет AUA.

 Синтез полипептидной цепи происходит от N- к С-концу при чтении генетического кода от 5`- к 3`-концу мРНК. После освобождения 5`-конца мРНК к этому концу может присоединиться новая рибосома, на которой начинается рост ещё одной полипептидной цепи. Как правило, с одной и той же мРНК одновременно связано много рибосом (полирибосома, или полисома).

 Этапы трансляции — инициация, элонгация и терминация.

 Инициация. На этом этапе трансляции участвуют факторы инициации eIF (от англ. eukaryotic initiation factors). После образования комплекса, состоящего из тРНК, мРНК, рибосомы и факторов инициации трансляции (см. рис. 3–14), СЕ 40S рибосомы скользит по некодирующей части мРНК до тех пор, пока не достигнет инициирующего кодона AUG («3» на рисунке), после чего СЕ останавливается и связывается с другими факторами инициации.

 Элонгация. Рибосома с помощью аминоацил–тРНК последовательно «читает» кодоны мРНК, следующие за инициирующим кодоном в направлении от 5` к 3`-концу, наращивая полипептидную цепочку за счёт последовательного присоединения аминокислот.

 Терминация трансляции наступает по достижении одного из стоп-кодонов (UAG, UAA или UGA, цифра «4» на рисунке), для которых нет соответствующих тРНК. Вместо тРНК к рибосоме присоединяются 2 факторы терминации. Один из них катализирует гидролитическое отщепление синтезированного пептида от тРНК, а другой вызывает диссоциацию рибосомы на СЕ.