Лекция 2. Биология

Лекция 2. ТРАНСКРИПЦИЯ

Почему РНК стала посредником между ДНК и белком? По-видимому, в первичной древней клетке различий между отдельными видами нуклеиновых кислот не существовало. Все типы РНК (иРНК (мРНК), рРНК, тРНК) синтезировались в ядре клетки на молекуле ДНК.

Согласно Фр. Крику центральная догма молекулярной биологии гласит: перенос генетической информации происходит в 3 этапа:

1) с ДНК на ДНК (репликация)

2) с ДНК на РНК (транскрипция)

3) с РНК на белок (трансляция)

Позднее было открыто явление обратной транскрипции, когда под влиянием обратных транскриптаз/ревертаз на основе молекулы РНК синтезируется ДНК.

У эукариотических организмов, имеющих настоящее ядро, транскрипция и трансляция разделены во времени и пространстве. Транскрипция - в ядре, трансляция - в цитоплазме. У прокариот эти два процесса происходят одновременно. Началась транскрипция, образуется иРНК, к ней тут же присоединяется рибосома, и тут же синтезируется белок. У прокариот иРНК с гена синтезируется за 2,5 мин, а уже через 30 с появляется белок. Но у прокариот иРНК существует только на 1 синтез белка, и тут же распадается. У эукариот иРНК может существовать очень долго.

Из 2 нитей ДНК только 1 имеет смысл, с нее синтезируется иРНК, эту нить называют антикодирующей, а вторая нить (кодирующая) по составу - копия иРНК. Синтез, как и у ДНК, идет в направлении 5'-3' и начинается с 3'-конца ДНК. При этом у двух рядом расположенных генов смысл антикодирующей цепи может быть разным, т.е. с первого гена иРНК образуется с одной цепи ДНК, а рядом со второго - с другой.

Существование иРНК теоретически было предсказано Уотсоном и Криком.

РНК - линейные полинуклеотиды похожие на ДНК:

1) из 4 видов нуклеотидов, которые включают азотисты основания, фосфатный остаток и пентозный сахар

2) нуклеотиды связаны в цепь с помощью 5'-3'-фосфодиэфирными связями.

Отличия РНК от ДНК:

1) пентоза ДНК - дезоксирибоза, а в РНК - рибоза, которая имеет дополнительную гидроксид группу, и это является препятствием для двуцепочечности РНК

2) среди 4 нуклеотидов вместо Т стоит У, отличающийся тем, что у него отсутствует метильная группа в 5 положении.

Биосинтез РНК происходит под влиянием фермента РНК-полимеразы. РНК-полимераза E. coli имеет 5 типов белков, из которых 2 белка – альфа (α), 1 белок – бэта (β), еще один бэта' (β’), необычный белок сигма (σ).

α и β везде одинаковы, различаются по σ-фактору. Именно σ-фактор находит свой ген, с которого РНК-полимераза начнет считывать информацию, т. е. сколько генов, столько σ-факторов.

У эукариот известно 3 типа РНК-полимераз, наиболее активна РНК-полимераза-I, она находится в ядрышках ядра клетки, с ее помощью образуется рРНК и рибосомы. Ее количество 50-70%.

РНК-полимераза-II (в ядре) - 20-40%, с ее помощью образуются предшественники иРНК. Их стали называть гетерогенные ядерные РНК. В дальнейшем она модифицируется и превращается в иРНК.

РНК-полимераза-III (в нуклеоплазме) - синтез тРНК.

Этапы транскрипции:

1) инициация

2) элонгация

3) терминация

1) Инициация начинается с промотора (начало гена), который располагается на 5'-конце и заканчивается на терминаторе - 3'-конец. Транскриптон - современное понятие гена (5'-3' промежуток). В начале РНК-полимераза распознает промотор, состоящий из 41-44 нуклеотидов. Транскрипция происходит в направлении 5'-3' и все нуклеотиды, лежащие справа от стартовой точки обозначаются +1, +2, ...,+n влево -1,-2,...-n. РНК-полимераза садится на область от -20 до +20, минимальный участок связывания состоит из 12 нуклеотидов, во всех промоторах есть характерные последовательности, т. е. они консервативны. Эти последовательности - сигналы для РНК-полимеразы. Стартовая точка всегда представлена пурином (в основном, А), сразу влево от нее есть 6-9 нуклеотидов (ТАТААТ) - ящик Прибнова. Такого рода участки характерны тем, что между Т и А две связи, а между Г и Ц три связи, поэтому скопление Т и А в одном месте позволяет его легко разорвать, сделать этот участок одноцепочечным. Как правило, эти места являются началом синтеза. Считается, что ящик Прибнова нужен для ориентирования РНК-полимеразы, чтобы синтез шел в направлении 5'-3'.

Близкие по составу последовательности располагаются в области, которая называется "участок -35". Здесь 9 нуклеотидов такого же состава, это район распознавания, сюда присоединяются σ-факторы, именно в этом месте он распознает свой ген. Но есть промоторы, которые не могут прикрепить РНК-полимеразу без особых белков (САР и СRР). σ-фактор распознает участок от -10 до -35.

У эукариот подробно изучены промоторы, взаимодействующие с рНК-полимеразой-II. Здесь 3 похожих друг на друга участка. Они располагаются 1) в стартовой точке, 2) -25, 3) -75. Стартовый нуклеотид А. С боков он флангирован пиримидиновыми основаниями (Т и Ц). На расстоянии 19-27 нуклеотидов влево от этого участка располагаются 7 нуклеотидов (ТАТАА). Это место - ТАТАА-ящик (ящик Хогнеса (Гольдберга-Хогнеса)). Еще левее оттуда в -70 - -80 находится последовательность ЦААТ - ЦААТ-ящик. Предполагается, что ТАТАА-ящик контролирует выбор стартового кодона, а ЦААТ-ящик - первичную связь ДНК и РНК-полимеразы.

2) В качестве предшественников роста цепи РНК необходимы рибонуклеозид-3-фосфаты. Рост начинается на 3'-конце, присоединяется рибонуклеозид-монофосфат и высвобождается дифосфат, при этом выделяется энергия для синтеза. У эукариот синтез происходит в пределах 1 гена, а у прокариот может охватывать несколько генов. Образуется длинная РНК, полицистронная РНК.

3) Она заканчивается на специфических последовательностях, кроме того, существует ро-фактор, который прикрепляется к 5'-концу растущей цепи РНК, как бы догоняя РНК-полимеразу. Когда РНК-полимераза застревает на терминирующих кодонах, ρ-фактор сбрасывает иРНК, при этом на конце иРНК имеются палиндромы, которые способны замыкаться в виде шпильки сами на себя.

2