4.3.3. Транскрипция

Транскрипция - процесс перевода генетической информации в виде последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК в последовательность нуклеотидов в молекуле мРНК. Иными словами транскрипция - это процесс синтеза мРНК на матрице ДНК.

Транскрипция осуществляется с участием ряда ферментов, а также различных белковых факторов транскрипции (табл.1,2)

Таблица 1

Ферменты и белковые факторы, участвующие в транскрипции генов прокариот

Фермент	Точки приложения	Функции
РНК-полимераза I	Разрывает водородные связи в молекуле ДНК и на ее кодогенной цепи в своответствии с приципом комплементарности синтезирует все виды РНК	Обеспечивает синтез мРНК, рРНК и тРНК
Сигма-фактор	Связывается с полинулеотидными последователносяими промотора и РНК полимеразой	Обеспечивает присоединение РНК–полимеразы к промотору и инициацию транскрипции

Таблица 2

Ферменты и белковые факторы, участвующие в транскрипции генов эукариот

Фермент	Точки приложения	Функции
РНК-полимераза II	Разрывает водородные связи в молекуле ДНК и на ее кодогенной цепи в своответствии с приципом комплементарности синтезирует пре-мРНК,	Обеспечивает синтез мРНК
РНК полимераза I-	Те же, что и у РНК полимеразы II	Обеспечивает синтез рРНК
РНК полимераза III	Те же, что и у РНК полимеразы II	Обеспечивает синтез тРНК
Белки – общие факторы транскрипции	Связываются с полинулеотидными последовательностями боксов промотора и с РНК полимеразой II, с образованием комплекса, инициирующего транскрипцию	Обеспечивают присоединение РНК-полимеразы II к промотору и участвуют в образовании комплекса, иницициируюшего транскрипцию всех белок кодирующих генов.
Белки – специфические факторы транскрипции	Связываются с проксимальными и дитальными регуляторными полинуклеотидными последовательностями ДНК гена (контролирующими элементами), после чего взаимодействуют с компонентами комплекса, инициирующего транскрипцию	Обеспечивают присоединение РНК-полимеразы к промотору и инициируют транскрипцию генов, контролирующих синтез специфических белков.

В процессе транскрипции выделяют три стадии: инициции, элонгации и терминации .

На стадии инициации транскрипции фермент РНК- полимераза присоединяется к особому участку в молекуле ДНК – промотору ( рис. 4.18). У прокариот РНК- полимераза способна связываться с последовательностями промотора без участия посредников. У эукариот указанный фермент присоединяется к промотору только после того, как со специфическими нуклеотидными последовательностями промотора свяжутся белки, получившие название транскрипционных факторов. В результате белок-белковых взаимодействий РНК- полимеразы и транскрипционных факторов формируется единая в функциональном отношении молекулярная структура- комплекс, инициирующий транскрипцию.

Выделяют две группы транскрипционных факторов: общие и специфические факторы транскрипции.

Общие факторы транскрипции, например ТАТА-связывающийся белок и некоторые другие белки, первыми присоединяются к полинуклеотидным последовательностям боксов промотора в процессе формирования комплекса инициирующего транскрипцию. Указанные факторы в комплексе с РНК полимеразой обеспечивают эффективную инициацию транскрипции, не всех, а лишь постоянно экспрессирующихся генов, продукты которых необходимы для нормального существования любой клетки организма. Для всех других генов, таких, например, как гены адаптивного ответа или цитодифференцировки, участия только общих факторов в образовании комплекса, инициирующего транскрипцию, оказывается недостаточным. Высокий уровень транскрипции таких генов достигается лишь при участии в формировании комплекса, инициирующего транскрипцию, специфических факторов транскрипции. Многие из указанных факторов сначала присоединяются к определенным регуляторным последовательностям (контролирующим элементам) регулируемых ими генов и, лишь затем связываются с общими факторами транскрипции и другими белками коактиваторами, способствуя, таким образом, присоединению РНК- полимеразы к промотору и формированию комплекса, инициирующего транскрипцию ..

После присоединения к промотору РНК-полимераза разрывает водородные связи между цепями ДНК и раскручивает прилежащий виток спирали, экспонируя 10-20 нуклеотидов ДНК для последующего спаривания с ними комплементарных рибонуклеотидов. В результате две цепи ДНК расходятся и на одной из них, называемой кодогенной, осуществляется синтез мРНК путем включения рибонуклеозидтрифосфатов в синтезируемую цепь мРНК с соблюдением комплементарности их нуклеотидам кодогенной цепи ДНК. Поскольку РНК-полимераза присоединяет нуклеотиды только к 3`-концу растущей полинуклеотидной цепи, синтезируемая цепь иРНК удлиняется в направлении 5`- конца матрицы, т.е. антипараллельно по отношению к кодогенной цепи ДНК. При переходе от стадии инициации к стадии элонгации факторы транскрипции (у прокариот σ-фактор) отделяются от РНК полимеразы, и вместо них к ферменту присоединяются другие белки – факторы элонгации.

На стадии элонгации - последовательного удлинения синтезируемой цепи РНК фермент РНК-полимераза, продвигаясь вдоль цепи ДНК, раскручивает двойную спираль молекулы ДНК, одновременно представляя (экспонируя) на ее кодогенной цепи отрезок длиной около 18 оснований для спаривания с рибонуклеозидтрифосфатами . Пройденные РНК-полимеразой одноцепочечные участки ДНК вновь объединяются в двойную спираль. Синтезируемая цепь мРНК удлиняется в направлении 3`→5`, т.е. антипараллельно по отношению к кодогенной цепи ДНК.

На стадии терминации осуществляется окончание транскрипции. У эукариот остановка транскрипции просходит, когда РНК-полимераза транскрибирует последовательность ДНК, кодирущую сигнал полиаденилирования (AAUAAA) в молекуле пре-мРНК, и следующие за ним 10- 35 нуклеотидов. После этого с растущей цепью РНК-транскрипта связывается специальный белок и разрезает его, освобождая вновь синтезированную пре-мРНК от фермента и молекулы ДНК. У прокариот сигналом для окончания транскрипции служит специфическая палиндромная последовательность, получившая название терминатора. После транскрипция терминатора РНК- полимеразой вновь синтезированная цепь мРНК и РНК- полимераза отделяются от матрицы ДНК .

Скорость транскрипции у прокариот составляет 50-100 нуклеотидов в сек. у эукариот- 20-30 нуклеотидов в сек.

У прокариот молекулы мРНК способны выполнять функцию матриц для трансляции сразу после их синтеза. У эукариот образовавшаяся незрелая мРНК, или пре- РНК сразу же, еще до ее транспорта из ядра в цитоплазму, подвергается сложным превращениям, так называемому процессингу или созреванию. Превращение первичного транскрипта в зрелую мРНК начинается с химической модификации его 5` конца путем присоединения нему так называемого «колпачка» или кэпа–7-метил гуанозинтрифосфата. Этот процесс осуществляется еще на стадии элонгации вскоре после начала синтеза первичного транскрипта. После завершения транскрипции часть нуклеотидов на 3`- конце первичного транскрипта удаляется и в этом месте к нему присоединяется полинуклеотидная последовательность, насчитывающая 100-200 остатков адениловой кислоты- «полиаденилатный «хвост».

В ходе процессинга осуществляется также сплайсинг – процесс, сопровождающийся удалением интронов и сшиванием между собой экзонов, с образованием зрелой Мрнк.

В механизме сплайсинга участвуют малые ядерные рибонуклеопротеиновые частицы, или мяРНП, каждая из которых состоит из малой ядерной РНК (мяРНК), связаннной с белковым остовом (4.23). После образования первичного транскрипта, малые ядерные РНК, входящие в состав мяРНП, распознают участки разрезания пре- РНК, по характерным для них сайтам сплайсинга – коротким нуклеотидным последовательностям, расположенным на 5’- конце ( -AGGU- ) и на 3’- конце- (GAGG-) интронов и соединяются с ними cвоими нуклеотидными последовательностями по принципу комплементарности. Затем несколько таких частиц объединяются между собой и с другими белками с образованием крупных молекулярных комплексов-сплайсосом, размеры которых сопоставимы с размерами рибосом. Посредством сплайсосом интроны вырезаются и удаляются из состава пре-РНК, а экзоны сшиваются между собой с восстановлением непрерывной полинуклеотидной последовательности. После этого сплайсосомы распадаются с одновременным освобождением зрелой мРНК, содержащей только экзоны. В некоторых случаях сплайсинг происходит самопроизвольно в результате каталитической активности самих молекул РНК- рибозимов, обеспечивающих расщепление первичного транскрипта в определенных сайтах.

Сплайсинг одной и той же последовательности пре-мРНК в разных условиях, (например, в клетках разных тканей многоклеточного организма) может осуществляться неодинаково. В результате из одной и той же пре-мРНК могут удаляться разные нуклеотидные последовательности интронов ( в состав интронов в этом случае могут входить и некоторые экзоны) и образовываться разные зрелые мРНК. Этот феномен получил название альтернативного (взаимоисключающего) сплайсинга (рис.4.24). Сплайсингу подвергаются не только пре-мРНК, кодирующие полипептиды, но и пре - РНК молекул рРНК и тРНК.

Биологическое значение альтернативного сплайсинга состоит в том, что он обеспечивает повышение разнообразия белков, синтезируемых на основе данного генома. Иными словами, благодаря альтернативному сплайсингу достигается повышение информационной емкости генома, без изменения его размеров.