37.Процессы матричного синтеза в клетке. Процесс транскрипции у прокариот и эукариот .Этапы транскрипции.Промотор.Терминатор.Транскриптон.
Матричный биосинтез РНК (транскрипция) осуществляется при участии ферментов РНК-полимераз. Этот фермент катализирует такой же тип реакции как и ДНК-полимераза (перенос нуклеозид-трифосфата на цепь РНК), но только вместо субстрата ТДФ используется УТФ. Матрицей при транскрипции является двунитевая ДНК. Вблизи активного центра РНК-полимеразы двунитевая спираль раскручивается и фермент составляет цепь РНК по считываемой информации с нити ДНК. РНК составляется по принципу комплементарности с тем отличием, что вместо тимина используется урацил и нуклеозиды, которые содержат не дезоксирибозу, а рибозу.
Транскрипция — синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы. В результате возникает 3 типа РНК: матричная (мРНК), рибосомная (рРНК), транспортная (тРНК).
Стадии транскрипции:
1). Инициация — образование нескольких начальных звеньев РНК.
2). Элонгация — продолжается дальнейшее расплетение ДНК и синтез РНК по кодирующей цепи.
3). Терминация — когда полимераза достигает терминатора (точки отсчета транскрипции), она немедленно отщепляется от ДНК, локальный гибрид ДНК-РНК разрушается и новосинтезированная РНК транспортируется из ядра в цитоплазму. Транскрипция заканчивается.
Процесс транскрипции у эукариот и прокариот во многом сходен, но есть и некоторые отличия в синтезе РНК.
1. У прокариот есть только один тип РНК-полимеразы для синтеза всех типов РНК (иРНК, тРНК, рРНК), а у эукариот известно, по крайней мере, три типа ферментов: РНК-полимераза 1, 2 и 3 для синтеза каждого типа РНК.
2. У прокариот сразу синтезируется зрелая молекула РНК, которая без крупных модификаций принимает участие в синтезе полипептидной цепочки. У эукариот сначала синтезируется молекула РНК – предшественник (про-РНК), которая в результате процессинга превращается в зрелую РНК. Связано это с тем, что гены эукариот состоят из участков, несущих генетическую информацию – экзонов и участков, не несущих генетическую информацию – интронов; как принято говорить, ген имеет "мозаичное" строение. Транскрибируется весь ген целиком, т.е. переписывается информация и из экзонов, и из интронов; при этом образуется молекула про-РНК. Далее из молекулы про-РНК специфическими ферментами вырезаются участки, соответствующие интронам, т.е. участки, генетически незначимые, а участки, соответствующие экзонам, "сшиваются" и формируют прелую молекулу РНК.
3. У эукариот, прежде чем начнется трансляция – второй этап синтеза полипептидов, должна закончиться транскрипция в ядре, затем молекулы РНК через ядерные поры поступают в цитоплазму и там, на рибосомах, начинается трансляция.
Промотор - это предшествующая гену последовательность нуклеотидов, которую узнает фермент РНК-полимераза . Основной элемент промотора - место связывания РНК-полимеразы, которое она занимает перед началом синтеза РНК. В состав промоторов могут входить также участки связывания белков-регуляторов. ТЕРМИНАТОР (от лат. terminalis — заключительный, конечный) — нуклеотидная последовательность, находящаяся на конце транскриптона (участка транскрипции), ответственная за прекращение процесса транскрипции.
Транскриптон —оперон.Участок бактериальной хромосомы, содержащий несколько структурных генов
38.Этапы процессинга (созревания ) матричной рнк (сплайсинг ,кэпирование , Полиаденилирование)Альтернативный сплайсинг и его роль в создании генетического разнообразия .
Сразу после синтеза первичные транскрипты РНК по разным причинам еще не имеют активности, являются "незрелыми" и в дальнейшем претерпевают ряд изменений, которые называются процессинг. У эукариот процессингу подвергаются все виды пре-РНК, у прокариот – только предшественники рРНК и тРНК.
При транскрипции участков ДНК, несущих информацию о белках, образуются гетерогенные ядерные РНК, по размеру намного превосходящие мРНК. Дело в том, что из-за мозаичной структуры генов эти гетерогенные РНК включают в себя информативные (экзоны) и неинформативные (интроны) участки.
1. Сплайсинг (англ. splice – склеивать встык) – особый процесс, в котором при участии малых ядерных РНК происходит удаление интронов и сохранение экзонов.
2. Кэпирование (англ. cap – шапка) – происходит еще во время транскрипции. Процесс состоит в присоединении к 5'-трифосфату концевого нуклеотида пре-мРНК 5'-углерода N7-метил-гуанозина.
"Кэп" необходим для защиты молекулы РНК от экзонуклеаз, работающих с 5'-конца, а также для связывания мРНК с рибосомой и для начала трансляции.
3. Полиаденилирование – при помощи полиаденилат-полимеразы с использованием молекул АТФ происходит присоединение к 3'-концу РНК от 100 до 200 адениловых нуклеотидов, формирующих полиадениловый фрагмент – поли(А)-хвост. Поли(А)-хвост необходим для защиты молекулы РНК от экзонуклеаз, работающих с 3'-конца.
Схематичное представление матричной РНК после процессинга
Альтернативный сплайсинг — процесс, в ходе которого экзоны, вырезаемые из пре-мРНК, объединяются в различных комбинациях, что порождает различные формы зрелой мРНК. В результате один ген может порождать не одну, а множество форм белка.
Таким образом, альтернативный сплайсинг позволяет увеличить разнообразие белковых продуктов генов, не увеличивая пропорционально этому размер генома, в том числе не создавая дополнительных копий генов. Биологический смысл альтернативного сплайсинга для многоклеточных эукариот состоит в том, что он, по-видимому, является ключевым механизмом увеличения разнообразия белков, а также позволяет осуществлять сложную систему регуляции экспрессии генов, в том числе тканеспецифической
39.Модель оперона Ф.Жакоба и Ж.Моно.Регуляция экспрессии (генной активности)на примере прокариот .Регуляция по типу репрессии
Модель Оперона.Оперон - участок генетического материала, состоящий из 1, 2 и более сцепленных структурных генов, которые кодируют белки (ферменты), осуществляющие последовательные этапы биосинтеза какого-либо метаболита. В оперон эукариот входит, как правило, 1 структурный ген. Оперон содержит регуляторные элементы.
Оперонная модель регуляции экспрессии генов предполагает наличие единой системы регуляции у таких объединенных в один оперон структурных генов, имеющих общий промотор и оператор.
Особенностью прокариот является транскрибирование мРНК со всех структурных генов оперона в виде одного полицистронного транскрипта, с которого в дальнейшем синтезируются отдельные пептиды.
Примером участия генетических и негенетических факторов в регуляции экспрессии генов у прокариот может служить функционирование лактозного оперона у кишечной палочки Е. colt (рис. 3.86). При отсутствии в среде, на которой выращиваются бактерии, сахара лактозы активный белок-репрессор, синтезируемый геном-регулятором (I), взаимодействует с оператором (О), препятствуя соединению РНК-полимеразы с промотором (Р) и транскрипции структурных генов Z, Y, А. Появление в среде лактозы инактивирует репрессор, он не соединяется с оператором, РНК-полимераза взаимодействует с промотором и осуществляет транскрипцию полицистронной мРНК. Последняя обеспечивает синтез сразу всех ферментов, участвующих в метаболизме лактозы. Уменьшение содержания лактозы в результате ее ферментативного расщепления приводит к восстановлению способности репрессора соединяться с оператором и прекращению транскрипции генов Z, Y, А.
Таким образом, регуляция экспрессии генов, организованных у прокариот в опероны, является координированной. Синтез полицистронной мРНК обеспечивает одинаковый уровень синтеза всех ферментов, участвующих в биохимическом процессе.
В последние годы были получены данные о наличии еще одной управляющей ячейки генной активности - промоторе. Оказалось, что по соседству с операторным участком, к которому присоединяется продукт - белковое вещество репрессор, синтезированный на гене-регуляторе, имеется другой участок, который относится к членам регуляторной системе генной активности. К этому участку присоединяется молекула фермента РНК - полимеразы. В этом промоторном участке должно произойти взаимное узнавание уникальной последовательности нуклеотидов в ДНК и специфической конфигурации белка РНК- полимеразы. От эффективности узнавания будет зависеть осуществление процесса считывания генетической информации с данной последовательности генов оперона, примыкающего к промотору.
40. Триптофановый оперон.Регуляцию по типу индукции.Лактозный оперон .
Особенности регуляции экспресии генов у эукариот .
Триптофановый оперон — классический пример оперона в бактериальных геномах, может быть использован как пример регуляции анаболизма у прокариотов, а также механизма аттеньюации (затухания) ферментативного синтеза.
Состоит из 5 цистронов, кодирующих четыре фермента заключительного этапа образования триптофана. Вслед за промотором и оператором в оперонах этого типа находится так называемый лидерный отдел; именно он оканчивается аттенюатором.
Позитивная индукция. Белок-регулятор не запрещает, а активирует транскрипцию. Регуляция катаболического оперона, контролирующего синтез ферментов арабинозы (ага-оперон), осуществляется белком-регулятором, производимым геном-регулятором. Этот белок прикрепляется к оператору и запрещает транскрипцию структурных генов.
Эффектором служит арабиноза, которая, соединяясь с регуляторным белком, лишает его активности и способности связываться с оператором (происходит индукция). Более того» комплекс регулятор — арабиноза приобретает сродство к промоторной области оперона, прикрепляется к ней и активирует структурные гены. Из репрессора белок-регулятор становится активатором. В мальтозном опероне белковый активатор, синтезируемый геном-регулятором, активируется мальтозой и в этом состоянии реагирует с сайтом инициации, что ведет к транскрипции структурных генов.
Лактозный оперон (lac оперон) — полицистронный оперон бактерий, кодирующий гены метаболизма лактозы. Лактозный оперон (lac operon) состоит из трех структурных генов, промотора, оператора и терминатора. Принимается, что в состав оперона входит также ген-регулятор, который кодирует белок-репрессор.Структурные гены лактозного оперона — lacZ, lacY и lacA:
Регуляция экспрессии генов эукариот
Особенности организации генома эукариотУ эукариотических организмов механизм регуляции транскрипции гораздо более сложен. В результате клонирования и секвенирования генов эукариот обнаружены специфические последовательности, принимающие участие в транскрипции и трансляции.
Для эукариотической клетки характерно:
1. Наличие интронов и экзонов в молекуле ДНК.
2. Созревание и-РНК - вырезание интронов и сшивка экзонов.
3. Наличие регуляторных элементов, регулирующих транскрипцию, таких как: а) промоторы - 3 вида б)модуляторы - последовательности ДНК, усиливающие уровень транскрипции; в) (энхансеры) усилители - последовательности, усиливающие уровень транскрипции и действующие независимо от своего положения относительно кодирующей части гена и состояния начальной точки синтеза РНК; г)терминаторы - специфические последовательности, прекращающие и трансляцию, и транскрипцию.
Кроме механизмов близких к существующим у прокариотов, в контроле генной экспрессии в эукариотических клетках принимают участие такие специфические молекулярные процессы, которые реализуют регуляторное воздействие на разных уровнях генной экспрессии: 1)на уровне структурной организации генома – регуляция осуществляется за счет генных перестроек (рекомбинации генов), а также за счет амплификации генов; 2)на уровне транскрипции – регуляторными механизмами является влияние сигналов усиления и ослабления транскрипции, соответственно энхансеров и атенюаторов; 3)на уровне трансляции – основным механизмом является ковалентная модифи кация белковых факторов трансляции путем их обратимого фосфорилирования– дефосфорилирования.