Транскрипция у эукариот

РНК-полимераза I (М ~ 473 тыс., 6 субъединиц) ведет синтез крупных молекул рРНК и малых молекул, так называемой, 5,88 рРНК по ДНК ядрышка. Она — самая «работящая». На долю рРНК приходится около 80% всей РНК клетки по массе. В ядрышке же происходит и «самосборка» (но не объединение) двух субъединиц рибосомы (большой и малой) с участием рибосомальных белков, поступающих из цитоплазмы. В клетках большинства эукариотов имеются сотни идентичных копий генов рРНК расположенных рядом друг с другом.

РНК-полимераза II. Она — крупнее (М-882 тыс., 10-12 субъединиц) и выполняет самую ответственную работу — синтезирует множество различных иРНК, направляющих, в свою очередь, синтез белков в рибосомах. Хотя на долю иРНК в клетке приходится не более 2% от суммарной РНК, РНК-полимеразу II не следует считать мало продуктивным ферментом. Ведь иРНК нестабильна, легко разрушается. Считается, что время разрушения наличных молекул иРНК у бактерий составляет несколько минут. У животных — несколько часов. Но надо иметь в виду, что, по крайней мере, часть иРНК эукариотов выходит в цитоплазму клетки в комплексе с белком («информосомы»). В ряде случаев показано, что они сохраняются дольше. За время жизни клетки синтезируется множество ее сменяющих друг друга молекул, в соответствии с изменениями потребностей белкового синтеза. Молекулярные веса иРНК колеблются, — в зависимости от размеров синтезируемых белков, — в пределах от 50 тысяч до 4 миллионов дальтон. В начале транскрибированного участка иРНК находится специально закодированное посадочное место для рибосом. (При наработке нескольких копий белка рибосомы «садятся» на это место одна за другой.) РНК-полимераза II находится в нуклеоплазме

РНК-полимераза III у эукариотов (М - 653 тыс., 9 субъединиц) ведет синтез стабильных малых молекул тРНК и, так называемой, 5S рРНК. Последняя так же, как и 5,8S pPHK, входит в состав большой субъединицы рибосомы эукариотов. В рибосомах бактерий 5,85S pPHK нет. Находится в нуклеоплазме

Строение и организация единиц транскрипции у эукариот значительно сложнее, чем у прокариот. Отчасти это обусловлено использованием трех разных систем транскрипции (не считая систем транскрипции генов митохондрий и хлоропластов).

Гены класса I, кодирующие 5,8S-, 18S- и 28S рРНК, транскрибируются РНК-полимеразой I

Гены класса II, кодирующие все мРНК и ряд малых ядерных РНК (мяРНК) образуются РНК-полимеразой II.

Гены класса III, кодирующие тРНК, 5SрРНК и некоторые малые цитоплазматические РНК (мцРНК) транскрибируются РНК-полимеразой III.

В отличие от прокариотических генов, почти всегда коллинеарных своим РНК, многие гены эукариот имеют мозаичное строение (прозрачка 18): чередование кодирующих (экзоны) и некодирующих (вставочные последовательности или интроны) последовательностей в пределах единицы транскрипции. интроны чаще всего встречаются в генах, кодирующих белки и тРНК, и реже в рРНК-генах. Интронов нет только в эукариотических генах, кодирующих пять гистонов, α и β-интерфероны и белки некоторых вирусов млекопитающих. Размеры, число и местоположение интронов у разных генов различны. Обычно число интронов на ген возрастает пропорционально длине последовательности, кодирующей белок, а размеры экзонов в среднем составляют около 300 п.н. в целом общая длина интронов превышает суммарную длину экзонов в 2-10 раз. Интроны располагаются в единицах транскрипции не случайным образом. В гшенах тРНК они примыкают к петлям антикоддонов, а белок-кодирующих генах часто находятся между сегментами, которые кодируют отдельные структурные или функциональные домены белка.

Гены прокариот организованы в опероны и их экспрессия опосредуется полицистронными мРНК. В отличие от прокариот у эукариот образуются мРНК, кодирующие только один белок. Даже если ген кодирует не один вид мРНК, каждая зрелая мРНКимеет только одну транслируемую кодирующую последовательность.

Мы определяем ген как совокупность сегментов ДНК, которые вместе составляют экспрессируемую единицу, обусловливающую образование спецефического функционального продукта – либо молекулы РНК, либо полипептида. К сегментам ДНК, составляющим ген, относятся:

1. Единица транскрипции, которая представляет собой протяженный участок ДНК, кодирующий последовательность первичного транскрипта; в нее входят:

а) последовательность, кодирующая либо зрелую РНК, либо белковый продукт;

б) интроны;

в) 5`-лидерная и 3`-трейлерная последовательности, которые присутствуют в зрелых мРНК, а также промежуточные последовательности (спейсеры), которые удаляются в ходе процессинга первичных транскриптов генов, кодирующих РНК.

2. Минимальные последовательности, необходимые для начала правильной транскрипции (промотор) и для образования правильного 3`-конца зрелой РНК

3. Последовательности, регулирующие частоту инициации транскрипции; к ним относятся последовательности, ответственные за индуцибельность и репрессию транскрипции, а также клеточную, тканевую и временную специфичность транскрипции. к их числу относятся энхансеры и сайленсеры – последовательности, которые оказывают дистанционное влияние на инициацию транскрипции независимо от своей ориентации относительно точки начала транскрипции.

Для инициации транскрипции с участием трех разных РНК-полимераз используются разные регуляторные последовательности, при этом последние располагаются каждая на определенном расстоянии от точки начала транскрипции. Кроме того, для РНК-полимеразы каждого типа требуются свои вспомогательные белки (факторы транскрипции), которые связываются с этими регуляторными последовательностями.

Для включения и выключения транскрипции эукариотических структурных генов используется множество разнообразных высокоспецифичных процессов. Многие из факторов транскрипции связываются непосредственно с нуклеотидной последовательностью длиной менее 10 п.н., называемые по-разному: боксом, модулем, элементом инициации, регуляторным элементом. В отличие от прокариот у эукариот опероны в большинстве своем отсутствуют, т.е. каждый эукариотический структурный ген имеет свой собственный набор регуляторных элементов. Существенную роль в регуляции транскрипции у эукариот играет также белок-белковое взаимодействие.

Несмотря на индивидуальность набора регуляторных элементов у структурных генов эукариот, каждый из них имеет промоторный участок (ТАТА-бокс или бокс Хогнесса) из восьми нуклеотидов, включающий последовательность ТАТА; последовательность ЦЦААТ (ЦАТ-бокс); участок из повторяющихся динуклеотидов ГЦ (ГЦ-бокс). Эти элементы находятся на расстоянии 25, 75 и 90 п.н. от сайта инициации соответственно (прозрачка 21). Транскрипция структурного гена эукариот начинается со связывания с ТАТА-боксом фактора транскрипции IID (TFIID), который представляет собой комплекс из примерно 14 белков. Затем с TFIID и участками ДНК примыкающими к ТАТА-боксу связываются другие факторы транскрипции и, наконец, со всем этим транскрипционным комплексом связывается РНК-полимераза II. Затем при участии дополнительных факторов происходит инициация транскрипции в точке +1 (прозрачка 19). Ясно, что если последовательности ТАТА отсутствует, или сушественно изменена, то транскрипция структурного гена становится невозможной. Идентифицированы также факторы транскрипции специфичные для регуляторных элементов ЦЦААТ и ГЦ, но пока не ясно, как ДНК-белковые взаимодействия могут влиять в этом случае на эффективность транскрипции, если элементы расположены на расстоянии более 75 п.н. от сайта инициации. Кроме того, на расстоянии сотен и даже тысяч пар оснований от сайта инициации находится так называемая энхансерная последовательность, которая многократно повышает скорость транскрипции структурных генов. По-видимому, сближение удаленных регуляторных элементов и соответствующего структурного гена происходит при укладке хромосомной ДНК. Кроме того, факторы транскрипции, которые связываются с определенными энхансерами и регуляторными элементами, могут образовывать цепочку, соединяющую удаленные друг от друга сайты.

Некоторые репрессированные (не эксперессирующиеся) гены активируются каскадом событий, который запускается каким-либо специфическим внеклеточным сигналом, например, повышением температуры, или синтезом гормона. Гормон, поступив в кровоток, связывается с рецепторами специфических клеток, облегчающими его проникновение в клетку. Оказавшись в клетке, гормон вступает во взаимодействие с одним из клеточных белков и изменяет его конформацию. В таком измененном состоянии белок проникает в ядро и связывается со специфическим регуляторным элементом, который инициирует транскрипцию соответствующего гена.

Существуют также белки, которые, взаимодействуя с регуляторными элементами блокируют транскрипцию. Например, известен класс генов позвоночных (примерно 18), активно транскрибирующихся только в нервных клетках. Каждый их этих генов имеет регуляторный элемент из 24 п.н., находящийся «левее» сайта +1; он обозначается NRSE (от англ. Нейрон рестректив. Силенцер. элемент). Во всех клетках, кроме нейронов, синтезируется NRSF-фактор, который связывается с NRSE и блокирует транскрипцию соответствующих генов. В нейронах NRSF не синтезируется, и упомянутые гены активно транскрибируются.

Таким образом, структурный ген может иметь множество регуляторных элементов, которые активируются специфическими сигналами в клетках разного типа в разное время клеточного цикла. В синтезе РНК также выделяют стадии инициации, элонгации и терминации, но в этих процессах часто принимают участие другие ферменты и последовательности оснований, чем у прокариот, однако первыми основаниями, включаемыми в РНК при инициации, являются, как и у прокариот, А или Г.

Обратная транскрипция — это процесс образования двуцепочечной ДНК на матрице одноцепочечной РНК. Данный процесс называется обратной транскрипцией, так как передача генетической информации при этом происходит в «обратном», относительно транскрипции, направлении.^[1]

Идея обратной транскрипции вначале была очень непопулярна, так как противоречила центральной догме молекулярной биологии, которая предполагала, что ДНК транскрибируется в РНК и далее транслируется в белки.^[2]

Однако в 1970 году Темин^[3] и Балтимор^[4] независимо друг от друга открыли фермент, названный обратной транскриптазой (ревертазой), и возможность обратной транскрипции была окончательно подтверждена. В 1975 году Темину и Балтимору была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины.