Принципы транскрипции рнк. Общие сведения
Перенос информации возможен не только с ДНК на РНК, но и в обратном направлении? с РНК на ДНК. Подобная обратная Т. происходит у РНК-содержащих опухолеродных вирусов В их составе обнаружен фермент, который после заражения клеток использует вирусную РНК как матрицу для синтеза комплементарной нити ДНК. В результате образуется двунитевой РНК-ДНК гибрид, используемый для синтеза второй нити ДНК, комплементарной первой. Возникающая двуспиральная ДНК, несущая всю информацию исходной РНК, может встраиваться в хромосомы клетки, пораженной вирусом, и вызывать её злокачественное перерождение. Открытие обратной Т. послужило веским подтверждением вирусно-генетической теории рака, выдвинутой советским учёным Л. А. Зильбером Обратная Т., возможно, играет важную роль в системах реализации и накопления информации в нормальных клетках, например при эмбриональном развитии.
Фермент, осуществляющий обратную Т.? РНК зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза, ревертаза), подобен по свойствам ДНК зависимым ДНК-полимеразам и значительно отличается от ДНК зависимых РНК-полимераз, ведущих Т.
Лит.: Темин Г., РНК направляет синтез ДНК, «Природа», 1972, № 9; Гершензон С. М., Обратная транскрипция и ее значение для общей генетики и онкологии, «Успехи современной биологии», 1973, т. 75, №3; Стент Г., Молекулярная генетика, пер. с англ., М., 1974, гл. 16.
Б. Г. Никифоров. Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия 1969-1978
1. Инициация - первый этап транскрипции, в ходе которого происходит связывание РНК-полимеразы с промотором и образование первой межнуклеотидной связи.
У бактерий холофермент РНК-полимераза непосредственно узнает определенные последовательности нуклеотидных пар в составе промотора: последовательность 5-ТАТААТ-3 (расположена на расстоянии 10 нуклеотидов от точки начала транскрипции и называется боксом Прибнова) и последовательность 5-ТТГАЦА-3 (удалена от точки начала транскрипции на 35 нуклеотидов). В некоторых оперонах, например в лактозном, необходимо предварительное взаимодействие с промотором дополнительного белка (САР изменяет структуру промотора, резко повышая его сродство к РНК-полимеразе).
РНК-полимеразы эукариот не способны самостоятельно связываться с промоторами транскрибируемых генов. В присоединении к транскриптонам РНК-полимераз принимают участие общие факторы транскрипции (TF). Они отличаются от σ-факторов прокариот тем, что могут связываться с ДНК независимо от РНК-полимеразы. Полимеразы I, II и III требуют присутствия разных факторов транскрипции, обозначаемых TF I, TF II и TF III соответственно. Промоторы эукариот устроены более сложно, чем прокариотические, и состоят из нескольких элементов. Из низ самым близким к точке начала транскрипции является ТАТА-домен, называемый также доменом Хогнесса. Затем следуют домены ЦААТ и ГЦ. Промоторы эукариот могут содержать различные комбинации этих элементов, но ни один из них не встречается во всех промоторах. Домен ЦААТ играет существенную роль в инициации транскрипции, ТАТА и ГЦ, по-видимому, выполняют вспомогательные функции.
Связавшись с промотором, РНК-полимераза вызывает локальную денатурацию ДНК, т. е. разделение цепей ДНК на протяжении примерно 15 нуклеотидных пар. Образуется транскрипционный «глазок». Первым в строящуюся цепь РНК включается пуриновый нуклеотид - АТФ или ГТФ, при этом все три его фосфатных остатка сохраняются. После образования первой фосфодиэфирной связи σ-фактор у бактерий теряет связь с ферментом, и оставшийся core -фермент начинает перемещаться по ДНК. РНК-полимераза эукариот после инициации транскрипции также теряет связь с транскрипционными факторами и перемещается по ДНК самостоятельно.
2. Элонгация
- последовательное удлинение растущей цепи РНК. Перемещаясь вдоль двойной спирали ДНК, РНК-полимераза непрерывно раскручивает спираль впереди того участка, где происходит синтез РНК
. На короткое время образуется так называемый открытый комплекс, внутри которого возникает РНК-ДНК-спираль длиной около 20 нуклеотидов
(рис. 30). Затем фермент (с помощью специального сайта) вновь закручивает
Рис. 30. Элонгация транскрипции
ДНК позади участка полимеризации. РНК-транскрипт выводится из комплекса через особый канал, свойственный РНК-полимеразе.
Скорость синтеза РНК у бактерий составляет около 30 нуклеотидов в секунду, однако она не постоянна и может несколько снижаться. Такие периоды называют паузами транскрипции.
Показано, что еще до образования гибрида РНК-ДНК РНК-полимераза переводит ДНК из В-формы в А-форму. В ней плоскости азотистых оснований не перпендикулярны оси спирали, а наклонены на 20 0 к перпендикуляру. Вероятно, это облегчает разъединение двух соседних азотистых оснований в цепи ДНК. Параметры РНК-ДНК-спирали также практически полностью идентичны характеристикам А-формы ДНК.
3. Терминация (окончание транскрипции) определяется особой нуклеотидной последовательностью ДНК, расположенной в зоне терминатора оперона.
В бактериальных оперонах выделяют два типа терминаторов:
- ρ (ро) - независимые терминаторы (I типа);
- ρ - зависимые терминаторы (II типа).
Рис. 31. ρ- независимая терминация транскрипции у бактерий
ρ-независимые терминаторы состоят из последовательностей, представляющих собой инвертированный повтор - палиндром (рис. 31), и располагаются за 16-20 нуклеотидных пар от точки терминации. Палиндромы (последовательности, которые читаются одинаково слева направо и справа налево) ρ- независимых терминаторов содержат большое количество Г-Ц-повторов. За этим участком на матричной цепи расположена олиго (А) - последовательность (4-8 адениловых нуклеотидов подряд). Транскрипция в области палиндрома приводит к тому, что в получившемся РНК-транскрипте быстро образуется устойчивый элемент вторичной структуры - «шпилька» - спирализованная область, содержащая комплементарные
Г-Ц-пары. «Шпилька» нарушает прочность связи ДНК-РНК в открытом комплексе. Кроме этого транскрипция олиго(А)-последовательности в матричной цепи ведет к образованию участка ДНК-РНК-гибрида, составленного из непрочных А-У пар, что также способствует разрушению контакта между ДНК и РНК.
ρ-зависимые терминаторы. Одним из факторов транскрипции прокариот является белок ρ . ρ -фактор - это имеющий четвертичную структуру белок, обладающий АТФ-азной активностью. Он способен связываться с 5-концом синтезируемой РНК длиной около 50 нуклеотидов. ρ -фактор движется по РНК с такой же скоростью, с которой РНК-полимераза движется по ДНК. Вследствие того что в терминаторе много Г-Ц-пар (с тремя водородными связями), РНК-полимераза в области терминатора замедляет ход, ρ -фактор ее догоняет, изменяет конформацию фермента, и синтез РНК прекращается (рис. 32).
На терминаторах обоих типов происходят три ключевых события:
Останавливается синтез РНК;
Цепь РНК освобождается от ДНК;
РНК-полимераза освобождается от ДНК.
Жизнь в углеродной форме существует благодаря наличию белковых молекул. И биосинтез белка в клетке является единственной возможностью для экспрессии гена. Но для реализации этого процесса требуется запуск ряда процессов, связанных с «распаковкой» генетической информации, поиска нужного гена, его считывания и воспроизведения. Термин "транскрипция" в биологии как раз обозначает процесс переноса информации с гена на информационную РНК. Это старт биосинтеза, то есть непосредственной реализации генетической информации.
Хранение генетической информации
В клетках живых организмов генетическая информация локализована в ядре, митохондриях, хлоропластах и плазмидах. В митохондриях и хлоропластах имеется незначительное количество ДНК животных и растений, тогда как плазмиды бактерий являются местом хранения генов, ответственных за быстрое приспособление к окружающим условиям.
В вирусных телах наследственная информация также хранится в виде РНК или ДНК-полимеров. Но процесс ее реализации также связан с необходимостью транскрипции. В биологии этот процесс имеет исключительную важность, так как именно он приводит к реализации наследственной информации, запуская биосинтез белка.
В животных клетках наследственная информация представлена полимером ДНК, который компактно упакован внутри ядра. Потому перед тем синтезом белка или считыванием любого гена должны пройти некоторые этапы: раскручивание конденсированного хроматина и «освобождение» нужного гена, его распознавание ферментными молекулами, транскрипция.
В биологии и биологической химии эти этапы уже изучены. Они приводят к синтезу белка, первичная структура которого была закодирована в считанном гене.
Схема транскрипции в эукариотических клетках
Транскрипция в биологии хоть и изучена недостаточно, но ее последовательность традиционно представляется в виде схемы. Она состоит из инициации, элонгации и терминации. Это значит, что весь процесс делится на три составляющие его явления.
Инициация — это совокупность биологических и биохимических процессов, которые приводят к началу транскрипции. Суть элонгации заключается в продолжении наращивания молекулярной цепочки. Терминация — это совокупность процессов, которые приводят к прекращению синтеза РНК. Кстати, в контексте биосинтеза белка процесс транскрипции в биологии принято отождествлять с синтезом матричной РНК. На основании нее позднее будет синтезирована полипептидная цепочка.
Инициация
Инициация — наименее изученный механизм транскрипции в биологии. Что это с точки зрения биохимии, неизвестно. То есть конкретные ферменты, ответственные за запуск транскрипции, совсем не распознаны. Также неизвестными остаются внутриклеточные сигналы и способы их передачи, которые свидетельствуют о необходимости синтеза нового белка. Для цитологии и биохимии это фундаментальная задача.
Элонгация
Разделить процесс инициации и элонгации во времени пока нельзя из-за невозможности проведения лабораторных исследований, призванных подтвердить наличие специфических ферментов и триггер-факторов. Потому данная граница весьма условная. Суть процесса элонгации сводится к удлинению растущей цепочки, синтезированной на основе матричного участка ДНК.
Считается, что элонгация начинается уже после первой транслокации РНК-полимеразы и начала присоединения первого кадона к стартовому участку РНК. В ходе элонгации на деспирализованном и разделенном на две цепочки участке ДНК происходит считывание кадонов по направлению 3"-5"-цепочки. В это же время растущая цепочка РНК прибавляется новыми нуклеотидами, комплементарными матричному участку ДНК. При этом ДНК «расшивается» на ширину 12 нуклеотидов, то есть на 4 кадона.
Фермент РНК-полимераза движется по растущей цепочке, а «сзади» ее происходит обратное «сшивание» ДНК в двухцепочечную структуру с восстановлением водородных связей между нуклеотидами. Это отчасти отвечает на вопрос о том, какой процесс называется транскрипцией в биологии. Именно элонгация является главной фазой транскрипции, потому как в ее ходе собирается так называемый посредник между геном и синтезом белка.
Терминация
Процесс терминации в транскрипции эукариотических клеток слабо изучен. Пока что ученые сводят его суть к прекращению считывания ДНК у 5"-конца и присоединения группы адениновых оснований к 3"-концу РНК. Последний процесс позволяет стабилизировать химическую структуру полученной РНК. В бактериальных клетках имеется два вида терминации. Это Rho-зависимый и Rho-независимый процесс.
Первый протекает в присутствии Rho-белка и сводится к простому обрыву водородных связей между матричным участком ДНК и синтезированной РНК. Второй, Rho-независимый, происходит после появления стебель-петли, если за ней имеется совокупность урациловых оснований. Эта комбинация приводит к отсоединению РНК от матрицы ДНК. Очевидно, что терминация транскрипции — это ферментативный процесс, однако конкретных его биокатализаторов пока найти не удается.
Вирусная транскрипция
Вирусные тельца не имеют собственной системы биосинтеза белка, а потому не могут размножаться без эксплуатации клеток. Но вирусы имеют свой генетический материал, который нужно реализовывать, а также встраивать в гены зараженных клеток. Для этого они имеют ряд ферментов (или эксплуатируют ферментные системы клетки), которые транскрибируют свою нуклеиновую кислоту. То есть этот фермент на основании генетической информации вируса синтезирует аналог матричной РНК. Но он представляет собой совсем не РНК, а ДНК-полимер, комплементарный генам, например, человека.
Это полностью нарушает традиционные принципы транскрипции в биологии, что следует рассмотреть на примере вируса HIV. Его фермент ревертаза из вирусной РНК способен синтезировать ДНК, комплементарную нуклеиновой кислоте человека. При этом процесс синтеза комплементарной ДНК на основании РНК называется обратной транскрипцией. Это в биологии определение процесса, ответственного за встраивание наследственной информации вируса в геном человека.
ДНК - носитель всей генетической информации в клетке - непосредственного участия в синтезе белков не принимает. В клетках животных и растений молекулы ДНК содержатся в хромосомах ядра и отделены ядерной мембраной от цитоплазмы, где происходит синтез белков. К рибосомам - местам сборки белков - высылается из ядра несущий информацию посредник, способный пройтичерез поры ядерной мембраны. Таким посредником является информационная РНК ( и-РНК). По принципу комплементарности она считывается с ДНК при участии фермента, называемого РНК-полимеразой . Процесс считывания (вернее, списывания), или синтеза РНК, осуществляемый РНК-полимеразой, называется транскрипцией (лат. transcriptio - переписывание). Информационная РНК - это однонитевая молекула, й транскрипция идет с одной нити двунитевой молекулы ДНК. Если в транскрибируемой нити ДНК стоит нуклеотид Г, то РНК-полимераза включает в РНК Ц, если стоит Т, включает А, если стоит А, включает у (в состав РНК не входит Т) ( рис. 46). По длине каждая из молекул и-РНК в сотни раз короче ДНК. Информационная РНК является копией не всей молекулы ДНК, а только части ее - одного гена или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. У прокариот такая, группа генов называется опероном . О том, как гены объединены в оперон и как организовано управление транскрипцией, вы прочтете в в разделе о биосинтезе белков . В начале каждого оперона находится своего рода посадочная площадка для РНК-полимеразы, называемая промотором . Это специфическая последовательность нуклеотидов ДНК, которую фермент узнает благодаря химическому сродству. Только присоединившись промотору, РНК-полимераза способна начать синтез и-РНК. Дойдя до конца оперона, фермент встречает сигнал (в виде определенной последовательности нуклеотидов), означающий конец считывания. Готовая и- РНК отходит от ДНК и направляется к месту синтеза белков. В описанном процессе транскрипции можно выделить четыре стадии:
1) Связывание РНК-полимеразы с промотором;
2) Инициация - начало синтеза. Она заключается в образовании первой фосфодиэфирной связи между АТФ или ГТФ и вторым нуклеотидом синтезирующейся молекулы и-РНК;
3) элонгация - рост цепи РНК, т. е. последовательное присоединение нуклеотидов друг к другу в том порядке, в котором стоят комплементарные нуклеотиды в транскрибируемой нити ДНК. Скорость элонгации достигает 50 нуклеотидов в секунду;
4) терминация - завершение синтеза и-РНК.
Прежде чем начнут синтезироваться белки, информацию об их строении необходимо "достать" из ДНК и доставить ее к месту синтеза белков. Этим занимаются информационные или матричные РНК . Одновременно клетке нужны транспортеры аминокислот – транспортные РНК и структурные компоненты органелл, синтезирующих белок, – рибосомальные РНК . Вся информация о строении транспортных и рибосомальных РНК также находится в ДНК.
Поэтому существует процесс переписывания или транскрипции данных с ДНК на РНК (англ. transcription – переписывание) – биосинтез РНК на матрице ДНК.
Как в любом матричном биосинтезе в транскрипции выделяют 5 необходимых элементов:
- матрица – одна из цепей ДНК,
- растущая цепь – РНК,
- субстрат для синтеза – рибонуклеотиды (УТФ, ГТФ, ЦТФ, АТФ),
- источник энергии – УТФ, ГТФ, ЦТФ, АТФ.
- ферменты РНК-полимеразы и белковые факторы транскрипции.
Биосинтез РНК происходит в участке ДНК, который называется транскриптон , с одного края он ограничен промотором (начало), с другого – терминатором (конец).
РНК-полимеразы эукариот имеют по две больших субъединицы и несколько малых субъединиц.
Стадии транскрипции
Выделяют три стадии транскрипции: инициация, элонгация и терминация.
Инициация
Промотор содержит стартовый сигнал транскрипции – ТАТА-бокс . Так называется определенная последовательность нуклеотидов ДНК, связывающая первый фактор инициации ТАТА-фактор . Этот ТАТА-фактор обеспечивает присоединение РНК-полимеразы к той нити ДНК, которая будет использоваться в качестве шаблона для транскрипции (матричная нить ДНК). Так как промотор ассиметричен ("ТАТА"), то он связывает РНК-полимеразу только в одной ориентации, что определяет направление транскрипции от 5"-конца к 3"-концу (5"→3"). Для связывания РНК-полимеразы с промотором необходим еще один фактор инициации – σ-фактор (греч. σ – "сигма"), но сразу после синтеза затравочного фрагмента РНК (длиной 8-10 рибонуклеотидов) σ-фактор отрывается от фермента.
Другие факторы инициации раскручивают спираль ДНК перед РНК-полимеразой.
Схема процесса транскрипции
Элонгация
Белковые факторы элонгации обеспечивают продвижение РНК-полимеразы вдоль ДНК и расплетают молекулу ДНК на протяжении примерно 17 нуклеотидных пар. РНК-полимераза продвигается со скоростью 40-50 нуклеотидов в секунду в направлении 5"→3". Фермент использует АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ одновременно в качестве субстрата и в качестве источника энергии.
Терминация
РНК-полимераза остановится, когда достигнет терминирующих кодонов. С помощью белкового фактора терминации, так называемого ρ-фактора (греч. ρ – "ро"), от матрицы ДНК отделяются фермент и синтезированная молекула РНК, которая является первичным транскриптом , предшественником мРНК или тРНК или рРНК.