Регуляция на уровне транскрипции у прокариот

Транскрипция.

РНК – единственная известная макромолекула, которая участвует как в хранении, так и в передаче информации, а кроме того, и в катализе. Тем не менее белки необходимы для функционирования РНК. В современной клетке все НК связаны с белками. Некоторые из этих комплексов очень сложно устроены, и входящая в них РНК может совмещать структурную и каталитическую функцию (например, рибосома). В ходе транскрипции ферментная система преобразует генетическую информацию на участке двухцепочечной ДНК в цепь РНК с последовательностью оснований, комплементарной одной из цепей ДНК. Образуется три основных типа РНК: мРНК, тРНК, рРНК. Многие дополнительные специализированные молекулы РНК осуществляют регуляторные или каталитические функции или являются предшественниками РНК трех основных типов.

При репликации обычно копируется целая хромосома, транскрипция же более избирательна. Одномоментно транскрибируются только отдельные гены или группы генов, а некоторые части генома ДНК не транскрибируются никогда. Специфические регуляторные последовательности отмечают начало и окончание транскрибируемых участков ДНК, а так же то, какая цепь ДНК должна использоваться в качестве матрицы. Значительная часть генома человека и других млекопитающих транскрибируется в РНК, причем основными продуктами являются не три основных вида, а множество различных РНК со специфическими функциями. По-видимому, многие из них участвуют в регуляции экспрессии генов.

ДНК-зависимый синтез РНК.

Транскрипция похожа на репликацию направлением синтеза, химическим механизмом и наличием матрицы. Транскрипция состоит из этапов инициации, элонгации и терминации, хотя инициацию обычно подразделяют еще на два этапа – связывание ДНК и инициацию синтеза РНК. Для транскрипции НЕ нужен праймер. В транскрипции участвуют только отдельные участки ДНК, а матрицей служит только одна цепь ДНК.

Основные принципы транскрипции. Для ДНК-зависимой РНК-полимеразы необходимы, помимо матрицы все четыре рибонуклеозида (A, G, U,C), ионы магния и один катион цинка. Сам процесс напоминает репликацию. РНК-полимераза удлиняет цепь РНК, добавляя рибонуклеотидные звенья, надстраивая РНК в направлении 5-3.

Инициация происходит при связывании РНК-полимеразы со специфическими последовательностями ДНК – промоторами. На стадии элонгации основания на растущем конце новой цепи РНК временно образуют пары с основаниями в матрице ДНК, что приводит к формированию короткого участка гибридной двойной спирали РНК-ДНК. Вскоре после образования этой структуры РНК покидает дуплекс, и заново формируется дуплекс ДНК. Чтобы РНК-полимераза могла синтезировать цепь РНК, комплементарную одной из двух цепей ДНК, ДНК на коротком участке расплетается, образую транскрипционный пузырек. Для продвижения пузырька требуется поворот цепей ДНК и вращение цепи ограничивается ДНК-связывающими белками и другими структурными барьерами. В результате движущаяся РНК-полимераза генерирует серию положительных сверхвитков впереди транскрипционного пузырька и отрицательных позади.

РНК-полимераза прокариот большой сложный фермент, состоящий из пяти субъединиц ? (2)??’? (вместе они называются кор-частицей) и шестой субъединицы ?. Субъединица ? временно связывается с кор-частицей и направляет фермент к специфическому участку в молекуле ДНК. Эти шесть субъединиц составляют холофермент РНК-полимеразы. РНК-полимеразы не имеют экзонуклеазной активности для исправления ошибок и частота ошибок при транскрипции выше, чем при репликации.

Инициация. РНК-полимераза связывается со специфическими последовательностями ДНК – промоторами. Они направляют транскрипцию прилежащих участков ДНК. Связывание РНК-полимеразы происходит в области, начинающейся примерно за 70 п.н. до точки начала транскрипции и заканчиваеющейся через 30 п.н. после нее. Промоторные последовательности не идентичны, но имеют характерные особенности (ТАТА-бокс, АТ-богатые области). Промоторная последовательность задает базовый уровень экспрессии.

Процесс инициации состоит из 2 основных этапов – связывания и собственно инициации. Сначала полимераза, направляемая фактором ?, связывается с промотором, в результате чего последовательно образуется закрытый комплекс (в котором связанная ДНК остается интактной) и открытый комплекс (в котором связанная ДНК частично раскручивается). Затем в комплексе начинается транскрипция, что приводит к конформационному изменению – комплекс переходит в форму, характерную для элонгации, после чего сдвигается с промотора. Каждая из этих стадий зависит от специфической последовательности промотора. При переходе полимеразы к стадии элонгации субъединица ? спонтанно диссоциирует. Белок NusA связывается с полимеразой, конкурируя с ?-субъединицей. После окончания транскрипции NusA отсоединяется от фермента, полимераза диссоциирует из комплекса с ДНК, а фактор ? может связываться с ферментом, чтобы снова инициировать транскрипцию. Этот цикл называют ?-циклом.

Транскрипция регулируется на нескольких уровнях, чтобы обеспечить синтез конкретного продукта в строго определенном количестве. Регуляция может происходить на любой стадии, включая элонгацию и терминацию. Однако чаще регуляции подвергаются стадии связывания полимеразы и инициации транскрипции.

Специфические последовательности подают сигнал прекращения синтеза РНК. Клетки прокариот имеют по меньшей мере два типа сигналов терминации: один связан с белковым фактором ?, другой ?-независимый. Большинство независимых терминаторов отличаются двумя свойствами. Они содержат последовательность, транскрипт которой имеет комплементарные участки, образующие структуры в виде шпилек, расположенные на расстоянии 15-20 нуклеотидов от дальнего конца цепи РНК и их матричная цепь содержит консервативную последовательность из 3 остатков А, которые при транскрипции превращаются в остатки U вблизи 3-конца шпильки. Когда полимераза достигает сайта терминации, который содержит эту структуру, она останавливается. При формировании шпильки в РНК разрывается несколько пар оснований A=U в гибриде РНК-ДНК и нарушаются важные контакты между РНК и РНК-полимеразой, что облегчает диссоциацию транскрипта.

В ?-зависимых терминаторах нет повторяющихся остатков А в матричной цепи, но обычно присутствует СА-богатая последовательность. Белок ? связывается со специфическим участком РНК и перемещается в направлении5-3 до тех пор, пока не достигнет транскрипционного комплекса, остановившегося на сайте терминации. Здесь она способствует высвобождению РНК-транскрипта.

В клетках эукариот содержатся РНК-полимеразы трех типов (I, II, III). Они различаются составом комплекса, но имеют некоторые общие субъединицы. Каждая полимераза выполняет особую функцию и присоединяется к специфической промоторной последовательности.

Pol I отвечает за синтез прерибосомной РНК. Pol II синтез молекул мРНК и некоторых специализированных молекул РНК, распознает тысячи промоторов. Pol III образует молекулы тРНК 5S рРНК и некоторые другие специализированные молекулы РНК.

Для формирования активного транскрипционного комплекса РНК-полимераза 2 нуждается в ряде других белков, называемых факторами транскрипции. Основные факторы транскрипции достаточно консервативны у всех эукариот. В транскрипции добавляется одна новая стадия: сборка РНК-полимеразы, инициация, элонгация, терминация.

Минимальный транскрипционный комплекс состоит из 30 или более полипептидов и связывается с ДНК на промоторе.

Процессинг РНК.

Вновь синтезированная молекула РНК называется первичным транскриптом. Вероятно, наиболее интенсивному процессингу подвергаются первичные транскрипты мРНК эукариот и тРНК бактерий и эукариот. Первичные транскрипты эукариотических мРНК обычно содержат один ген, но последовательности, кодирующие полипептид, могут быть разделены другими фрагментами. Эти некодирующие участки называют интронами, кодирующие участки – экзонами. В процессе сплайсинга интроны удаляются из первичного транскрипта, а экзоны соединяются с образованием непрерывной последовательности, которая соответствует функциональному полипептиду. Кроме того, модифицируются концы эукариотической мРНК. К 5’-концу присоединяется модифицированный остаток, называемый кэпом (защита от рибонуклеаз). 3’-конец отцепляется, а взамен присоединяется последовательность из 80-250 остатков А, образующая полиА-хвост (защита от расщепления). Первичные транскрипты прокариотических и эукариотических тРНК в результате процессинга теряют концевые последовательности (отщепление), интроны (сплайсинг). Многие основания и сахара в тРНК модифицируются. Зрелая тРНК содержит много необычных оснований, которые не были обнаружены в других нуклеиновых кислотах.

Существует 4 группы интронов. Интроны относящиеся к группам 1 и 2 способны к аутосплайсингу, т.е. спрайсингу без участия ферментов белковой природы. Третья и самая обширная группа интронов удаляется внутри крупного белкового комплекса сплайсосомы и катализируется ею. Интроры 4 группы отличаются от интронов 1 и 2 групп тем, что для их сплайсинга требуется АТФ и эндонуклеаза.

Альтернативный процессинг РНК приводит к образованию нескольких продуктов одного гена. Первичный транскрипт содержит молекулярные сигналы для всех альтернативных путей процессинга, а предпочтительный для данной клетки путь определяется факторами процессинга – РНК-связывающими белками, которые запускают один конкретный путь.

Молекулы рРНК и тРНК тоже подвергаются процессингу.

Регуляция биосинтеза белка у прокариот осуществляется на уровне изменения скорости синтеза мРНК. В настоящее время принята теория оперона, сформулированная Франсуа Жакобом и Жаком Моно. В основе теории лежат следующие понятия:

оперон – группа тесно связанных между собой генов, которые программируют образование структурных белков и ферментовв клетке,

конституитивные ферменты – те, которые присутствуют в клетках всегда, независимо от ее активности и условий,

индуцибельные ферменты – те, которые программируются опероном и синтезируются при необходимости,

ген-регулятор – ген, регулирующий работу оперона, но не входящий в его состав. Он синтезирует белок-регулятор (чаще называемый белок-репрессор), который может быть в активной или неактивной форме,

ген-оператор – участок ДНК, способный связываться с белком-регулятором, и решающий нужно работать РНК-полимеразе или нет.

Регуляция транскрипции, lac оперон Ecoli


Похожие статьи:

Понравилась статья? Поделиться с друзьями: