Внутриклеточное движение генетической (биологической) информации. Транскрипция и посттранскрипционные процессы. Транспорт и(м)РНК из ядра в цитоплазму

Транскрипция — процесс образования молекул РНК на матричной полинуклеотидной цепи двойной спирали ДНК (см. рис. 2.31). Среди РНК выделяют информационные, рибосомные и транспортные, принимающие непосредственное участие в биосинтезе белка, а также ряд других видов, главным образом, низкомолекулярных, выполняющих регуляторные, коценсусные и иные функции (РНК-праймеры при репликации ДНК — см. п. 2.4.5.3, snoRNA, участвующие в процессинге пре-рРНК транскрипта — см. п. 2.4.3.3). Если иметь в виду внутриклеточный трафик генетической (биологической) информации, то речь должна идти, прежде всего, об информационных (мессенджер; англ. messenger, см. п. 2.4.2) РНК — и(м)РНК.

Для осуществления транскрипции необходимо наличие, кроме ДНК-матрицы, пула предшественников (аденин-, гуанин-, цитозин- и урацилтрифосфатнуклеотиды) и соответствующего фермента (РНК-полимераза). Большая роль принадлежит условиям, определяющим доступ РНК-полимеразы к ДНК и модификацию структуры двойной спирали, «разрешающую» считывание информации, а также синтез молекулы РНК, начинающийся и завершающийся в определенных точках матрицы. Речь, по существу, идет о протяженности гена или, в более общем виде, транскрибируемого сайта ДНК, длина которой заведомо меньше длины молекулы ДНК в хромосоме. Избирательная транскрипция генов, в частности, связанная с выполнением дифференцированной клеткой синтезов для нужд многоклеточного существа («luxury proteins» см. п. 2.4.4.4-е), требует включения функционально-генетических элементов эукариотического генома в регуляторный контур организма.

Это обеспечивается отчасти специальными (сервисные, конценсусные, регуляторные) нуклеотидными последовательностями ДНК, а отчасти подключением белков — общих и специфических транскрипционных факторов, энхансеров, сайленсеров (см. здесь же, ниже). Транскрипция — матричный процесс, в котором выделяют стадии инициации, элонгации и терминации.

Представление о процессе считывания информации с ДНК дает знакомство со структурой транскриптона1 — единицы транскрипции у эукариот, включающей как собственно биоинформативную часть, так и элементы, необходимые для инициации, осуществления, терминации и регулирования образования требуемых и(м)РНК (рис. 2.34). Некоторые элементы транскриптона определяют свойства зрелых и(м)РНК, например, продолжительность их жизни в цитоплазме и, следовательно, длительность периода синтеза, то есть количество соответствующих полипептидов (см. п. 2.4.5.6).

Особенностью клеток многоклеточных эукариот является избирательность транскрипции генов (генетической активности сайтов ДНК): по месту — разные типы клеток, по времени — разные периоды и фазы клеточного цикла или онтогенеза особи, по интенсивности — изменения функционального состояния клеток.

Биоинформативная область транскриптона полностью транскрибируется. Вместе с тем, несмотря на то что названная область целиком транскрибируется, в ней присутствуют участки ДНК, которые далее (по ходу внутриклеточного потока биоинформации) транслируются или не транслируются. В большинстве, но не во всех эукариотиче-

Рис. 2.34. Транскриптон эукариот (схема): 1 — экзоны (транскибируются, транслируются); 2 — интроны (транскрибируются, не транслируются); 3 — 5" нетранслируемая последовательность; 4 — энхансер (сайленсер); усиливающий (ослабляющий) сайт; 5 — 3" нетранслируемая последовательность; 6 — инициирующий кодон; 7 — кодон-терминатор (стоп-кодон)

1 В настоящее время термин «транскриптон» не употребляется широко и повсеместно. Тем не менее, он удобен, особенно в учебной литературе, своей конкретностью.

ских генах участки транскрибируемой части, транслируемые (экспрес-сируемые) в аминокислотные последовательности белка — экзоны, перемежаются с участками, нетранслируемыми (неэкспрессируемыми) в аминокислотные последовательности белка — интроны (см. также п. 2.4.5.5). Количество экзонов и интронов в генах варьирует. Так, в геноме людей относительно небольших размеров ген β-глобина гемоглобина протяженностью 2000 п.н. имеет 3 экзона, а более крупный ген фактора VIII свертываемости крови (его мутации приводят к развитию одной из форм гемофилии) протяженностью 200 тыс. п.н. — 26 экзонов. В геноме человека на долю экзонов приходится до 1,5\% ДНК, на долю интронов — 24\%. Гены основных (щелочных) белков хроматина гисто-нов лишены интронов.

Интрон/экзонный формат структуры генов порождает самостоятельную проблему процессинга пре-и(м)РНК транскрипта путем вырезания участков, соответствующих интронам, и точного воссоединения «конец в конец» (сплайсинг) участков, соответствующих экзонам. Для того чтобы исключить ошибки, границы интронов и экзонов представлены так называемыми конценсусными нуклеотидными последовательностями. В пре-и(м)РНК транскрипте подавляющее большинство участков, соответствующих интронам, начинается с последовательности ГУ и заканчивается последовательностью АГ. Предположительно, с такими «пограничными» конценсусными последовательностями соединяются специальные snRNA, являющиеся составным элементом рибонуклеопротеиновых частиц — сплайсосом. О важной роли кон-ценсусных последовательностей для точного сплайсинга говорит следующий пример. В пре-и(м)РНК транскрипте β-полипептида гемоглобина на 5′-конце интрона «Г» может быть заменен на «А», что ведет к искажению биоинформации сначала в зрелой β-глобиновой и(м)РНК, а затем через «дефектный» или отсутствующий β-глобиновый полипептид и в гемоглобине. Результат состоит в развитии одной из форм наследственной болезни человека β-талассемии, в клинический фенотип которой в качестве ведущего признака входит анемия.

Согласно распространенной точке зрения, интрон/экзонный формат организации генов эукариот возник в связи с необходимостью решать определенные задачи в рамках эволюционного процесса. В частности, благодаря такой организации и феномену альтернативного сплайсинга (см. здесь же, ниже) удается повысить информационную емкость генома без увеличения количества ДНК. Предположительно, 35-59\% пре-и(м) РНК транскриптов в клетках млекопитающих и человека подвержены

альтернативному сплайсингу с образованием, в среднем, более двух разных зрелых и(м)РНК. В качестве примера приведем и(м)РНК, возникающие вследствие альтернативного сплайсинга пре-и(м)РНК транскрипта гена α-тропомиозина, специфичные для разных типов клеток (рис. 2.35).

Наряду с названными выше, в состав транскриптона как функциональной единицы транскрипции включены так называемые не-транслируемые (хотя частично транскрибируемые) фрагменты ДНК, расположенные относительно биоинформативной части как с 5′ (направление «вверх по течению», англ. upstream), так и с 3′ (направление «вниз по течению», англ. downstream) ее конца, а также сайты, находящиеся на расстоянии сотен и тысяч пар нуклеотидов от биоинформативной части по обоим направлениям — upstream и downstream.

Важные в функциональном отношении нетранслируемые нуклео-тидные последовательности транскриптона расположены на 5′-конце матричной цепи биспирали ДНК перед точкой начала транскрипции (направление upstream). Они составляют область промотора. Функция промотора состоит в создании условий для инициации транскрипции, а также в регуляции некоторых параметров транскрипции, например, тканеспецифичности и скорости. Ключевой участник транскрипции и(м)РНК эукариот — РНК-полимераза II — не может самостоятельно взаимодействовать с биспиралью ДНК и, в частности, определить точку начала транскрипции. Предварительно с ДНК должны прореагировать белки — общие транскрипционные факторы . Это взаимодействие

Рис. 2.35. Цитотипические и(м)РНК, образующиеся вследствие альтернативного сплайсинга пре-и(м)РНК-транскрипта гена α-тропомиозина

происходит в области промотора, имеющего в своем составе определенную нуклеотидную последовательность. В промоторах примерно 60\% генов, транскрибируемых РНК-полимеразой II, — это «ТАТА»-последовательность, или ТАТА-бокс, располагающийся на расстоянии примерно 25 нуклеотидов от стартовой точки (инициирующего кодона). В остальных генах, но и в генах с последовательностью «ТАТА» присутствует последовательность «ЦААТ», либо выполняющая, либо способствующая выполнению функции последовательности «ТАТА». В рассматриваемой области транскриптона есть и другие знаковые ну-клеотидные последовательности. Важнейшая функция промотора, как уже говорилось, состоит в правильном позиционировании фермента РНК-полимеразы относительно точки инициации (начала) транскрипции. Вместе с тем 5′-нетранслируемая область и, в частности, зона промотора служит структурой, на базе которой собирается сложный мультимакромолекулярный регуляторный комплекс, обусловливающий такие параметры транскрипции, как ее скорость (в частности, благодаря взаимодействию с энхансерами и сайленсерами), а также избирательность процесса считывания биоинформации, включая тканеспецифич-ность (рис. 2.36). Среди образуемых эукариотическими клетками белков, выполняющих, прежде всего, биокаталитическую функцию, различают конститутивные и индуцибильные. Первые синтезируются клетками на постоянной основе, вторые — периодически по мере возникновения необходимости в конкретной биохимической реакции (или совокупности реакций). Наиболее часто индуцибильные ферменты образуются при появлении в клетке соответствующего субстрата, в метаболизме которого участвует данный фермент. Очевидно, что в отсутствии субстрата синтез такого фермента функционально бессмысленен. Понятно также, почему роль индуктора выполняет обычно молекула субстрата. Инду-цибильные синтезы являются правилом для прокариот и относительно редки у эукариот. С другой стороны, конститутивные белковые синтезы есть и у прокариот. Существует мнение, что для запуска транскрипции индуцибильных генов в эукариотических клетках существует самостоятельный механизм. Известно, что 5′-конец эукариотических и(м)РНК «кэпирован» (англ. CAP — шапка, колпачок), т.е. «прикрыт» нетранс-лируемым участком в виде метилированного гуанилового нуклеотида. В случае взаимодействия с участком ДНК, ответственным за кэпи-рование, соответствующего регуляторного белка (специфический транскрипционный фактор, см. комплекс цитозольных белков «теплового шока» с молекулой стероидного, например, полового гормона —

Рис. 2.36. Принципиальная структура инициаторно-регуляторного комплекса транскриптона эукариотической клетки (схема). TATA, ЦААТ, ГЦ — см. п. 2.4.5.5; TBP, TAFs, TFIID — мультибелковые комплексы

п. 2.4.3.1) запускается транскрипция генов индуцибильных белков. Согласно еще одной точке зрения, в запуске транскрипции индуци-бильных генов определенным своим фрагментом участвует область промотора. У высших многоклеточных животных функция индуктора выполняется нередко гормонами (стероидные половые — см. п. 2.4.3.1; адреналин — см. п. 2.4.2). В организме млекопитающих и человека индуцированные синтезы достаточно типичны для клеток печени, выполняющих, наряду с прочими, детоксицирующую функцию в отношении так называемых ксенобиотиков, например, инсектицидов, удобрений, некоторых лекарств. Соответствующие химические соединения, являясь индукторами, вызывают транскрипцию генов, контролирующих образование ферментов детоксикации, в частности, из семейства Р450.

Уточнение функционально-биоинформационной роли 5′ (направление upstream, см. рис. 2.34) и 3′ (направление downstream, см. рис. 2.34) нетранслируемых нуклеотидных последовательностей ДНК про-

должается. Некоторые сведения по указанному вопросу относительно 5′-участка изложены здесь же, выше, а относительно 3′-участка транскриптона приведены в п. 2.4.5.6-а и 2.4.5.7.

Таким образом, в структуре транскриптона как функционально-генетической единицы (единицы транскрипции) эукариотической клетки можно выделить располагающиеся компактно биоинформативную часть, характеризующуюся для большинства структурных генов интрон-экзонной организацией, а также 5′ (направление upstream) и 3′ (направление downstream) части. Нуклеотидные последовательности первой из названных частей участвуют в биоинформационном обеспечении фенотипа непосредственно, тогда как нуклеотидные последовательности двух других частей выполняют сервисные, конценсусные, регуляторные функции. Энхансерные и сайленсерные (см. п. 2.4.5.5-а) нуклеотидные последовательности выполняют регуляторную функцию. Они располагаются вне пределов транскриптона.

По завершении процессинга пре-и(м)РНК транскрипта молекулы и(м)РНК некоторое время остаются в ядре в составе особых рибону-клеопротеиновых частиц размером порядка 30S — ядерные информо-сомы. Кроме стабилизации структуры, соединение и(м)РНК с белками решает задачу ее перемещения из ядра в цитоплазму на ядерном отрезке «маршрута». Переход молекул и(м)РНК в цитоплазму происходит со сменой белков. Белковый компонент ядерных информосом остается в ядре, а присоединение к и(м)РНК цитоплазматических белков дает ци-топлазматические информосомы. В составе последних и(м)РНК сохраняются в цитоплазме клетки в течение часов и суток.

Оцените статью
yamedik
Добавить комментарий