Молекулярные основы транскрипции трансляции

Поскольку генетический код  считывается с мРНК, его обычно записывают, используя четыре основания, присутствующие в РНК: U,C,A,G.

2.3. Инициация трансляции: общие сведения

Вместо комплементарного РНК-РНК узнавания, в которое вовлечена прединициирующая последовательность Шайна-Дальгарно прокариотических мРНК, эукариотические мРНК узнаются эукариотическими рибосомами по кэпированному 5'-концу с обязательным участием белка, например, eIF-4F инициаторного фактора ( Rhoads, 1988 ). Предполагается, что этот белок участвует в расплавлении вторичных структур 5'- областей мРНК, облегчая их связывание с малыми субчастицами рибосом. В отличие от прокариот, эукариотическая мРНКобразует комплексы с белками ( мРНП, или мессенджер-рибонуклеопротеиды, или информосомы ), что обусловливает ее метаболическую стабильность. Вследствие этого у эукариот отсутствует постоянная интенсивная деградация и интенсивный ресинтез мРНК, которые, как правило, моноцистронны и имеют специфически модифицированный (кэпированный) 5'-конец. Все это обусловливает целый ряд особенностей инициации трансляции и ее регуляции у эукариотических организмов. Естественно, что метаболическая стабильность эукариотической мРНК делает регуляцию на уровне трансляции особенно важной в общей картине регуляции биосинтеза белка ( Спирин, 1986).

Биосинтез белка рибосомами начинается с образования комплекса  между малой 30S субчастицей рибосом, инициаторной тРНК и участком транслируемой мРНК, содержащим сайт связывания рибосом, который включает в себя инициирующий (как правило, AUG) кодон. В образовании инициационного комплекса с 30S субчастицей принимают участие три белковых фактора инициации - IF1, IF2 и IF3. В ходе этого процесса расходуется одна молекула GTP, которая взаимодействует с IF2 и изменяет его конформацию. Таким образом, на первом этапе образования инициационного комплекса происходит объединение свободной 30S субчастицы с факторами инициации и GTP, после чего с ними последовательно связываются мРНК и инициаторная тРНК (в случае E.coli, как правило, формилметионил(fMet)-тРНКfMet). Инициаторная тРНК строго специфична для этой стадии белкового синтеза. Сначала она обычным путем акцептирует Met с образованием Met-тРНКfMet, а затем специальная ферментная система E.coli формилирует NH2-группу остатка Met. Последовательность присоединения инициаторной тРНК и мРНК к 30S субчастице не имеет значения.

Вначале после объединения  факторов инициации трансляции, GTP, fMet-тРНКfMet и мРНК с 30S субчастицей антикодон тРНК еще не взаимодействует с инициаторным AUG-кодоном (стадии А' и B'). Такое продуктивное взаимодействие тРНК с мРНК происходит в дальнейшем (стадия C), и этот переход является одной из лимитирующих стадий всего процесса образования инициационного комплекса. С завершением стадии C происходит формирование стабильного тройного (из трех основных компонентов) инициационного комплекса, сопровождаемое конформационными перестройками всех его компонентов. После выхода из комплекса факторов инициации трансляции IF1 и IF3 тройной комплекс приобретает способность связывать большую 50S субчастицу рибосом, что сопровождается дальнейшими конформационными перестройками всей рибосомы (стадия D). В ходе этого процесса происходит расщепление молекулы GTP до GDP и ортофосфата и освобождение из комплекса фактора IF2 (стадия E). Формилметионил-тРНКfMet вместе с инициирующим AUG-кодоном перемещаются в донорный (P) участок рибосомы, освобождая акцепторный (A) участок для следующей аминоацилированной тРНК. В результате инициационный комплекс становится полностью подготовленным для вступления в следующую фазу биосинтеза белка - элонгацию полипептидных цепей.

Инициация трансляции эукариотических мРНК может осуществляться тремя способами. В соответствии с первым наиболее распространенным механизмом ( модель сканирования ) рибосомы после взаимодействия с 5'-концевой последовательностью мРНК осуществляют поиск инициирующего AUG-кодона, перемещаясь вдоль 5'UTR. При реализации второго механизма рибосомы инициируют биосинтез белка на внутренних AUG-кодонах, удаленных от 5'- концевой кэп-группы. И, наконец, после освобождения полипептида из транслирующего комплекса рибосомы, не отделяясь от мРНК, способны реинициировать биосинтез белка на следующем инициирующем кодоне.

2.4. Трансляция (биосинтез белка): элонгация: введение

Во время элонгации  происходит последовательное присоединение  аминокислотных остатков к C-концевым частям строящихся полипептидных цепей, направляемое кодонами транслируемых  матричных РНК.

Этап элонгации начинается со взаимодействия фактора элонгации трансляции EF-Tu, молекулы GTP и очередной аминоацилированной тРНК с A-участком рибосомыhttp://humbio.ru/humbio/genexp/001b04b1.htm.

Вхождение аминоацилированной тРНК в A-участок происходит в соответствии с установленным в нем кодоном транслируемой мРНК. При этом лишь та аминоацилированная тРНК прочно связывается с рибосомой, у которой антикодон комплементарен кодону, установленному в A-участке. После гидролиза GTP и освобождения EF-TuGDP из комплекса (стадия Е2) происходит образование новой пептидной связи между карбоксильной группой формилметионина инициаторной тРНК и NH2- группой аминокислотного остатка, находящегося в A-участке рибосомы в составе аминоацил-тРНК (стадия Е3). Эта стадия получила название транспептидации. Обмен GDP на GTP в освободившемся комплексе EF-TuGDP происходит с участием фактора EF-Ts.

Образовавшийся пептид удерживается рибосомой через остаток тРНК, находящийся в A-участке, а освободившаяся тРНК временно сохраняется в так называемом E-участке рибосомы (от англ. exit - выход). Такая соединенная с пептидом тРНК получила название пептидил-тРНК. Образовавшаяся пептидил-тРНК далее переносится из A- в P-участок рибосомы. Эта стадия элонгации (Е4) известна под названием транслокации. Транслокация индуцируется фактором элонгации EF-G, который освобождается из элонгирующего комплекса после расщепления молекулы GTP. Таким образом, энергия еще одной молекулы GTP используется в акте транслокации.

После завершения транслокации происходит освобождение фактора EF-G из элонгирующего комплекса. При этом A-участок рибосомы остается свободным. Следующий цикл элонгации начинается с вхождения в A-участок рибосомы в составе тройного комплекса очередной молекулы тРНК (стадия Е1), что сопровождается освобождением формилметионил-тРНКfMet из E-участка, после чего повторяются стадии элонгации. В физиологических условиях рибосома совершает около 20 циклов элонгации в секунду. В соответствии с этим для синтеза белка длиной в 200 аминокислотных остатков требуется около 10 секунд.

В рассмотренной классической модели биосинтеза белка с тремя  участками связывания тРНК на любой стадии элонгации с рибосомой взаимодействуют две молекулы тРНК. Иными словами, до стадии транслокации тРНК занимают A- и P-участки рибосомы, тогда как после транслокации молекулы ассоциированы с P- и E-участками. Между участками A и E существует аллостерическое взаимодействие, что проявляется в отрицательном кооперативном эффекте связывания молекул тРНК этими участками и означает, что только A- или E- участки рибосомы могут быть заняты молекулой тРНК, и рибосома не содержит одновременно занятыми оба участка.

Трансляции элонгация: факторы  элонгации

У эукариот имеется два фактора элонгации - eEF1 и eEF2. Не исключено, что в митохондриях и хлоропластах существуют независимые факторы элонгации, ответственные за связывание аминоацил-тРНК с рибосомой, но они еще не охарактеризованы ( Льюин Б., 1987 )

Эукариотические клетки содержат в большом количестве фактор элонгации eEF1A, который является функциональным гомологом бактериального фактора EF-Tu. Так же как и у бактерий, этот фактор образует тройной комплекс с GTP и аминоацил-тРНК, обеспечивая вхождение последней в А-участок элонгирующей рибосомы.

Два других эукариотических фактора eEF1B и eEF2 резко отличаются от бактериальных функциональных аналогов EF1B(EF-Ts) и EF2(EF-G) по аминокислотным последовательностям. Гетеротримерный фактор eEF1B, как и его бактериальный аналог, катализирует обмен GDP на GTP в комплексе eEF1A-GDP. Фактор eEF2, по аналогии с бактериальными системами, обеспечивает транслокацию пептидил-тРНК в P-участок рибосом и перенос деацилированной тРНК в E-участок. У высших организмов этот фактор служит мишенью регуляторных воздействий через фосфорилирование.

Замечательным свойством  факторов eEF1A и eEF2 является способность  связываться с компонентами цитоскелета эукариотических клеток. Полагают, что это их свойство может обеспечивать один из механизмов внутриклеточного транспорта мРНК, направляющих ее в полисомы.

Заключение

Таким образом, в работе были подвергнуты анализу общебиологический  аспект транскрипции, исследована трансляция как процесс синтеза белков в  цитоплазме клетки.

Транскрипция настолько  важный процесс, что ее нарушения  вызывают чрезвычано серьезные последствия для организма, вызывая болезни от неоплазий до врожденных дефектов. Вот только некоторые физиологические дефекты, возникающие в организмах вследствие нарушения транскрипции: мутации в гене PAX3, члене семейства генов, которые кодируют транскрипционные факторы, участвующие в эмбриогенезе, приводят к доминантно наследуемой аутосомной болезни - синдрому Варденбурга (Waardeburg) с потерей слуха, ненормальной пигментацией и множеством морфологических дефектов.

Мутации в гене WT1, который кодирует Zn-фингерный белок, играющий роль опухолевого супрессора, вызывает синдром Денис-Драша (Denys-Drash), характеризующийся опухолью Вильмса, почечной недостаточностью и гермафродитизмом. Этот список можно значительно расширить.

Рассматривая вопрос о  трансляции, необходимо отметить, что  во время элонгации полипептидных  цепей в процессе трансляции не все  участки мРНК транслируются с одинаковой скоростью. Рибосомы в процессе трансляции мРНК могут задерживаться на кодонах, соответствующих минорным изоакцепторным тРНК, присутствующим в клетке. В этом случае внутриклеточная концентрация изоакцепторных тРНК лимитирует весь процесс трансляции.

Кодоны, соответствующие  минорным изоакцепторным тРНК, А.С. Спирин предлагает называть модулирующими, поскольку они могут изменять скорость трансляции соответствующих мРНК. Чем больше модулирующих кодонов в мРНК, тем медленнее она транслируется. Клетка может изменять эффективность трансляции определенных мРНК путем адаптации внутриклеточных концентраций изоакцепторных тРНК к числу модулирующих кодонов этих мРНК. Показано, что во время интенсивного синтеза фиброина в шелкоотделительных железах тутового шелкопряда внутриклеточный спектр изоакцепторных тРНК сильно меняется и становится идеально соответствующим потребностям белоксинтезирующего аппарата клеток, осуществляющего трансляцию мРНК фиброина.

Другим фактором, от которого зависит изменение скорости перемещения  рибосомы вдоль транслируемой молекулы мРНК, является пространственная структура матрицы. Для разворачивания индивидуальных участков пространственной структуры мРНК, обладающих неодинаковой стабильностью, требуется разное время, что отражается в различной скорости трансляции рибосомами индивидуальных мРНК.

Обнаружен ряд регуляторных белков, которые после взаимодействия с транслирующей рибосомой избирательно задерживают трансляцию в определенных местах мРНК. Например, у эукариот рибонуклеопротеидная частица, содержащая 7S-РНК, которая узнает особую N-концевую гидрофобную аминокислотную последовательность растущего полипептида, присоединяется к рибосомам и блокирует трансляцию до тех пор, пока рибосома не вступит во взаимодействие с мембраной эндоплазматического ретикулума.

Регуляция экспрессии генов  на уровне элонгации трансляции широко распространена в природе. Во время  многих вирусных инфекций скорость элонгации  полипептидов зараженных клеток резко  снижается. Это обнаружено у пикорнавирусов и вирусов осповакцины. Факторы элонгации трансляции могут быть мишенями различных регуляторных воздействий.

Список литературы

1. Агол В.И., Богданов А.А., Гвоздев В.А., Грагеров А.И., Колчинский А.М., Мирзабеков А.Д., Никифоров В.Г. Молекулярная биология: Структура и биосинтез нуклеиновых кислот Под ред. Спирина А.С., М.: Высш.шк., 1990

2. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки, т.2, М.: Мир, 1986

3. Биологическая энциклопедия. /Составитель С.Т. Исмаилова. -- М.: Аванта+, 2006.

4. Биологический энциклопедический  словарь. -- М.: Советская энциклопедия, 2003