Молекулярные основы транскрипции трансляции

СОДЕРЖАНИЕ

• Введение 3
• Глава 1. АНАЛИЗ ОБЩЕБИОЛОГИЧЕСКОГО АСПЕКТА ТРАНСКРИПЦИИ 5
• 1.1. Понятие, факторы и нарушения транскрипции 5
• 1.2. Транскрипция: РНК-синтезирующий аппарат 6
• 1.3. Транскрипция: основные стадии цикла 8
• 1.4. Инициация транскрипции 10
• 1.5. Элонгация транскрипции: общие сведения 12
• 1.6. Терминация транскрипции у эукариот: общие сведения 13
• Глава 2. АНАЛИЗ ТРАНСЛЯЦИИ КАК ПРОЦЕССА СИНТЕЗА БЕЛКОВ В ЦИТОПЛАЗМЕ КЛЕТКИ 17
• 2.1. Трансляция: общие сведения 17
• 2.2. Генетический код: общие сведения 18
• 2.3. Инициация трансляции: общие сведения 20
• 2.4. Трансляция (биосинтез белка): элонгация: введение 22
• Заключение 26
• Список литературы 28

Введение

Транскрипция является первой стадией реализации (считывания) генетической информации, на которой нуклеотидная последовательность ДНК копируется в виде нуклеотидной последовательности РНК. В основе механизма копирования  при транскрипции лежит тот же структурный принцип комплементарного спаривания оснований, что и при репликации. Рибонуклеозиды (цитидин, гуанозин, уридин, аденозин), синтезированные в процессе клеточного метаболизма в форме рибонуклеозидтрифосфатов (rNTP) CTP, GTP, UTP, ATP, пристраиваются к комплементарным основаниям ДНК, а именно C к G, G к C, U к A, A к T. Транскрипция идет от начала транскрипционной единицы до ее конца. Транскрипция осуществляется ферментами РНК-полимеразами асинтезирующими РНК на ДНК-матрице из рибонуклеозидтрифосфатов с участием многочисленных факторов транскрипции - регуляторных белков, осуществляющих высокоспецифические белок-белковые и белково-нуклеиновые взаимодействия..

Трансляция - процесс синтеза  белка в цитоплазме клетки. Молекулярные процессы, лежащие в основе синтеза  белка, крайне сложны ( Kornberg R.D. et al, 1981 ; McGhee J.D. et al, 1980).

В синтезе белка участвует  три таких класса молекул РНК  ( мРНК, тРНК и рРНК). Началом синтеза белка принято считать процесс транскрипции ДНК, в результате которого в ядре должна образоваться соответствующая информационная, или матричная, РНК (мРНК), которая затем должна перейти в цитоплазму клетки.

Процесс трансляции начинается с присоединения малой рибосомной субчастицы к молекуле мРНК. Особая инициаторная тРНК связывает малую рибосомную субчастицу со специальным старт- кодоном на мРНК. Присоединение большой субчастицы завершает сборку рибосомы.

1.1. Понятие, факторы и нарушения транскрипции

Транскрипция является первой стадией реализации (считывания) генетической информации, на которой нуклеотидная последовательность ДНК копируется в виде нуклеотидной последовательности РНК. В основе механизма копирования  при транскрипции лежит тот же структурный принцип комплементарного спаривания оснований, что и при репликации. Рибонуклеозиды (цитидин, гуанозин, уридин, аденозин), синтезированные в процессе клеточного метаболизма в форме рибонуклеозидтрифосфатов (rNTP) CTP, GTP, UTP, ATP, пристраиваются к комплементарным основаниям ДНК, а именно C к G, G к C, U к A, A к T. Транскрипция идет от начала транскрипционной единицы до ее конца. Транскрипция осуществляется ферментами РНК-полимеразами асинтезирующими РНК на ДНК-матрице из рибонуклеозидтрифосфатов с участием многочисленных факторов транскрипции - регуляторных белков, осуществляющих высокоспецифические белок-белковые и белково-нуклеиновые взаимодействия..

Транскрипция у эукариот происходит в клеточном ядре, а последующая трансляция - в цитоплазме на рибосомах. РНК-транскрипт в форме рибонуклеопротеиновых частиц попадает в цитоплазму и претерпевает ряд изменений, которые называют посттранскрипционными процессами.

Факторы транскрипции: классы

Факторами транскрипции называют белки или белковые комплексы, непосредственно  не участвующие в каталитическом акте образования РНК, но необходимые  для прохождения основных этапов транскрипции и ее регуляции.

По функциональному признаку принято различать три класса факторов транскрипции.

К первому классу относятся  основные факторы транскрипции, обеспечивающие нерегулируемый базальный уровень транскрипции и функционирующие в клетках всех типов.

Ко второму классу относятся  факторы транскрипции, специфически взаимодействующие с определенными  последовательностями ДНК, которые  являются основными регуляторами транскрипции и обеспечивают тканеспецифическую экспрессию генов.

Третий класс факторов транскрипции (в том числе многочисленные TAF-белки (TAB-associated factors) ) представлен белками - коактиваторами транскрипции, которые действуют согласованно с основными и тканеспецифическими факторами, обеспечивая более тонкую регуляцию транскрипции.

1.2. Транскрипция: РНК-синтезирующий аппарат

Транскриптон

Синтез молекул  РНК начинается в определенных местах ДНК, называемых промоторами, и завершается в терминаторах. Участок ДНК, ограниченный промотором и терминатором, представляет собой единицу транскрипции ( Lewin B., 1980 ) - транскриптон. В пределах каждого транскриптона копируется только одна из двух нитей ДНК, которая называется значащей или матричной. Во всех транскриптонах, считываемых в одном направлении, значащей является одна нить ДНК; в транскриптонах, считываемых в противоположном направлении, значащей является другая нить ДНК. Соседние транскриптоны могут быть отделены друг от друга нетранскрибируемыми участками ДНК, а могут и перекрываться, в частности так, что в пределах участка перекрывания матричными оказываются обе нити. Разбиение ДНК на множество транскриптонов обеспечивает возможность независимого считывания разных генов, их индивидуального включения и выключения. У эукариот в состав транскриптона, как правило, входит только один ген.Термины "транскрипционная единица" или "транскриптон" по смыслу близки термину "ген", но они не всегда совпадают. Так, транскрипционные единицы прокариот, как правило, заключают в себе генетическую информацию нескольких генов и называются оперонами. Продуктами транскрипции оперонов являются полицистронные мРНК, в результате трансляции которых рибосомами образуется несколько белков. Белки, кодируемые полицистронными мРНК, обычно функционально связаны друг с другом и обеспечивают протекание какого-либо метаболического процесса, например, биосинтеза определенной аминокислоты или утилизацию углеводов в качестве источника углерода. Организация генов в виде оперонов облегчает координированную регуляцию их экспрессии на уровне транскрипции. Согласованная регуляция транскрипции (и других этапов экспрессии) многих генов, не образующих одного оперона, чаще всего осуществляется специфическими белками-регуляторами, которые взаимодействуют с гомологичными регуляторными нуклеотидными последовательностями, маркирующими гены данной группы.

Транскрипт первичный

Первичный РНК-транскрипт, или про-мРНК, синтезированный на транскрипционной единице, в большинстве случаев длиннее, чем последовательность нуклеотидов, соответствующая конечному продукту (полипептиду, тРНК, рРНК). У эукариот первичный транскрипт (молекулярная масса от 10⁶ до 1.5^.10⁷) может быть в 10 раз длиннее, чем мРНК, поступающая для трансляции. Первичный РНК-транскрипт претерпевает изменения в совокупности называемые процессингом. При процессинге к нему сначала присоединяются колпачок и poly(A), а затем в результате многократного сплайсинга он укорачивается, и одновременно происходит внутреннее метилирование с образованием 6-метиладенозина.

Про-мРНК и мРНК всегда соединены ионными связями с белками и образуют рибонуклеопротеиновые частицы.

Матричная РНК (мРНК)

Зрелая мРНК эукариот наряду с основной последовательностью нуклеотидов, в которой закодирована информация о последовательности аминокислот в соответствующем белке, содержит целый ряд некодирующих последовательностей, присутствие которых необходимо для ее трансляции рибосомами. Одни из этих последовательностей, такие как кэп-группа и 3'-концевая поли(А), не кодируются непосредственно генами, а добавляются ко- и посттранскрипционно, другие имеют генное происхождение. Эти последовательности часто содержат регуляторные сигналы, обеспечивающие определенный уровень трансляции мРНК рибосомами.

Участок мРНК, расположенный между кэп-группой и первым инициирующим кодоном основной открытой рамки считывания (ОРС), которая и несет информацию о последовательности аминокислот в белке, получил название 5'-концевой нетранслируемой области (5'UTR - 5' untranslated region), или лидерной последовательности. Сегмент мРНК, расположенный между последним терминирующим кодоном основной ОРС и началом поли(А)- последовательности, называют 3'-концевой нетранслируемой областью (3'UTR). Первое название не совсем удачно. Последовательности 5'UTR, как правило, способны образовывать сложные вторичные структуры типа "стебель-петля" и содержать короткие ОРС (uORF - upstream open reading frame), которые оказывают сильное влияние на эффективность трансляции мРНК.

Помимо этого, 5'UTR могут  включать в себя регуляторные последовательности, распознаваемые транс-действующими белковыми факторами. Последовательности 5'UTR обеспечивают регулируемую трансляцию мРНК (и координированную экспрессию соответствующих генов) в онтогенезе многоклеточных организмов.

3'UTR и поли(А)-последовательность оказывают влияние на состояние рибосом после терминации синтеза полипептидных цепей. Кроме того, 3'-концевая поли(А)-последовательность участвует в инициации трансляции.

1.2. Транскрипция: основные стадии цикла

Процесс транскрипции разделяют  на 4 основные стадии: 1) связывание молекул РНК-полимеразы с ДНК и распознавание промотора ; 2) инициация ; 3) элонгация ; 4) терминация.

После связывания с ДНК  молекулы РНК-полимеразы осуществляют поиск промоторов, на которых происходит формирование инициационных комплексов. Начальная стадия инициации транскрипции завершается образованием нескольких первых фосфодиэфирных связей в молекуле синтезируемой РНК, после чего наступает стадия элонгации - последовательного удлинения синтезируемых молекул РНК, которая заканчивается по достижении молекулами РНК-полимераз специальных регуляторных последовательностей ДНК, называемых терминаторами транскрипции, после чего происходит освобождение синтезированных молекул РНК и РНК-полимераз из транскрипционных комплексов. Освободившиеся молекулы РНК-полимераз приобретают способность вступать в новый цикл транскрипции.

Разделение процесса транскрипции на стадии является упрощенной моделью, оно используется для удобства описания механизмов биосинтеза РНК.

В обычных условиях холофермент РНК-полимераз эубактерий для инициации транскрипции не требует дополнительных факторов. В отличие от этого для точной инициации транскрипции РНК- полимеразой II требуется наличие, кроме ее субъединиц, еще и основных факторов транскрипции. Синтез РНК, который не зависит от присутствия регуляторных молекул, получил название базальной транскрипции. Транскрипция является регулируемым процессом, который требует участия белков-активаторов или репрессоров. Белок-активатор (тканеспецифический фактор транскрипции) взаимодействует с регуляторными последовательностями ДНК и активирует синтез РНК. Такая транскрипция получила название индуцированной, или активированной. Базальная транскрипция не может происходить in vivo, и этот термин используется только при описании результатов исследований синтеза РНК in vitro, в бесклеточных системах транскрипции.

Цикл транскрипции начинается с присоединения РНК-полимеразы к промотору - строго определенному участку ДНК, с которого начинается синтез РНК.

Следующая стадия, инициация, требует наличия субстратов РНК-полимеразы нуклеозидтрифосфатов и заключается в образовании первых нескольких звеньев цепи РНК. Матрицей для синтеза РНК у эукариот служит ДНК-гистоновый комплекс, а не свободная ДНК, как это имеет место у прокариот.

За стадией инициации  начинается элонгация. В момент, который считается концом инициации и началом элонгации, от РНК-полимеразы отделяется сигма-субъединица. По мере движения РНК-полимеразы по матрице впереди нее происходит расплетание, а позади - восстановление двойной спирали ДНК. Одновременно освобождается очередное звено растущей цепи РНК из комплекса с матрицей и РНК-полимеразой.

Завершается синтез РНК в строго определенных участках матрицы - терминаторах, где происходит отделение от ДНК и готовой РНК, и минимальной РНК-полимеразы, которая, объединившись со свободной сигма-субъединицей, может вступить в следующий цикл транскрипции.

Новообразованная РНК упаковывается в рибонуклеопротеиновые частицы.

1.4. Инициация транскрипции

Инициация требует  наличия субстратов РНК-полимеразы нуклеозидтрифосфатов и заключается в образовании первых нескольких звеньев цепи РНК. Первый нуклеотид входит в состав цепи, сохраняя свою трифосфатную группу, а последующие присоединяются к 3'-OH-группе предыдущего с освобождением пирофосфата. На стадии инициации РНК-продукт связан с матрицей и РНК-полимеразой непрочно и с высокой вероятностью может освобождаться из комплекса. В этом случае РНК-полимераза, не покидая промотора, снова инициирует РНК. Такой синтез ди-, три- и более длинных олигонуклеотидов называют абортивной инициацией в противоположность продуктивной (т.е. завершающейся образованием полноценного РНК-продукта ) инициации. Когда РНК-продукт достигает критической длины (от 3 до 9 нуклеотидов на разных промоторах), абортивная инициация полностью прекращается, транскрибирующий комплекс стабилизируется и уже не распадается до тех пор, пока синтез молекулы РНК не будет доведен до конца. Примерно в этот же момент, который считается концом инициации и началом элонгации, от бактериальнойРНК-полимеразы отделяется сигма- субъединица.