Az átírás szakaszai. Az RNS örökletes információkat kap A transzkripció helye és feltételei

A biológiában a transzkripció és a transzláció folyamatait a fehérje bioszintézis keretein belül veszik figyelembe. Bár a transzkripciós folyamat során nem megy végbe fehérjeszintézis. De nélküle a transzláció (azaz a közvetlen fehérjeszintézis) lehetetlen. Az átírás megelőzi a fordítást.

A sejtekben végbemenő transzkripció és transzláció összhangban van az úgynevezett molekuláris biológia dogmával (amelyet F. Crick terjesztett elő a XX. század közepén): a sejtekben az információáramlás a nukleinsavak (DNS és RNS) irányába halad. ) a fehérjékhez, de soha nem fordítva (vagyis a fehérjéktől a nukleinsavakig). Ez azt jelenti, hogy a nukleinsav információs mátrixként szolgálhat a fehérjeszintézishez, de a fehérje nem működhet ilyenként a nukleinsavszintézisben.

Átírás

A transzkripció egy RNS-molekula szintézise egy DNS-molekulán. Vagyis a DNS az RNS-szintézis templátjaként szolgál.

A transzkripciót számos enzim katalizálja, a legfontosabb az RNS polimeráz. Emlékeztetni kell arra, hogy az enzimek főként fehérjék (ez vonatkozik az RNS-polimerázra is).

Az RNS polimeráz a DNS kettős szála mentén mozog, szétválasztja a szálakat, és az egyiken a komplementaritás elve szerint a sejtmagban lebegő nukleotidokból RNS-molekulát épít. Így az RNS lényegében azonos egy másik DNS-lánc egy szakaszával (amelyen szintézis nem megy végbe), mivel a DNS-molekula láncai is komplementerek egymással. Csak az RNS-ben a timint uracil helyettesíti.

A nukleinsavak szintézise a molekulák 5"-es végétől a 3"-os végükig megy végbe. Ebben az esetben a komplementer láncok mindig ellentétesek (különböző irányokba irányítottak). Ezért maga az RNS 5"→3" irányban szintetizálódik, de a DNS-lánc mentén a 3"→5" irányban mozog.

A DNS azon szakasza, ahol a transzkripció megtörténik (transzkripció, operon), három részből áll: egy promoterből, egy génből (mRNS esetében általában az átírt rész) és egy terminátorból.

A transzkripció elindításához (megkezdéséhez) különféle fehérjefaktorokra van szükség, amelyek a promoterhez kapcsolódnak, majd az RNS polimeráz kapcsolódhat a DNS-hez.

A transzkripció leállása (vége) akkor következik be, amikor az RNS-polimeráz találkozik az egyik stopkodonnal.

Az eukarióta sejtekben a transzkripció a sejtmagban történik. A szintézis után az RNS-molekulák itt érnek át (a szükségtelen szakaszokat kivágják belőlük, a molekulák felveszik a megfelelő másodlagos és harmadlagos szerkezetet). Ezután különböző típusú RNS-ek lépnek be a citoplazmába, ahol részt vesznek a transzkripciót követő következő folyamatban - a transzlációban.

Adás

A transzláció egy polipeptid (fehérje) lánc szintézise egy hírvivő RNS molekulán. Más módon a transzlációt úgy írhatjuk le, mint a nukleotidok (kodonhármasok) segítségével kódolt információ aminosav-szekvenciájaként reprezentált információvá történő transzlációját. Ez a folyamat a riboszómák (amelyek magukban foglalják a riboszómális RNS-t) és a transzfer RNS részvételével megy végbe. Így az RNS mindhárom fő típusa részt vesz a közvetlen fehérjeszintézisben.

A transzláció során a riboszómák az mRNS-lánc elejéhez kapcsolódnak, majd azon haladnak a vége felé. Ebben az esetben fehérjeszintézis történik.

A riboszómán belül két "folt" található, ahol két tRNS elfér. A riboszómába belépő transzfer RNS-ek egy aminosavat hordoznak. A riboszómán belül a szintetizált polipeptidlánc egy újonnan érkező, tRNS-hez kötődő aminosavhoz kapcsolódik. Ezt követően ez a tRNS egy másik „helyre” kerül, és a „régi”, a tRNS növekvő polipeptidláncától már mentesen távozik onnan. Egy másik tRNS aminosavval érkezik a megüresedett térbe. És a folyamat megismétlődik.

A riboszóma aktív központja katalizálja a peptidkötés kialakulását az újonnan érkezett aminosav és a fehérje korábban szintetizált része között.

Két kodon (összesen 6 nukleotid) mRNS kerül a riboszómába. A riboszómába belépő tRNS antikodonjainak komplementereknek kell lenniük azokkal a kodonokkal, amelyeken a riboszóma „ül”. A különböző aminosavak különböző tRNS-eknek felelnek meg (az antikodonok eltérőek).

Így minden tRNS saját aminosavat hordoz. Nem szabad megfeledkezni arról, hogy a fehérje bioszintézisében csak körülbelül 20 aminosav vesz részt, és körülbelül 60 érzéki (aminosavat jelölő) kodon van. Ezért különböző tRNS-ek hordozhatják ugyanazt az aminosavat, de antikodonjaik ugyanazon aminosavnak felelnek meg.

Az átírás fogalmával idegen nyelv tanulása során találkozunk. Segít nekünk az ismeretlen szavak helyes átírásában és kiejtésében. Mit jelent ez a kifejezés a természettudományban? A biológiában a transzkripció kulcsfontosságú folyamat a fehérje bioszintézis reakcióinak rendszerében. Ez az, ami lehetővé teszi a sejt számára, hogy olyan peptidekkel látja el magát, amelyek építő, védő, jelátviteli, szállítási és egyéb funkciókat látnak el benne. Csak az információ átírása a DNS lókuszból egy információs ribonukleinsav molekulára indítja el a sejt fehérjeszintetizáló apparátusát, amely biokémiai transzlációs reakciókat biztosít.

Ebben a cikkben megvizsgáljuk a transzkripció és a fehérjeszintézis különböző élőlényekben előforduló szakaszait, és meghatározzuk e folyamatok jelentőségét a molekuláris biológiában. Ezenkívül meghatározzuk, hogy mi az átírás. A biológiában a minket érdeklő folyamatokról olyan szekciókból szerezhetünk ismereteket, mint a citológia, a molekuláris biológia és a biokémia.

A mátrix szintézis reakcióinak jellemzői

Azok számára, akik ismerik az általános kémia tanfolyamon tanult kémiai reakciók alaptípusait, a mátrixszintézis folyamatai teljesen újak lesznek. Ennek oka a következő: az élő szervezetekben végbemenő ilyen reakciók egy speciális kód segítségével biztosítják a szülőmolekulák másolását. Nem azonnal fedezték fel, jobb, ha azt mondjuk, hogy maga a két különböző nyelv létezésének gondolata az öröklött információk tárolására két évszázadon át bontakozott ki: a 19. század végétől a 20. század közepéig. Ahhoz, hogy jobban elképzeljük, mi a transzkripció és a transzláció a biológiában, és miért utalnak ezek a mátrix szintézisreakciókra, nézzük meg a szakszókincset egy analógiaként.

Minden olyan, mint egy nyomdában

Képzeljük el, hogy ki kell nyomtatnunk például százezer példányt egy népszerű újságból. Minden belekerülő anyagot az anyahordozóra gyűjtenek. Ezt az első mintát mátrixnak nevezik. Ezután nyomdagépeken sokszorosítják – másolatokat készítenek. Hasonló folyamatok zajlanak le élő sejtben is, csak a DNS és mRNS molekulák felváltva szolgálnak templátként, a hírvivő RNS és fehérje molekulák pedig másolatként. Nézzük meg őket részletesebben, és derítsük ki, hogy a transzkripció a biológiában a mátrix szintézis reakciója, amely a sejtmagban megy végbe.

A genetikai kód a kulcsa a fehérje bioszintézis titkának

A modern molekuláris biológiában már senki sem vitatkozik arról, hogy melyik anyag az örökletes tulajdonságok hordozója, és kivétel nélkül a szervezet összes fehérjéjéről tárol adatokat. Természetesen dezoxiribonukleinsav. Azonban nukleotidokból épül fel, és a fehérjéket, amelyek összetételéről információt tárolnak benne, olyan aminosavmolekulák képviselik, amelyeknek nincs kémiai affinitásuk a DNS-monomerekkel. Más szóval, két különböző nyelvvel van dolgunk. Az egyikben a szavak nukleotidok, a másikban aminosavak. Mi lesz fordítóként, aki újrakódolja az átírás eredményeként kapott információkat? A molekuláris biológia úgy véli, hogy ezt a szerepet a genetikai kód játssza.

A cellás kód egyedi tulajdonságai

Ez a kód, amelynek táblázatát az alábbiakban mutatjuk be. Citológusok, genetikusok és biokémikusok dolgoztak a létrehozásán. Emellett a kód kidolgozása során a kriptográfiai ismereteket is felhasználták. Ennek szabályait figyelembe véve megállapítható a szintetizált fehérje elsődleges szerkezete, mivel a transzláció a biológiában az a folyamat, amely során a peptid szerkezetére vonatkozó információkat az RNS-nukleotidok nyelvéről a fehérje aminosavainak nyelvére fordítják. molekula.

Az élő szervezetekben történő kódolás ötletét először G. A. Gamov hangoztatta. A további tudományos fejlemények alapszabályainak megfogalmazásához vezettek. Először is megállapították, hogy 20 aminosav szerkezetét 61 hírvivő RNS tripletben kódolják, ami a kóddegeneráció fogalmához vezetett. Ezt követően meghatároztuk a nem-ness kodonok összetételét, amelyek a fehérje bioszintézis folyamatának indítójaként és leállításaként szolgálnak. Aztán megjelentek a kollinearitásáról és egyetemességéről szóló rendelkezések, kiegészítve a genetikai kód harmonikus elméletét.

Hol történik az átírás és fordítás?

A biológiában több, a sejt szerkezetét és biokémiai folyamatait vizsgáló szekciója (citológia és molekuláris biológia) határozta meg a mátrix szintézis reakcióinak lokalizációját. Így a transzkripció a sejtmagban az RNS-polimeráz enzim részvételével történik. Karioplazmájában egy mRNS-molekulát szintetizálnak szabad nukleotidokból a komplementaritás elve szerint, a peptid szerkezetére vonatkozó információkat egy szerkezeti génről másolják át.

Ezután a sejtmag pórusain keresztül elhagyja a sejtmagot, és a sejt citoplazmájába kerül. Itt az mRNS-nek több riboszómával kell egyesülnie, hogy poliszómát hozzon létre, egy olyan szerkezetet, amely készen áll a transzport ribonukleinsavak molekuláival való találkozásra. Feladatuk, hogy aminosavakat vigyenek a mátrixszintézis másik reakciójának - a transzlációnak a helyére. Tekintsük részletesen mindkét reakció mechanizmusát.

Az mRNS-molekulák képződésének jellemzői

A transzkripció a biológiában a peptid szerkezetére vonatkozó információk átírása a DNS szerkezeti génjéből egy ribonukleinsav molekulára, amelyet információsnak neveznek. Mint korábban említettük, a sejtmagban fordul elő. Először a DNS restrikciós enzim megszakítja a dezoxiribonukleinsav láncait összekötő hidrogénkötéseket, és a hélix feltekerődik. Az RNS-polimeráz enzim a szabad polinukleotid helyekhez kötődik. Aktiválja egy másolat - egy mRNS-molekula - összeállítását, amely az informatív szakaszok - exonok - mellett üres nukleotid szekvenciákat - intronokat is tartalmaz. Ezek ballaszt és eltávolításra szorulnak. Ezt a folyamatot a molekuláris biológiában feldolgozásnak vagy érésnek nevezik. Ezzel az átírás véget ért. A biológia ezt röviden a következőképpen magyarázza: csak a felesleges monomerek elvesztésével lesz képes a nukleinsav elhagyni a sejtmagot, és készen áll a fehérje bioszintézis további szakaszaira.

Fordított transzkripció vírusokban

A nem sejtes életformák feltűnően különböznek a prokarióta és eukarióta sejtektől nemcsak külső és belső szerkezetükben, hanem mátrixszintézis reakcióikban is. A múlt század hetvenes éveiben a tudomány bebizonyította a retrovírusok létezését - olyan organizmusokat, amelyek genomja két RNS-láncból áll. Az enzim - reversetas - hatására az ilyen vírusrészecskék DNS-molekulákat másolnak le a ribonukleinsav metszeteiről, amelyek azután bekerülnek a gazdasejt kariotípusába. Amint látjuk, az örökletes információ másolása ebben az esetben az ellenkező irányba megy: RNS-ből DNS-be. Ez a kódolási és olvasási forma jellemző például a különböző típusú rákot okozó kórokozókra.

A riboszómák és szerepük a sejtanyagcserében

Plasztikus metabolikus reakciók, amelyek magukban foglalják a peptidek bioszintézisét, a sejt citoplazmájában mennek végbe. Egy kész fehérjemolekula megszerzéséhez nem elég a nukleotidszekvenciát lemásolni egy szerkezeti génről és átvinni a citoplazmába. Olyan struktúrákra is szükség van, amelyek információt olvasnak és biztosítják az aminosavak egyetlen láncba kapcsolódását peptidkötéseken keresztül. Ezek riboszómák, amelyek szerkezetére és funkcióira a molekuláris biológia nagy figyelmet fordít. Már megtudtuk, hol történik a transzkripció - ez a mag karioplazmája. A transzlációs folyamatok helye a sejt citoplazmája. Ebben találhatók az endoplazmatikus retikulum csatornái, amelyeken a fehérjeszintetizáló organellumok - riboszómák - csoportosan ülnek. Jelenlétük azonban még nem biztosítja a képlékeny reakciók beindulását. Olyan struktúrákra van szükségünk, amelyek fehérje monomer molekulákat - aminosavakat - juttatnak el a poliszómához. Ezeket szállító ribonukleinsavaknak nevezik. Mik ezek és mi a szerepük a műsorszórásban?

Aminosav transzporterek

A transzfer RNS kis molekulái térbeli konfigurációjukban egy nukleotidszekvenciából álló régióval rendelkeznek - egy antikodon. A transzlációs folyamatok végrehajtásához kezdeményezési komplexum létrejöttére van szükség. Tartalmaznia kell a mátrix triplettet, a riboszómákat és a transzportmolekula komplementer régióját. Amint egy ilyen komplex létrejön, ez egy jel a fehérjepolimer összeállításának megkezdésére. Mind a transzláció, mind a transzkripció a biológiában asszimilációs folyamatok, amelyek mindig az energia elnyelésével járnak. Ezek végrehajtásához a sejt előre felkészül, nagyszámú adenozin-trifoszforsav molekulát halmoz fel.

Ennek az energiaanyagnak a szintézise a mitokondriumokban megy végbe - kivétel nélkül az összes eukarióta sejt legfontosabb organellumában. Megelőzi a mátrix szintézis reakcióinak kezdetét, helyet foglal el a sejt életciklusának preszintetikus szakaszában és a replikációs reakciók után. Az ATP-molekulák lebomlása a transzkripciós folyamatokat és a transzlációs reakciókat kíséri, a folyamat során felszabaduló energiát a sejt a szerves anyagok bioszintézisének minden szakaszában felhasználja.

Adás szakaszai

A polipeptid kialakulásához vezető reakciók kezdetén 20 féle fehérjemonomer kötődik bizonyos transzportsav molekulákhoz. Ezzel párhuzamosan poliszómaképződés megy végbe a sejtben: a riboszómák a startkodon helyén kapcsolódnak a mátrixhoz. Megkezdődik a bioszintézis, és a riboszómák az mRNS-hármasok mentén mozognak. Az aminosavakat szállító molekulák alkalmasak számukra. Ha a poliszómában lévő kodon komplementer a transzportsavak antikodonjával, akkor az aminosav a riboszómában marad, és a létrejövő polipeptid kötés összekapcsolja azt az ott már jelenlévő aminosavakkal. Amint a fehérjeszintetizáló organellum eléri a stop hármast (általában UAG, UAA vagy UGA), a transzláció leáll. Ennek eredményeként a riboszóma a fehérjerészecskével együtt elválik az mRNS-től.

Hogyan nyeri el egy peptid natív formáját?

A transzláció utolsó szakasza az elsődleges fehérjeszerkezet átmenete a harmadlagos formába, amely gömb alakú. Az enzimek eltávolítják a szükségtelen aminosav-maradékokat, monoszacharidokat vagy lipideket adnak hozzá, és emellett karboxil- és foszfátcsoportokat is szintetizálnak. Mindez az endoplazmatikus retikulum üregeiben történik, ahová a peptid a bioszintézis befejezése után belép. Ezután a natív fehérjemolekula átjut a csatornákba. Behatolnak a citoplazmába, és elősegítik, hogy a peptid bejusson a citoplazma egy bizonyos területére, majd a sejt szükségleteihez használják fel.

Ebben a cikkben megtudtuk, hogy a biológiában a transzláció és a transzkripció a mátrixszintézis fő reakciói, amelyek a szervezet örökletes hajlamainak megőrzését és átvitelét támasztják alá.

A szekvenciaelv szerint az információ a DNS-ből az RNS-be és a fehérjékbe: DNS-be kerül -> RNS -> fehérje. Ezzel kapcsolatban térjünk át az átírás tartalmára (a lat. átírás -újraírás), valamint a DNS-replikáció, amely a legfontosabb gén-molekuláris mechanizmus. Az átírás sok tekintetben hasonlít a replikációhoz, de természetesen számos funkciója van. Ezek egyike, hogy a transzkripció tartalmának meghatározásakor feltétlenül figyelembe kell venni a gének szerkezetét. A helyzet az, hogy a replikáció során a gének minden szerkezeti egysége reprodukálódik, ami a transzkripcióban nem így van.

Hagyományosan a gént örökletes információ egységeként határozzák meg, amely meghatározza egy szervezet egy bizonyos funkciójának teljesítményét. A gén egy szabályozó és kódoló részből áll. Csak az exonokból és nitronokból álló kódoló rész kerül átírásra. Ez a transzkripció az éretlen RNS-re jellemző. A transzkripció utolsó szakaszában folytatódik, amelyben az összes intront kizárják az éretlen RNS-ből, és a fennmaradó exonokat egyesítik. A promóter helyén az RNS polimeráz a gén szabályozó részéhez kötődik, ami ennek eredményeként elindítja a transzkripció beindulását a két DNS-szál egyikén. ábrán. A 6.8. ábra egy eukarióta gén, valamint az érett és éretlen RNS szerkezetét mutatja be.

A fent használt kifejezések egy részét nyilvánvalóan jellemezni kell.

Rizs. 6.8.

Promotor (francia nyelvből. promóter- alapító, kezdeményező) egy DNS-nukleotid szekvencia, amely lehetővé teszi a génexpresszió szabályozását. Az 5" gén közelében található, tehát közvetlenül a gén RNS-t kódoló része előtt. A promoter lényeges jellemzője a DNS-függő fehérjékkel való specifikus kölcsönhatása, amelyek az RNS polimerázon keresztül meghatározzák a transzkripció kezdetét Az ilyen fehérjéket transzkripciós faktoroknak nevezzük.

A gén szabályozó része a promoter mellett olyan nukleotidszekvenciákat tartalmaz, amelyek szintén jelentős hatással vannak a génexpresszióra. Fokozók fokozó - erősítő, nagyító) fokozzák, és hangtompítók (angol nyelvből, hangtompító- hangtompító) elnyomják, de nem önmagukban, hanem csak akkor, ha transzkripciós faktorok befolyásolják őket. Az erősítők és hangtompítók térbeli elhelyezkedése nincs egyértelműen meghatározva, előfordulhat, hogy a promótertől kisebb vagy nagyobb távolságra helyezkednek el.

exon (angol) kifejezett régió- expressziós régió) - érett RNS-t és fehérjéket kódoló gén régiója. Az exonok az elsődleges genetikai egységek, amelyektől az egész biológiai világ megjelenése döntően függ. Ezek rekombinációja új gének és fehérjék kialakulásához vezet. A DNS génösszetételének mindössze 1,5%-a határozza meg a fehérjeszintézist. Ennek a készítménynek a másik része vagy egyáltalán nem íródik át, vagy meghatározza az olyan típusú RNS szerkezetét, mint például a transzfer RNS, amelyek nem töltenek be fehérjeszintézis funkciót.

Intron (angolból, beavatkozó régiók- közbenső régiók) - egy gén olyan régiója, amely nem tartalmaz információt az érett RNS-ről és a fehérjékről. Az intronok biológiai funkcióit sokkal kevésbé tanulmányozzák, mint az exonok funkcióit. Eredetük kérdése is nagy vitákat vet fel: vajon a prokariótákkal együtt, vagy az eukarigótákkal együtt, vagy még náluk később keletkeztek. Egy emberi gén átlagosan 8,8 exont és 7,8 ingront tartalmaz, de az ingronok átlagosan körülbelül 25-ször hosszabbak, mint az exonok.

Az elmondottak után nem nehéz alapvetően elképzelni az átírás teljes folyamatát (6.9. ábra).

Rizs. 6.9.

Beavatási szakasz. A promoterhez kapcsolt enzimek, különösen enhanszerek hatására az RNS-polimeráz megtöri a nitrogénbázisokat (a 6.9. ábrán függőleges rövid vonalak jelzik), és kiválasztja azt a DNS-ágat, amely a transzkripciós templáttá válik (a 6.9. ábrán ez alsó vonal). Egy transzkripciós szemet is létrehoz (a 6.9. ábrán háromszögletű sapka). Ebben az esetben az elongációs szakaszhoz 10-20 pár nem kleotid kerül ki. Érdekes módon transzkripció esetén nincs szükség a DNS-replikációs folyamatra jellemző primer képzésére. Az átírás primer nélkül megy végbe.

Megnyúlás szakasza. Az RNS polimeráz hatására RNS képződik a transzkripciós szem régiójában. A DNS-polimeráztól eltérően az RNS-polimeráz nem képes korrigálni az RNS-lánc helyes szintézisét és a hibákat. Ha nehézségek merülnek fel a szintézis folyamata során, az RNS-polimeráz mozgása felfüggesztésre kerül. Ennek eredményeként csökken a hibás RNS-összeállítás valószínűsége. A transzkripció nem áll le, a szem eltávolodik a promótertől. Azokon a területeken, amelyeket a szem figyelmen kívül hagyott, a DNS duplex szerkezete helyreáll. A szintetizált RNS lánca fokozatosan meghosszabbodik. 5"-3" irányban nő.

Felmondási szakasz. Ez az RNS-polimerázra kifejtett segédfaktorok hatása miatt fordul elő. Amint az exonukleázok elérik a transzkripciós régiót, a transzkripció leáll, és az RNS-polimeráz és az RNS elválik egymástól. A DNS teljesen helyreállítja duplex szerkezetét.

Eddig a PI IK transzkripcióját a legáltalánosabban vettük figyelembe, számos lényeges körülménytől elvonatkoztatva, különös tekintettel a különböző típusú RNS és RNS polimerázok jelenlétére. Az RNS következő típusait különböztetjük meg:

A DNS minden típusú RNS-ről információt tartalmaz. Azonban nem mindegyik íródik át közvetlenül a templát DNS-ből.

Egyes RNS-ek a korábban átírt RNS-ek módosításai. Számunkra, akik ismerjük a molekuláris genetika alapjait, a legnagyobb érdeklődés az RNS iránt van, amely közvetlenül részt vesz a fehérjék szintézisében. Csak 5 típus létezik (6.4. táblázat).

6.4. táblázat

A fehérjeszintézisben részt vevő RNS

* A hírvivő RNS ugyanaz, mint a hírvivő RNS; ** SPR - röv. angol jelfelismerő részecske- jeleket felismerő részecskék.

Az összes RNS transzkripciója bizonyos RNS-polimerázok vagy ezek kombinációi hatására megy végbe. táblázatban A 6.5. táblázat az RNS-polimerázok három fő típusát mutatja be.

6.5. táblázat

Az RNS polimerázok típusai

A kis (rövid) RGC-k különböznek a hosszú RNS-ektől. A mikroRNS-ek olyan kis RNS-ek, amelyek az összes ribonukleotid anyag 98%-át teszik ki.

A bekezdés zárásaként megjegyezzük, hogy a közvetlen transzkripció mellett reverz transzkripció is lehetséges. A retrovírusok, különösen az AIDS-ért felelős HIV, képesek RNS-t DNS-vé átírni. A retrovírus beépül a sejtbe. Egy speciális enzim, a reverz transzkriptáz írja át az RNS-DNS-t. Ezután a kapott DNS-szálon, mint templáton, elkészül a második DNS-szál. Ezt követően megvalósul a DNS -> RNS - fehérjék ciklusa. Egyes eukarióták tartalmazzák a telomeráz enzimet, amely szintén elindítja a reverz transzkripciót. A konzisztencia elvének megfogalmazásakor figyelembe kell venni a fordított transzkripció jelenségét. Nem szabad a fordított transzkripció tagadásaként értelmezni.

• A gén egy szabályozó és kódoló részből áll.
• A gén kódoló része exonokat és nitronokat tartalmaz.
• Az intronok nem íródnak át érett RNS-vé.
• A transzkripció magában foglalja az iniciáció, az elongáció és a termináció szakaszait.
• Mind a PIIK, mind a RIC transzkripciós polimerázok különböző típusai és fajtái léteznek.
• Bármely RNS szintézisét egy vagy több polimeráz végzi, és nem fehérjeenzimek részvétele nélkül.

• SakharkarM. K., Chow V. T., Kangueane R. Exons and Introns in the Human Genome //In Silicio Biology. 2004. évf. 4.Nem. 4. P. 387-393.

IV. ÁTÍRÁS

A transzkripció a genetikai információ sejtben történő megvalósításának első szakasza. A folyamat során mRNS molekulák képződnek, amelyek templátként szolgálnak a fehérjeszintézishez, valamint transzport, riboszómális és más típusú RNS molekulák, amelyek szerkezeti, adapter és katalitikus funkciókat látnak el (4-26. ábra).

Rizs. 4-26. A genetikai információ fenotípusos jellemzőkbe való átültetésének sémája. Az információáramlás sejten belüli megvalósítása a DNS-RNS-fehérje diagrammal ábrázolható. A DNS-"RNS" RNS-molekulák bioszintézise (transzkripció), az RNS-"fehérje" pedig polipeptidláncok bioszintézise (transzláció).

Az eukariótákban a transzkripció a sejtmagban történik. A transzkripciós mechanizmus az RNS-molekulában a komplementer bázispárok azonos szerkezeti elvén alapul (G ≡ C, A=U és T=A). A DNS csak templátként szolgál, és nem változik a transzkripció során. A ribonukleozid-trifoszfátok (CTP, GTP, ATP, UTP) olyan szubsztrátok és energiaforrások, amelyek szükségesek a polimerázreakció lezajlásához és a ribonukleozid-monofoszfátok közötti 3,5"-os foszfodiészter kötés kialakulásához.

Az RNS-molekulák szintézise a DNS bizonyos szekvenciáinál (helyein) kezdődik, amelyek ún. promóterek,és a lezáró szakaszokban végződik (végzőhelyek). A promoter és a terminációs hely által határolt DNS-régió egy transzkripciós egység - átírása. Eukariótákban a transzkripton általában egy gént tartalmaz (4-27. ábra), a prokariótákban több. Minden transzkripton tartalmaz egy nem informatív zónát; specifikus nukleotidszekvenciákat tartalmaz, amelyekkel a szabályozó transzkripciós faktorok kölcsönhatásba lépnek.

Átírási faktorok - olyan fehérjék, amelyek kölcsönhatásba lépnek bizonyos szabályozó helyekkel, és felgyorsítják vagy lelassítják a transzkripciós folyamatot. Az eukarióta transzkripciókban az informatív és a nem tájékoztató részek aránya átlagosan 1:9 (prokariótákban 9:1).

A szomszédos transzkriptonokat nem átírt DNS-régiók választhatják el egymástól. A DNS sok transzkripcióra való felosztása lehetővé teszi a különböző aktivitású gének egyéni leolvasását (átírását).

Mindegyik transzkriptonban a két DNS-szál közül csak az egyik íródik át, amit ún mátrix, az azt kiegészítő második láncot ún kódolás. Az RNS-lánc szintézise az 5"-től a 3"-ig halad, míg a templát DNS-szál mindig antiparallel a szintetizált nukleinsavval (4-28. ábra).

A transzkripció nem kapcsolódik a sejtciklus fázisaihoz; felgyorsulhat és lelassulhat attól függően, hogy egy sejtnek vagy szervezetnek szüksége van egy adott fehérjére.

RNS polimerázok

Az RNS bioszintézisét DNS-függő RNS polimerázok végzik. Három speciális RNS polimerázt találtak az eukarióták magjában: RNS polimeráz I, pre-rRNS szintetizálása; RNS polimeráz II, felelős a pre-mRNS szintéziséért; RNS polimeráz III, pre-tRNS szintetizálása. Az RNS polimerázok több alegységből álló oligomer enzimek - 2α, β, β", σ. Az o (szigma) alegység szabályozó funkciót lát el, az egyik transzkripciós iniciációs faktor, az RNS polimerázok I, II, III, különböző promótereket ismernek fel. , különböző szerkezetű σ alegységeket tartalmaznak.

A. Az átírás szakaszai

A transzkripciós folyamatnak 3 szakasza van: iniciáció, elongáció és termináció.

Megindítás, inicializálás

A promóter aktiválása egy nagy fehérje segítségével történik - TATA faktor,úgy hívják, mert kölcsönhatásba lép a promoter egy specifikus nukleotidszekvenciájával - TATAAAA- (TATA-doboz)(4-29. ábra).

A TATA faktor hozzáadása megkönnyíti a promoter és az RNS polimeráz kölcsönhatását. Az iniciációs faktorok megváltoztatják az RNS-polimeráz konformációját, és biztosítják a DNS-hélix hozzávetőleg egy fordulatának letekeredését, pl. alakult átírási villa

Rizs. 4-27. Az átírás szerkezete.

Rizs. 4-28. RNS transzkripciója DNS templát szálra. Az RNS szintézis mindig az 5" → 3" irányban megy végbe.

Rizs. 4-29. Az eukarióta promoter felépítése. A promóterelemek olyan specifikus nukleotidszekvenciák, amelyek az RNS-polimerázhoz kötődő bármely promóterre jellemzőek. Az első promoter elemet, az ATATAA szekvenciát (TATA box) körülbelül 25 nukleotid pár (bp) választja el a transzkripció kezdőhelyétől. Körülbelül 40 (néha akár 120) bp távolságban. a GGCCAATC- (CAAT doboz) szekvencia található belőle.

amelyben a templát elérhető az RNS-szál szintézisének elindításához (4-30. ábra).

Egy 8-10 nukleotidból álló oligonukleotid szintetizálása után a σ alegység elválik az RNS polimeráztól, és helyette több elongációs faktor kapcsolódik az enzimmolekulához.

Megnyúlás

Az elongációs faktorok növelik az RNS polimeráz aktivitását és elősegítik a DNS-szálak divergenciáját. Az RNS-molekula szintézise az 5"-től a 3"-ig terjed, komplementer a templát DNS-szálhoz. Az elongációs szakaszban, a transzkripciós régióban

villák esetén körülbelül 18 nukleotidpár DNS válik el egyidejűleg. Az RNS-lánc növekvő vége egy ideiglenes hibrid hélixet alkot, körülbelül 12 pár nukleotid-maradékból, a templát DNS-szállal. Ahogy az RNS-polimeráz a templát mentén a 3"-tól az 5"-ig terjedő irányban mozog, előtte divergencia következik be, mögötte pedig a DNS kettős hélix helyreállítása következik be.

Felmondás

A DNS kettős hélix feltekercselése a terminációs helyen teszi hozzáférhetővé a terminációs faktor számára. Az RNS szintézise befejeződik

Rizs. 4-30. Az átírás szakaszai. 1 - a TATA faktor kapcsolódása a promóterhez. Ahhoz, hogy az RNS polimeráz felismerje a promotert, szükséges a TATA faktor/TATA box (promoter) transzkripciós komplex kialakítása. A TATA faktor a TATA boxhoz kötve marad a transzkripció során, ami megkönnyíti a promoter használatát számos RNS polimeráz molekula számára; 2 - transzkripciós villa kialakítása; 3 - megnyúlás; 4.- felmondás.

a mátrix szigorúan meghatározott területei - terminátorok (végzőhelyek). A terminációs faktor megkönnyíti az elsődleges transzkriptum elkülönítését (pre-mRNS), komplementer a templáttal, és RNS-polimeráz a templátból. Az RNS polimeráz a σ alegység hozzáadása után léphet be a következő transzkripciós körbe.

B. A hírvivő RNS kovalens módosítása (feldolgozása).

Az elsődleges mRNS-transzkriptumok egy sor kovalens módosításon esnek át, mielőtt fehérjeszintézisben felhasználnák őket. Ezek a módosítások szükségesek ahhoz, hogy az mRNS templátként működjön.

Az 5"-os vég módosítása

A pre-mRNS módosítások az elongációs szakaszban kezdődnek. Amikor az elsődleges transzkriptum hossza eléri a körülbelül 30 nukleotidot, sapkázás 5"-vége. A lezárást guanilil-transzferáz végzi. Az enzim hidrolizálja a GTP-molekulában lévő nagy energiájú kötést, és egy 5"-foszfátcsoportot tartalmazó nukleotid-difoszfát-maradékot kapcsol a szintetizált RNS-fragmens 5"-végéhez. 5", 5"-foszfodiészter kötés kialakulása. A GTP összetételében lévő guaninmaradék ezt követő metilezése N 7 -metil-guanozin képződésével befejezi a kupak kialakulását (4-31. ábra).

Rizs. 4-31. Az elsődleges mRNS-transzkriptum terminális nukleotid-maradékainak kovalens módosítása.

A módosított 5"-os vég biztosítja a transzláció iniciációját, meghosszabbítja az mRNS élettartamát, megvédi a citoplazmában lévő 5"-os exonukleázok hatásától. A sapka szükséges a fehérjeszintézis elindításához, mivel az AUG és GUG indító hármasokat a riboszóma csak akkor ismeri fel, ha van jelen. A kupak megléte a nitronok eltávolítását biztosító komplex enzimrendszer működéséhez is szükséges.

3"-os végmódosítás

A legtöbb RNS-polimeráz II által szintetizált transzkriptum 3"-os vége is módosításnak van kitéve, amelyben egy speciális poliA-polimeráz enzim 100-200 adenilsav-maradékból álló poliA-szekvenciát (polyA tail) hoz létre.

A poliadeniláció megkezdésének jele a szekvencia -AAUAAA- a növekvő RNS-láncon. Az exonukleáz aktivitást mutató poliA polimeráz enzim megszakítja a 3"-os foszfoészter kötést egy specifikus szekvencia -AAUAAA- megjelenése után az RNS-láncban. A töréspontnál lévő 3"-os végig a poliA polimeráz poliA-farkat növeszt. egy poliA szekvencia a 3" végén megkönnyíti az mRNS kilépését a sejtmagból, és lelassítja annak hidrolízisét a citoplazmában.

A gyorsítótárazást és poliadenilezést végző enzimek szelektíven kötődnek az RNS-polimeráz II-hez, és polimeráz hiányában inaktívak.

Primer mRNS-transzkriptumok illesztése

Olyan módszerek megjelenésével, amelyek lehetővé teszik a citoplazmában lévő mRNS-molekulák elsődleges szerkezetének és az azt kódoló genomiális DNS nukleotidszekvenciájának tanulmányozását, kiderült, hogy nem komplementerek, és a gén hossza többszöröse. mint az „érett” mRNS. A DNS-ben jelen lévő, de az érett mRNS-ben nem szereplő nukleotidszekvenciákat nem kódolónak, ill. intronok,és az mRNS-ben jelenlévő szekvenciák kódolnak, ill exonok.Így az elsődleges transzkriptum egy szigorúan komplementer nukleinsav (pre-mRNS), amely exonokat és intronokat is tartalmaz. Az intronok hossza 80 és 1000 nukleotid között változik. Az intronszekvenciákat „kivágják” az elsődleges transzkriptumból, és az exonok végeit összekapcsolják egymással. Az RNS ezen módosulását ún "illesztés"(angolról, összefűzni - toldás). Az összeillesztés a sejtmagban történik, és az „érett” mRNS belép a citoplazmába.

Az eukarióta gének több intront tartalmaznak, mint az exonok, ezért a nagyon hosszú pre-mRNS molekulák (körülbelül 5000 nukleotid) rövidebb citoplazmatikus mRNS-molekulákká (500-3000 nukleotid) hasadnak.

Az intronok „kivágásának” folyamata kis nukleáris ribonukleoproteinek (snRNP-k) részvételével történik. Az SnRNP kis nukleáris RNS-t (snRNS) foglal magában, amelynek nukleotidlánca több protomerből álló fehérjevázhoz kapcsolódik. Különféle snRNP-k vesznek részt a splicingben (4-32. ábra).

A nitronok nukleotidszekvenciája funkcionálisan inaktív. De az 5" és 3" végén nagyon specifikus szekvenciák vannak - AGGU- és GAGG- (illesztési helyek), amelyek biztosítják a pre-mRNS-molekulából való eltávolításukat. Ezen szekvenciák szerkezetének megváltoztatása befolyásolja a splicing folyamatot.

A folyamat első szakaszában az snRNP-k az elsődleges transzkriptum specifikus szekvenciáihoz (splicing sites) kötődnek, majd más snRNP-k kapcsolódnak hozzájuk. A spliceoszóma szerkezet kialakulása során az egyik exon 3"-os vége közelebb kerül a következő exon 5"-os végéhez. A spliceoszóma katalizálja a 3",5"-os foszfodiészter kötés hasítási reakcióját az exon-intron határon. Az intronszekvenciát eltávolítjuk, és a két exont összekapcsoljuk. A 3",5"-os foszfodiészter kötés kialakulását két exon között az snRNS (small nukleáris RNS) katalizálja, amely a spliceoszóma szerkezetében található. A splicing eredményeként az elsődleges mRNS-transzkriptumokból „érett” mRNS-molekulák képződnek.

Primer mRHE transzkriptumok alternatív splicingje

Egyes géneknél ugyanazon transzkriptum alternatív splicing és poliadenilációs útvonalait írták le. Az egyik splicing variáns exonja egy alternatív útvonal intronja lehet, így az alternatív splicing eredményeként kialakuló mRNS molekulák az exonok halmazában különböznek. Ez különböző mRNS-ek és ennek megfelelően különböző fehérjék képződéséhez vezet egy elsődleges transzkriptumból. Így a pajzsmirigy parafollikuláris sejtjeiben (4-33. ábra) a kalcitonin hormon gén transzkripciója során (lásd 11. fejezet) primer mRNS transzkriptum keletkezik, amely hat exonból áll. A kalcitonin hírvivő RNS az első négy exon (1-4) összekapcsolásával jön létre. Az utolsó (negyedik) exon tartalmaz egy poliadenilációs szignált (szekvencia -AAUAAA-), amelyet a poliA polimeráz ismer fel a pajzsmirigy parafollikuláris sejtjeiben. Ugyanaz az elsődleges transzkriptum az agysejtekben egy másik (alternatív) során

Rizs. 4-32. RNS splicing. A splicing folyamat különböző snRNP-ket foglal magában, amelyek a spliceoszómát alkotják. Az snRNP-k az RNS-sel és egymással kölcsönhatásba lépve rögzítik és orientálják az elsődleges transzkriptum reakciócsoportjait. A spliceoszómák katalitikus funkcióját az RNS-komponensek határozzák meg; az ilyen RNS-eket ribozimeknek nevezzük.

Rizs. 4-33. A kalcitonin gén alternatív splicingje. A pajzsmirigysejtekben az elsődleges transzkriptum splicingja kalcitonin mRNS képződéséhez vezet, amely 4 exont és egy poliA szekvenciát tartalmaz, amely a transzkriptum hasítása után jön létre a poliadenilációs szignál első régiójában. Az agysejtekben mRNS képződik, amely tartalmazza az 1., 2., 3., 5., 6. exont és a második poliadenilációs jel után kialakuló poliA szekvenciát.

splicing útvonala mRNS-sé alakul át a kalcitonin-szerű fehérjéhez, amely az ízérzékelésért felelős. Ennek a fehérjének a hírvivő RNS-e az első három exonból áll, amelyek közösek a kalcitonin mRNS-sel, de ezen kívül tartalmazza az ötödik és hatodik exont is, amelyek nem jellemzőek a kalcitonin mRNS-re. A hatodik exonnak is van egy poliadenilációs szignálja -AAUAAA-, amelyet a poliA polimeráz enzim ismer fel az idegszövet sejtjeiben. A szövetspecifikus génexpresszióban fontos szerepet játszik az egyik útvonal (alternatív splicing) és az egyik lehetséges poliadenilációs hely megválasztása.

A különböző splicing variánsok ugyanannak a fehérjének különböző izoformáinak kialakulásához vezethetnek. Például a troponin gén 18 exonból áll, és ennek az izomfehérjének számos izoformáját kódolja. A troponin különböző izoformái képződnek különböző szövetekben fejlődésük bizonyos szakaszaiban.

B. A riboszómális RNS és a transzfer RNS elsődleges transzkriptumainak feldolgozása

A legtöbb szerkezeti RNS-t kódoló géneket az I. és III. RNS polimeráz írja át. A nukleinsavak - az rRNS és a tRNS prekurzorai - hasításon és kémiai módosuláson (feldolgozáson) mennek keresztül a sejtmagban.

Az elsődleges tRNS transzkriptum transzkripció utáni módosításai (tRNS feldolgozás)

Az elsődleges tRNS transzkriptum körülbelül 100 nukleotidot tartalmaz, és a feldolgozás után - 70-90 nukleotid maradékot. Az elsődleges tRNS-transzkriptumok poszttranszkripciós módosulásai RNázok részvételével történnek (ribonukleázok).Így a tRNS 3"-os végének kialakulását az RNáz katalizálja, amely egy 3"-os exonukleáz, amely egy-egy nukleotidot "levág", amíg el nem éri a szekvenciát. -SSA, ugyanaz minden tRNS esetében. Egyes tRNS-ek esetében a -CCA szekvencia kialakulása a 3" végén (akceptor végén) e három nukleotid egymás utáni hozzáadásával megy végbe. A pre-tRNS csak egy intront tartalmaz, amely 14-16 nukleotidból áll. az intron és a splicing ún. struktúra kialakulásához vezet "antikodon"- nukleotidhármas, amely biztosítja a tRNS kölcsönhatását az mRNS komplementer kodonjával a fehérjeszintézis során (4-34. ábra).

Az elsődleges rRNS transzkriptum poszttranszkripciós módosításai (feldolgozása). Riboszóma képződés

Az emberi sejtek az rRNS-gén körülbelül száz másolatát tartalmazzák, öt kromoszómán csoportosítva. Az rRNS-géneket az RNS-polimeráz I írja át, így azonos transzkriptumok jönnek létre. Az elsődleges transzkriptumok körülbelül 13 000 nukleotid hosszúságúak (45S rRNS). Mielőtt elhagyná a sejtmagot a riboszómális részecske részeként, a 45 S rRNS molekula feldolgozáson megy keresztül, aminek eredményeként 28S rRNS (körülbelül 5000 nukleotid), 18S rRNS (körülbelül 2000 nukleotid) és 5,88 rRNS (körülbelül 160 nukleotid) képződik. komponensek riboszómák (4-35. ábra). Az átirat többi része a sejtmagban megsemmisül.

Rizs. 4-34. Pre-tRNS feldolgozás. A feldolgozás során a tRNS-nukleotidok bizonyos nitrogéntartalmú bázisait RNS-metiláz metilálja, és például 7-metil-guanozinná és 2-metil-guanozinná (kisebb bázisok) alakul át. A tRNS-molekula más szokatlan bázisokat is tartalmaz - pszeudouridint, dihidrouridint, amelyek szintén módosulnak a feldolgozás során.

Rizs. 4-35. Riboszomális alegységek kialakulása és kilépése a magból. A feldolgozás eredményeként a 45S rRNS prekurzor molekulából háromféle rRNS jön létre: a 18S, amely a riboszómák kis alegységének része, valamint a 28S és 5.8S, amelyek a nagy alegységben lokalizálódnak. Mindhárom rRNS azonos mennyiségben termelődik, mivel ugyanabból az elsődleges transzkriptumból származnak. A nagy riboszomális alegység 5S rRNS-e külön íródik át az elsődleges 45S rRNS transzkriptumtól. A poszttranszkripciós módosulások során képződő riboszómális RNS-ek specifikus fehérjékhez kötődnek, és riboszóma képződik.

A riboszóma a fehérje bioszintézisében részt vevő sejtszervecskék. Az eukarióta riboszóma (80S) két nagy és kicsi alegységből áll: 60S és 40S. A riboszómális fehérjék szerkezeti, szabályozó és katalitikus funkciókat látnak el.

A DNS, a sejtben található összes genetikai információ hordozója, közvetlenül nem vesz részt a fehérjék szintézisében. Az állati és növényi sejtekben a DNS-molekulákat a sejtmag kromoszómái tartalmazzák, és a magmembrán választja el őket a citoplazmától, ahol a fehérjeszintézis megtörténik. A sejtmagból egy információhordozó hírvivő jut a riboszómákba, a fehérjék összeépülésének helyére, és képes átjutni a magmembrán pórusain. Ilyen közvetítő a hírvivő RNS (i-RNS). A komplementaritás elve szerint a DNS-ből egy RNS polimeráz nevű enzim részvételével olvassák ki. Az RNS olvasásának (vagy inkább másolásának) vagy szintetizálásának folyamatát, amelyet az RNS-polimeráz hajt végre, transzkripciónak (latin transcriptio - újraírás) nevezik. A hírvivő RNS egyszálú molekula, és a transzkripció egy kétszálú DNS-molekula egyik szálából történik. Ha az átírt DNS-szál G nukleotidot tartalmaz, akkor az RNS polimeráz C-t tartalmaz az RNS-ben, ha T, akkor A-t, ha A, akkor y-t (az RNS-ben nincs T) (46. ábra). Mindegyik mRNS-molekula hossza több százszor rövidebb, mint a DNS-é. A Messenger RNS nem a teljes DNS-molekula másolata, hanem annak csak egy része - egy gén vagy szomszédos gének egy csoportja, amely információt hordoz egy funkció végrehajtásához szükséges fehérjék szerkezetéről. A prokariótákban egy ilyen géncsoportot operonnak neveznek. A fehérjék bioszintéziséről szóló részben olvashat arról, hogyan egyesülnek a gének operonná, és hogyan szabályozzák a transzkripciót. Minden operon elején van egyfajta leszállóhely az RNS-polimeráz számára, úgynevezett promóter. Ez a DNS-nukleotidok specifikus szekvenciája, amelyet az enzim a kémiai affinitás miatt felismer. Az RNS-polimeráz csak a promoterhez kapcsolódva képes elindítani az mRNS szintézisét. Az operon végére érve az enzim egy jellel találkozik (egy specifikus nukleotid szekvencia formájában), amely jelzi a leolvasás végét. A kész mRNS elhagyja a DNS-t, és a fehérjeszintézis helyére kerül. A leírt transzkripciós folyamatban négy szakasz különböztethető meg:

1) RNS polimeráz kötődése a promoterhez;

2) Beavatás – a szintézis kezdete. Ez az első foszfodiészter kötés kialakításából áll az ATP vagy GTP és a szintetizált mRNS-molekula második nukleotidja között;

3) elongáció - egy RNS-lánc növekedése, azaz a nukleotidok egymás utáni összeadása abban a sorrendben, ahogyan a komplementer nukleotidok megjelennek az átírt DNS-szálban. A megnyúlási sebesség eléri az 50 nukleotidot másodpercenként;

4) termináció - az mRNS-szintézis befejezése.