Транскрипция
Для того чтобы хранящаяся в ДНК
информация могла быть использована, ее необходимо переписать (транскрибировать)
в последовательность РНК. При этом ДНК служит только матрицей, т. е. она не
меняется в процессе транскрипции. Транскрибируемые последовательности
ДНК, т. е. участки ДНК, которые кодируют определенные белки, называются
генами. Установлено, что геном млекопитающих содержит по крайней мере
50000 индивидуальных генов, которые вместе составляют менее 20% суммарной ДНК
генома. Функция «избыточных» последовательностей ДНК до конца не
установлена.
А. Транскрипция и созревание РНК:
общие сведения
Транскрипция осуществляется
ДНК-зависимыми РНК-полимеразами. Они действуют подобно ДНК-полимеразам
(см. с. 238), за исключением того, что включают во вновь синтезируемую цепь РНК
(RNA) рибонуклеотиды вместо дезоксирибонуклеотидов и не нуждаются в
праймерах. Эукариотические клетки обычно содержат по крайней мере три различных
типа РНК-полимераз, РНК-полимераза I катализирует синтез РНК с
коэффициентом седиментации 45S (см. с. 202), которая служит предшественником
трех различных рибосомных РНК (см. с. 246). РНК-полимеразы II синтезируют
гяРНК (hnRNA), которые служат предшественниками мРНК (mRNA) и мяРНК (snRNA)
(подробнее см. с. 242). Наконец, РНК-полимераза III транскрибирует гены,
которые кодируют тРНК (tRNA), 5S- рРНК (rRNA) и некоторые мяРНК. Эти РНК служат
предшественниками функциональных РНК, которые образуются в процессе
созревания РНК (см. с. 242). РНК-полимераза II ингибируется
α-аманитином (ядом бледной поганки).
Б. Структура β-глобинового
гена
В качестве примера организации небольшого эукариотического
гена представлена схема гена, кодирующего β-цепь гемоглобина (146 аминокислот).
Этот ген состоит из более чем 2000 п.о. (2 тыс. п.о.). Однако из них только
около 450 п.о. из них несут информацию об аминокислотной последовательности
β-глобина. Кроме трех кодирующих участков (экзонов), ген включает
два некодирующих (интроны, I1 и I2). На
5'-конце гена располагается промоторный участок (розовый цвет) длиной
приблизительно 200 п.о., который имеет регуляторную функцию (см. с. 242).
Транскрипция начинается с 3'-конца промоторного участка и продолжается, пока
не достигнет сайта полиаденилирования (см. ниже). Образующийся первичный
транскрипт (гяРНК) β-глобинового гена состоит из ~1600 п.о. Во время
созревания РНК некодирующие последовательности, соответствующие интронам, удаляются
и, кроме того, оба конца гяРНК модифицируются. Зрелая β-глобиновая мРНК
включает в себе ~40% гяРНК и дополнительно 3'-концевую последовательность из
100-200 АМФ (AMP) («поли-А-сегмент»; фрагмент см. рис. 243).
У многих генов разделение на экзоны и
интроны еще более выражено. Так, общая длина гена дигидрофолатредуктазы
(см. с. 388) составляет выше 30 тыс.п.о. Информация об аминокислотной
последовательности распределена по 6 экзонам, которые в сумме составляют только
~6 тыс.п.о.
В. Процесс транскрипции
Как уже упоминалось, РНК-полимераза
II связывается с 3'-концом промоторного участка. Последовательность,
обеспечивающая это связывание, так называемый ТАТА-бокс, короткий А- и
Т-обогащенный участок, последовательность которого слегка варьирует у разных
генов. Типичная последовательность (каноническая) — ...ТАТААА... . Для
взаимодействия полимеразы с этим участком необходимы несколько белков,
основных факторов транскрипции. Дополнительные факторы могут либо
стимулировать, либо ингибировать этот процесс (контроль транскрипции) (см. с.
242).
После инициации синтеза (2),
РНК-полимераза движется в направлении 3'→5' матричной цепи. В процессе инициации
фермент разделяет короткий участок двойной спирали ДНК на две отдельные цепочки.
Нуклеозидтрифосфаты связываются комплементарно на кодирующей цепочке ДНК
водородными связями и шаг за шагом присоединяются к растущей молекуле РНК (3).
Вскоре после начала элонгации 5'-конец транскрипта защищается «кэпом» (от
англ. cap) (см. с. 242). Как только транскрипция доходит до сайта
полиаденилирования (обычно это последовательность ...ААТААА...), транскрипт
отщепляется (4). После этого полимераза прекращает транскрипцию и диссоциирует
от ДНК.