Механізмы транскрыпцыі ў малекулярнай біялогіі
Транскрыпцыя — гэта фундаментальны працэс у малекулярнай біялогіі, які злучае генетычную інфармацыю ў ДНК з вытворчасцю малекул РНК. Праз транскрыпцыю нуклеатыдная паслядоўнасць у ДНК «трансфармуецца» ў РНК, якая затым можа выступаць у якасці інфармацыйнай РНК (мРНК) для сінтэзу бялку або ў якасці іншых функцыянальных РНК, такіх як рРНК і тРНК. Гэты працэс з'яўляецца неад'емнай часткай цэнтральнай догмы біялогіі : ДНК → РНК → Бялок. Хоць гэта можа здацца простым, транскрыпцыя ўключае ў сябе шэраг арганізаваных этапаў, розныя ферменты і строгую рэгуляцыю, каб клеткі маглі экспрэсаваць гены дакладна так, як неабходна.
Асноўныя паняцці транскрыпцыі
Пры транскрыпцыі толькі адзін з ланцугоў ДНК выкарыстоўваецца ў якасці матрычнага ланцуга. Фермент РНК-палімераза зчытвае матрычны ланцуг ад 3' да 5' і сінтэзуе новую РНК у кірунку ад 5' да 3'. Атрыманая паслядоўнасць РНК камплементарная матрычнаму ланцугу ДНК, з важным адрозненнем: РНК выкарыстоўвае аснову урацыл (U) замест тыміну (T). Такім чынам, калі ў ДНК прысутнічае А, U — гэта пара асноў у РНК, а калі прысутнічае C, G — гэта пара асноў (і наадварот).
Транскрыпцыя можа адбывацца ў розных тыпах генаў. Гены, якія кадуюць бялок, прадукуюць мРНК, у той час як іншыя гены могуць прадукуюць некадзіруючую РНК, якая не транслюецца ў бялок, але мае структурныя і рэгуляторныя функцыі, такія як рРНК (будаўнічыя блокі рыбасом), тРНК (пераносчыкі амінакіслот), яРНК (сплайсінг) і розныя тыпы міРНК/днРНК, якія рэгулююць экспрэсію генаў.
Асноўныя кампаненты і адрозненні паміж пракарыётамі і эўкарыётамі
У пракарыёт (напрыклад, бактэрый) працэс транскрыпцыі адносна прасцейшы. Звычайна існуе адна першасная РНК-палімераза з дапамогай сігма-фактара, якая распазнае прамотар. Акрамя таго, паколькі ў бактэрый няма ядра , транскрыпцыя і трансляцыя могуць адбывацца адначасова ў суседніх участках.
У адрозненне ад гэтага, у эўкарыёт (напрыклад, у людзей) транскрыпцыя больш складаная. Прысутнічае некалькі РНК-палімеразы: РНК-палімераза I (транскрыбуе пэўныя рРНК), РНК-палімераза II (транскрыбуе мРНК і некаторыя аднануклеатыдныя РНК/міРНК) і РНК- палімераза III (транскрыбуе тРНК і 5S рРНК). Акрамя таго, эўкарыятычная ДНК упакавана ў храматыне, таму доступ да генаў патрабуе дадатковай рэгуляцыі, у тым ліку мадыфікацыі гістонаў, рэмадэлявання храматыну і розных агульных і спецыфічных транскрыпцыйных фактараў.
Этап 1: Пачатак транскрыпцыі
Ініцыяцыя — гэта пачатковы этап, на якім транскрыпцыйны апарат збіраецца ў патрэбным месцы на ДНК. Гэты працэс пачынаецца з распазнавання прамотара, пэўнай паслядоўнасці ДНК перад генам, якая вызначае кропку пачатку транскрыпцыі.
Ініцыяцыя ў пракарыётаў
У бактэрыйСігма-фактары дапамагаюць РНК-палімеразе распазнаваць важныя элементы прамотара, такія як скрынка Прыбнова і скрынка 35. Пасля таго, як РНК-палімераза звязваецца з прамотарам, утвараецца «закрыты комплекс». Затым ДНК вакол пачатковай кропкі часткова разгортваецца, утвараючы «адкрыты комплекс», што дазваляе РНК-палімеразе пачаць збіраць першыя нуклеатыды РНК.
Ініцыяцыя ў эўкарыётаў
У эўкарыётаў ініцыяцыя ўключае ў сябе многія бялкі. У генах, якія транскрыбуюцца РНК-палімеразай II, прамотары часта (хоць і не заўсёды) утрымліваюць такія элементы, як TATA-бокс. TATA-звязальны бялок (TBP), частка комплексу TFIID, распазнае TATA-бокс і прыцягвае іншыя агульныя транскрыпцыйныя фактары (TFIIA, TFIIB, TFIIE, TFIIF і TFIIH), а таксама РНК-палімеразу II. Гэты комплекс называецца перадініцыяцыйным комплексам.
TFIIH адыгрывае вырашальную ролю, паколькі валодае геліказнай (раскручваючы ДНК) і кіназнай актыўнасцю, што фасфаралюе CTD (C-канцавы дамен) РНК-палімеразы II. Фасфараляванне CTD дапамагае РНК-палімеразе II "вызваляцца" ад прамотара і ўваходзіць у фазу падаўжэння, а таксама забяспечвае платформу для бялкоў, якія працэсуюць РНК.
Этап 2: Падаўжэнне транскрыпцыі
Пасля ініцыяцыі РНК-палімераза рухаецца ўздоўж матрычнай ДНК і падаўжае ланцуг РНК. Нуклеатыды РНК (АТФ, УТФ, ГТФ, ЦТФ) дадаюцца адзін за адным па меры ўзнікнення пар асноў. Падчас падаўжэння РНК-палімераза ўтварае транскрыпцыйную бурбалку, дзе ДНК часова раскручваецца. За палімеразай ДНК раскручваецца, а новаўтвораная РНК выходзіць з ферментатыўнага комплексу.
Падаўжэнне таксама мае абмежаваны механізм карэктуры. Калі адбываецца няправільнае спарыванне, РНК-палімераза можа прыпыніць і выправіць памылку, адрэзаўшы няправільны канец РНК, а затым працягнуць сінтэз.
У эўкарыёт падаўжэнне часта суправаджаецца дадатковай рэгуляцыяй, напрыклад, прыпыненнем РНК-палімеразы II каля прамотара. Гэта прыпыненне неабходна для каардынаванай рэгуляцыі генаў і гатоўнасці да хуткай транскрыпцыі, калі клетка атрымлівае спецыфічныя сігналы.
Этап 3: Спыненне транскрыпцыі
Тэрмінацыя — гэта працэс спынення транскрыпцыі і вызвалення РНК і РНК-палімеразы з ДНК.
Тэрмінацыя ў пракарыётаў
Ёсць два асноўныя механізмы:
1. Унутраная (rho-незалежная) тэрмінацыя: ДНК мае паслядоўнасць, якая ўтварае GC-багатую РНК, якая ўтварае шпількавую структуру, а затым U-багатую паслядоўнасць. Шпілька прыводзіць да спынення РНК-палімеразы і аслаблення сувязі РНК-ДНК, у выніку чаго комплекс дысацыюецца.
2. Rho-залежная тэрмінацыя: бялок rho (геліказа) далучаецца да РНК і рухаецца за ёй, пакуль не дасягне прыпыненай РНК-палімеразы, а затым вызваляе РНК з транскрыпцыйнага комплексу.
Тэрмінацыя ў эўкарыёт (РНК-палімераза II)
У многіх генах РНК-палімераза II перадае сігнал поліадэнілавання (напрыклад, AAUAAA ў РНК), а затым расшчапляецца працэсінгавым комплексам. Пасля расшчаплення тэрмінацыя можа адбывацца праз мадэль «тарпеда» (фермент экзонуклеаза дэградуе астатнюю РНК і пераследуе палімеразу) або мадэль складанай канфармацыйнай змены. Тэрмінацыя ў РНК-палімеразах I і III мае іншы, больш спецыфічны для паслядоўнасці механізм.
Працэсінг РНК у эўкарыётаў: ад прэ-мРНК да спелай мРНК
Асноўнае адрозненне паміж пракарыётамі і эўкарыётамі заключаецца ў тым, што эўкарыятычная мРНК звычайна павінна быць апрацавана перад трансляцыяй. Гэтая апрацоўка адбываецца сумесна з транскрыпцыяй (разам з транскрыпцыяй) і ўключае ў сябе:
1. Прымацаванне 5'-канца: даданне 7-метылгуанозінавай групы да 5'-канца. Кэп абараняе РНК ад дэградацыі, спрыяе экспарце ў цытаплазму і неабходны для ініцыяцыі трансляцыі.
2. Сплайсінг: выдаленне інтронаў і сплайсінг экзонаў сплайсасомай. Альтэрнатыўны сплайсінг можа прывесці да атрымання некалькіх ізаформ бялку з аднаго гена, павялічваючы разнастайнасць пратэома.
3. Паліадэнілаванне (полі-А-хвост): даданне полі-А-хваста да 3'-канца. Гэты хвост павялічвае стабільнасць мРНК, спрыяе экспарту і ўплывае на эфектыўнасць трансляцыі.
Неапрацаваная РНК (прэ-мРНК) звычайна не транслюецца. Сістэма кантролю якасці клеткі захавае або дэградуе дэфектную РНК.
Рэгуляцыя транскрыпцыі: чаму не ўсе гены актыўныя ўвесь час?
Транскрыпцыя — гэта асноўны кантрольны пункт экспрэсіі генаў. Клеткі рэгулююць, якія гены актыўныя, наколькі моцна яны транскрыбуюцца і калі транскрыпцыю трэба спыніць. Гэтая рэгуляцыя дазваляе клеткам рэагаваць на змены навакольнага асяроддзя, гарманальныя сігналы, стрэс або патрэбы развіцця.
У пракарыёт рэгуляцыя часта ўключае апероны, такія як лактазны аперон, які актывуе фермент, які расшчапляе лактозу, толькі пры наяўнасці лактозы. Рэпрэсарныя і актыватарныя фактары могуць інгібіраваць або ўзмацняць рэкрутаванне РНК-палімеразы.
У эўкарыёт рэгуляцыя больш складаная. Такія элементы, як энхансеры і глушыльнікі, могуць знаходзіцца далёка ад прамотара, але ўплываюць на транскрыпцыйную актыўнасць праз згортванне ДНК і ўзаемадзеянне з бялкамі. Акрамя таго, умовы храматыну (напрыклад, ацэтыляванне гістонаў, якое робіць ДНК больш «адкрытай») істотна вызначаюць, ці даступны ген для транскрыпцыйнага апарата.
Закрыццё
Механізм транскрыпцыі ляжыць у аснове таго, як генетычная інфармацыя экспрэсуецца ў РНК, як у якасці прамежкавага прадукту для сінтэзу бялку, так і ў якасці функцыянальнай малекулы, якая выконвае рэгуляторныя і структурныя ролі . Гэты працэс адбываецца праз тры асноўныя стадыі — ініцыяцыю, падаўжэнне і тэрмінацыю — з рознай складанасцю ў пракарыёт і эўкарыёт. У эўкарыёт транскрыпцыя цесна інтэгравана з працэсінгам РНК, такім як утварэнне 5'-кэпа, сплайсінг і поліадэнілаванне. Паколькі транскрыпцыя таксама падпарадкоўваецца высокарэгуляванай рэгуляцыі, разуменне гэтага працэсу важна ў шырокім дыяпазоне абласцей, ад генетыкі і біятэхналогіі да малекулярнай медыцыны, у тым ліку для разумення захворванняў, звязаных з парушэннямі экспрэсіі генаў.
