Տրանսկրիպցիայի մեխանիզմները մոլեկուլային կենսաբանության մեջ
Տրանսկրիպցիան մոլեկուլային կենսաբանության հիմնարար գործընթաց է, որը կապում է ԴՆԹ-ի գենետիկական տեղեկատվությունը ՌՆԹ մոլեկուլների արտադրության հետ: Տրանսկրիպցիայի միջոցով ԴՆԹ-ի նուկլեոտիդային հաջորդականությունը «թարգմանվում» է ՌՆԹ-ի, որը կարող է գործել որպես տեղեկագրային ՌՆԹ (մՌՆԹ) սպիտակուցի սինթեզի համար կամ որպես այլ ֆունկցիոնալ ՌՆԹ-ներ, ինչպիսիք են rRNA-ն և tRNA-ն: Այս գործընթացը կենսաբանության կենտրոնական դոգմայի ՝ ԴՆԹ → ՌՆԹ → Սպիտակուցի էական մասն է կազմում: Թեև դա կարող է պարզ թվալ, տրանսկրիպցիան ներառում է կազմակերպված քայլերի շարք, տարբեր ֆերմենտներ և խիստ կարգավորում, որպեսզի բջիջները կարողանան անհրաժեշտության դեպքում ճշգրիտ արտահայտել գեները:
Տառադարձման հիմնական հասկացությունները
Տրանսկրիպցիայի ժամանակ ԴՆԹ շղթաներից միայն մեկն է օգտագործվում որպես ձևանմուշային շղթա։ ՌՆԹ պոլիմերազ ֆերմենտը կարդում է ձևանմուշային շղթան 3'-ից 5' և սինթեզում է նոր ՌՆԹ 5'-ից 3' ուղղությամբ։ Արդյունքում ստացված ՌՆԹ հաջորդականությունը լրացնում է ԴՆԹ ձևանմուշային շղթան՝ կարևոր տարբերությամբ. ՌՆԹ-ն օգտագործում է ուրացիլ (U) հիմքը՝ թիմինի (T) փոխարեն։ Այսպիսով, եթե ԴՆԹ-ում առկա է A, ապա U-ն ՌՆԹ-ի հիմքերի զույգն է, իսկ եթե առկա է C, ապա G-ն հիմքերի զույգն է (և հակառակը)։
Տրանսկրիպցիան կարող է տեղի ունենալ տարբեր տեսակի գեներում։ Սպիտակուց-կոդավորող գեները արտադրում են mRNA, մինչդեռ այլ գեները կարող են արտադրել ոչ կոդավորող RNA, որը չի թարգմանվում սպիտակուցի, բայց ունի կառուցվածքային և կարգավորող գործառույթներ, ինչպիսիք են՝ rRNA-ն (ռիբոսոմային կառուցվածքային բլոկներ), tRNA-ն (ամինաթթվային կրիչներ), snRNA-ն (սպլայսինգ) և գեների արտահայտությունը կարգավորող miRNA/lncRNA-ի տարբեր տեսակներ։
Պրոկարիոտների և էուկարիոտների հիմնական բաղադրիչները և տարբերությունները
Պրոկարիոտների (օրինակ՝ մանրէների) մոտ տրանսկրիպցիայի գործընթացը համեմատաբար ավելի պարզ է։ Սովորաբար գոյություն ունի մեկ առաջնային ՌՆԹ պոլիմերազ, որին օգնում է սիգմա գործոնը, որը ճանաչում է պրոմոտորը։ Ավելին, քանի որ մանրէները կորիզ չունեն , տրանսկրիպցիան և թարգմանությունը կարող են տեղի ունենալ միաժամանակ հարակից տեղամասերում։
Ի տարբերություն դրա, էուկարիոտների մոտ (օրինակ՝ մարդկանց մոտ) տրանսկրիպցիան ավելի բարդ է։ Առկա են մի քանի ՌՆԹ պոլիմերազներ՝ ՌՆԹ պոլիմերազ I (տրանսկրիպցիայի է ենթարկում որոշակի rRNA-ներ), ՌՆԹ պոլիմերազ II (տրանսկրիպցիայի է ենթարկում mRNA-ներ և որոշ snRNA/miRNA-ներ) և ՌՆԹ պոլիմերազ III (տրանսկրիպցիայի է ենթարկում tRNA-ներ և 5S rRNA-ներ)։ Ավելին, էուկարիոտ ԴՆԹ-ն փաթեթավորված է քրոմատինում, ուստի գեներին մուտք գործելու համար անհրաժեշտ է լրացուցիչ կարգավորում, ներառյալ հիստոնների մոդիֆիկացիա, քրոմատինի վերակառուցում և տարբեր ընդհանուր և հատուկ տրանսկրիպցիոն գործոններ։
Փուլ 1. Տրանսկրիպցիայի սկիզբ
Սկիզբը սկզբնական փուլն է, երբ տրանսկրիպցիոն մեխանիզմը հավաքվում է ԴՆԹ-ի վրա ճիշտ տեղում: Այս գործընթացը սկսվում է պրոմոտորի՝ գենից վերև գտնվող ԴՆԹ-ի որոշակի հաջորդականության ճանաչմամբ, որը որոշում է տրանսկրիպցիայի սկզբնակետը:
Նախաձեռնություն պրոկարիոտներում
Բակտերիաների մեջՍիգմա գործոնները օգնում են ՌՆԹ պոլիմերազին ճանաչել կարևոր պրոմոտորային տարրեր, ինչպիսիք են Պրիբնոուի արկղը և 35 արկղը: ՌՆԹ պոլիմերազի կապվելուց հետո պրոմոտորին առաջանում է «փակ կոմպլեքս»: Սկզբնական կետի շուրջ ԴՆԹ-ն այնուհետև մասամբ բացվում է՝ առաջացնելով «բաց կոմպլեքս», ինչը թույլ է տալիս ՌՆԹ պոլիմերազին սկսել առաջին ՌՆԹ նուկլեոտիդների հավաքումը:
Նախաձեռնություն էուկարիոտներում
Էուկարիոտներում նախաձեռնումը ներառում է բազմաթիվ սպիտակուցներ: ՌՆԹ պոլիմերազ II-ի կողմից տրանսկրիպցիայի ենթարկված գեներում պրոմոտորները հաճախ (չնայած ոչ միշտ) պարունակում են տարրեր, ինչպիսիք են TATA արկղը: TATA-կապող սպիտակուցը (TBP), որը TFIID համալիրի մի մասն է, ճանաչում է TATA արկղը և ներգրավում է այլ ընդհանուր տրանսկրիպցիոն գործոններ (TFIIA, TFIIB, TFIIE, TFIIF և TFIIH), ինչպես նաև ՌՆԹ պոլիմերազ II-ը: Այս համալիրը կոչվում է նախա-նախաձեռնման համալիր:
TFIIH-ը կարևոր դեր է խաղում, քանի որ այն ունի հելիկազի (ԴՆԹ-ի թուլացում) և կինազային ակտիվություն, որը ֆոսֆորիլացնում է ՌՆԹ պոլիմերազ II-ի CTD-ն (C-ծայրային դոմեն): CTD ֆոսֆորիլացումը օգնում է ՌՆԹ պոլիմերազ II-ին «ազատվել» պրոմոտորից և մտնել երկարացման փուլ, միաժամանակ հարթակ ապահովելով ՌՆԹ-ի մշակման սպիտակուցների համար:
Փուլ 2. Տրանսկրիպցիայի երկարացում
Սկզբնականացումից հետո ՌՆԹ պոլիմերազը շարժվում է ԴՆԹ-ի ձևանմուշի երկայնքով և երկարացնում է ՌՆԹ շղթան: ՌՆԹ նուկլեոտիդները (ATP, UTP, GTP, CTP) ավելացվում են մեկ առ մեկ, հիմքերի զույգերի առաջացմանը զուգընթաց: Երկարացման ընթացքում ՌՆԹ պոլիմերազը ձևավորում է տրանսկրիպցիոն փուչիկ, որտեղ ԴՆԹ-ն ժամանակավորապես քանդվում է: Պոլիմերազի հետևում ԴՆԹ-ն քանդվում է, մինչդեռ նոր ձևավորված ՌՆԹ-ն դուրս է գալիս ֆերմենտային համալիրից:
Երկարացումը նաև սահմանափակ ուղղման մեխանիզմ ունի։ Եթե տեղի է ունենում անհամապատասխանություն, ՌՆԹ պոլիմերազը կարող է դադարեցնել և ուղղել սխալը՝ կտրելով ՌՆԹ-ի սխալ ծայրը, ապա շարունակել սինթեզը։
Էուկարիոտներում երկարացումը հաճախ ուղեկցվում է լրացուցիչ կարգավորմամբ, ինչպիսին է ՌՆԹ պոլիմերազ II-ի դադարը պրոմոտորի մոտ։ Այս դադարը կարևոր է գեների համակարգված կարգավորման և արագ տրանսկրիպցիայի պատրաստության համար, երբ բջիջը ստանում է որոշակի ազդանշաններ։
Փուլ 3. Տրանսկրիպցիայի դադարեցում
Վերջնակետումը տրանսկրիպցիան դադարեցնելու և ԴՆԹ-ից ՌՆԹ-ն ու ՌՆԹ պոլիմերազը ազատելու գործընթացն է։
Ավարտը պրոկարիոտներում
Կան երկու հիմնական մեխանիզմներ.
1. Ներքին (rho-անկախ) ավարտում. ԴՆԹ-ն ունի հաջորդականություն, որը արտադրում է GC-հարուստ ՌՆԹ՝ ձևավորելով մազակալ կառուցվածք, որին հաջորդում է U-հարուստ հաջորդականություն: Մազակալը ստիպում է ՌՆԹ պոլիմերազին կանգ առնել, և ՌՆԹ-ԴՆԹ կապը թուլանում է, այնպես որ համալիրը դիսոցացվում է:
2. Rho-կախյալ ավարտում. rho սպիտակուցը (հելիկազ) կպչում է ՌՆԹ-ին և շարժվում դրա հետևից մինչև այն հասնում է կանգ առած ՌՆԹ պոլիմերազին, այնուհետև ազատում է ՌՆԹ-ն տրանսկրիպցիոն համալիրից։
Վերջնակետը էուկարիոտներում (ՌՆԹ պոլիմերազ II)
Շատ գեներում ՌՆԹ պոլիմերազ II-ը փոխանցում է պոլիադենիլացման ազդանշան (օրինակ՝ AAUAAA-ն ՌՆԹ-ում) և այնուհետև կտրվում է մշակման համալիրի միջոցով: Կտրվելուց հետո ավարտը կարող է տեղի ունենալ «տորպեդո» մոդելի միջոցով (էկզոնուկլեազային ֆերմենտը քայքայում է մնացած ՌՆԹ-ն և հետապնդում պոլիմերազը) կամ բարդ կոնֆորմացիոն փոփոխության մոդելի միջոցով: ՌՆԹ պոլիմերազներ I-ում և III-ում ավարտը ունի այլ, ավելի հաջորդականությանը հատուկ մեխանիզմ:
ՌՆԹ-ի մշակումը էուկարիոտներում. նախա-mRNA-ից մինչև հասուն mRNA
Պրոկարիոտների և էուկարիոտների միջև հիմնական տարբերությունն այն է, որ էուկարիոտ mRNA-ն սովորաբար պետք է մշակվի նախքան այն թարգմանվի։ Այս մշակումը տեղի է ունենում համատեղ տրանսկրիպցիայի միջոցով (տրանսկրիպցիայի հետ մեկտեղ) և ներառում է.
1. 5' գլխարկի կցում. 7-մեթիլգուանոզին խմբի ավելացում 5' ծայրին: Գլխարկը պաշտպանում է ՌՆԹ-ն քայքայումից, նպաստում է ցիտոպլազմա արտահանմանը և կարևոր է թարգմանության մեկնարկի համար:
2. Սպլայսինգ. Ինտրոնների հեռացում և էկզոնների սպլայսինգ սպլայսոմի կողմից: Այլընտրանքային սպլայսինգը կարող է մեկ գենից առաջացնել բազմաթիվ սպիտակուցային իզոֆորմներ, մեծացնելով պրոտեոմի բազմազանությունը:
3. Պոլիադենիլացում (պոլի-A պոչ). պոլի-A պոչի ավելացում 3' ծայրին։ Այս պոչը մեծացնում է mRNA-ի կայունությունը, նպաստում է արտահանմանը և ազդում թարգմանության արդյունավետության վրա։
Չմշակված ՌՆԹ-ն (նախա-մՌՆԹ) սովորաբար չի թարգմանվում: Բջջի որակի վերահսկման համակարգը կպահպանի կամ կքայքայի թերի ՌՆԹ-ն:
Տրանսկրիպցիոն կարգավորում. ինչո՞ւ բոլոր գեները միշտ ակտիվ չեն։
Տրանսկրիպցիան գեների արտահայտման հիմնական վերահսկիչ կետն է: Բջիջները կարգավորում են, թե որ գեներն են ակտիվ, որքան ուժեղ են դրանք տրանսկրիպցվում և երբ պետք է դադարեցվի տրանսկրիպցիան: Այս կարգավորումը թույլ է տալիս բջիջներին արձագանքել շրջակա միջավայրի փոփոխություններին, հորմոնալ ազդանշաններին, սթրեսին կամ զարգացման կարիքներին:
Պրոկարիոտների մոտ կարգավորումը հաճախ ներառում է օպերոններ, ինչպիսին է lac օպերոնը, որն ակտիվացնում է լակտոզան քայքայող ֆերմենտը միայն լակտոզայի առկայության դեպքում: Ռեպրեսորային և ակտիվատոր գործոնները կարող են արգելակել կամ ուժեղացնել ՌՆԹ պոլիմերազի հավաքագրումը:
Էուկարիոտներում կարգավորումն ավելի բարդ է։ Այնպիսի տարրեր, ինչպիսիք են ուժեղացուցիչները և լռեցուցիչները, կարող են գտնվել պրոմոտորից հեռու, բայց ազդում են տրանսկրիպցիոն ակտիվության վրա՝ ԴՆԹ-ի ծալման և սպիտակուցային փոխազդեցությունների միջոցով։ Ավելին, քրոմատինի պայմանները (օրինակ՝ հիստոնի ացետիլացումը, որը ԴՆԹ-ն դարձնում է ավելի «բաց») էապես որոշում են, թե արդյոք գենը հասանելի է տրանսկրիպցիոն մեխանիզմին։
Penutup
Տրանսկրիպցիայի մեխանիզմը հիմքում ընկած է այն բանի, թե ինչպես է գենետիկական տեղեկատվությունը արտահայտվում ՌՆԹ-ի մեջ՝ թե՛ որպես սպիտակուցի սինթեզի միջանկյալ նյութ, թե՛ որպես ֆունկցիոնալ մոլեկուլ, որը կատարում է կարգավորող և կառուցվածքային դերեր : Այս գործընթացը տեղի է ունենում երեք հիմնական փուլերով՝ սկզբնավորում, երկարացում և ավարտ՝ պրոկարիոտների և էուկարիոտների միջև տարբեր բարդությամբ: Էուկարիոտների մոտ տրանսկրիպցիան սերտորեն ինտեգրված է ՌՆԹ-ի մշակման հետ, ինչպիսիք են 5' գլխարկի ձևավորումը, սպլայսինգը և պոլիադենիլացումը: Քանի որ տրանսկրիպցիան նույնպես ենթակա է խիստ կարգավորվող կարգավորման, այս գործընթացի հասկացումը կարևոր է բազմաթիվ ոլորտներում՝ գենետիկայից և կենսատեխնոլոգիայից մինչև մոլեկուլային բժշկություն, այդ թվում՝ գեների արտահայտման խանգարումներով պայմանավորված հիվանդությունների հասկացման համար:
