Молекулалық биологиядағы транскрипция механизмдері
Транскрипция - молекулалық биологиядағы ДНҚ-дағы генетикалық ақпаратты РНҚ молекулаларының өндірісімен байланыстыратын негізгі процесс. Транскрипция арқылы ДНҚ-дағы нуклеотидтік тізбек РНҚ-ға «аударылады», ол ақуыз синтезі үшін хабаршы РНҚ (мРНҚ) немесе рРНҚ және тРНҚ сияқты басқа функционалды РНҚ ретінде әрекет ете алады. Бұл процесс биологияның орталық догмасының маңызды бөлігі болып табылады: ДНҚ → РНҚ → Ақуыз. Қарапайым болып көрінгенімен, транскрипция бірқатар ұйымдастырылған қадамдарды, әртүрлі ферменттерді және жасушалар гендерді қажетінше дәл экспрессиялай алатындай қатаң реттеуді қамтиды.
Транскрипцияның негізгі түсініктері
Транскрипцияда ДНҚ тізбектерінің тек біреуі ғана шаблон тізбегі ретінде қолданылады. РНҚ-полимераза ферменті шаблон тізбегін 3'-тен 5'-ке дейін оқиды және 5'-ден 3'-ке дейін бағытта жаңа РНҚ синтездейді. Алынған РНҚ тізбегі ДНҚ шаблон тізбегіне комплементарлы болып табылады, маңызды айырмашылығы бар: РНҚ тиминнің (T) орнына базалық урацилді (U) пайдаланады. Осылайша, егер А ДНҚ-да болса, U РНҚ-дағы базалық жұп, ал егер С болса, G базалық жұп (және керісінше).
Транскрипция әртүрлі гендерде болуы мүмкін. Ақуызды кодтайтын гендер мРНҚ түзеді, ал басқа гендер ақуызға трансляцияланбаған, бірақ құрылымдық және реттеуші функциялары бар кодталмайтын РНҚ түзе алады, мысалы, рРНҚ (рибосомалық құрылыс блоктары), тРНҚ (аминқышқылдарын тасымалдаушылар), снРНҚ (сплайсинг) және ген экспрессиясын реттейтін әртүрлі miRNA/lncRNA түрлері.
Прокариоттар мен эукариоттардың негізгі компоненттері және айырмашылықтары
Прокариоттарда (мысалы, бактерияларда) транскрипция процесі салыстырмалы түрде қарапайым. Әдетте, сигма факторының көмегімен промоторды танитын жалғыз бастапқы РНҚ полимераза болады. Сонымен қатар, бактерияларда ядро болмағандықтан, транскрипция мен трансляция көршілес орындарда бір мезгілде жүруі мүмкін.
Керісінше, эукариоттарда (мысалы, адамдарда) транскрипция күрделірек. Бірнеше РНҚ полимеразалары бар: РНҚ полимераза I (белгілі бір рРНҚ-ны транскрипциялайды), РНҚ полимераза II (мРНҚ-ны және кейбір snRNA/miRNA-ны транскрипциялайды) және РНҚ полимераза III (тРНҚ мен 5S рРНҚ-ны транскрипциялайды). Сонымен қатар, эукариот ДНҚ хроматинге оралған, сондықтан гендерге қол жеткізу үшін гистон модификациясы, хроматиннің қайта құрылуы және әртүрлі жалпы және арнайы транскрипция факторлары сияқты қосымша реттеу қажет.
1-кезең: Транскрипцияның басталуы
Инициация - транскрипция механизмі ДНҚ-дағы дұрыс орында жиналған бастапқы кезең. Бұл процесс транскрипцияның басталу нүктесін анықтайтын геннің жоғары жағындағы белгілі бір ДНҚ тізбегі промоторды танудан басталады.
Прокариоттардағы инициация
Бактерияларда сигма факторлары РНҚ-полимеразаға Прибноу қорабы және 35 қорабы сияқты маңызды промотор элементтерін тануға көмектеседі. РНҚ-полимераза промотормен байланысқаннан кейін «жабық кешен» пайда болады. Бастапқы нүктенің айналасындағы ДНҚ ішінара жайылып, «ашық кешен» түзеді, бұл РНҚ-полимеразаға алғашқы РНҚ нуклеотидтерін жинауды бастауға мүмкіндік береді.
Эукариоттардағы инициация
Эукариоттарда инициация көптеген ақуыздарды қамтиды. РНҚ-полимераза II транскрипцияланған гендерде промоторлар көбінесе (әрқашан емес) TATA қорабы сияқты элементтерді қамтиды. TFIID кешенінің бөлігі болып табылатын TATA-байланыстырушы ақуыз (TBP) TATA қорабын таниды және РНҚ-полимераза II-мен қатар басқа жалпы транскрипция факторларын (TFIIA, TFIIB, TFIIE, TFIIF және TFIIH) тартады. Бұл кешен преинициациялық кешен деп аталады.
TFIIH маңызды рөл атқарады, себебі оның геликаза (ДНҚ-ны тарқату) және киназа белсенділігі бар, ол РНҚ-полимераза II CTD (С-терминалды домен) фосфорлайды. CTD фосфорлануы РНҚ-полимераза II-нің промотордан «шығуына» және элонгация фазасына енуіне көмектеседі, сонымен қатар РНҚ-ны өңдеу ақуыздары үшін платформа қамтамасыз етеді.
2-кезең: Транскрипция элонгациясы
Басталғаннан кейін РНҚ полимеразасы ДНҚ үлгісі бойымен қозғалады және РНҚ тізбегін ұзартады. РНҚ нуклеотидтері (АТФ, UTP, GTP, CTP) негіз жұптары пайда болған сайын бір-бірлеп қосылады. Ұзарту кезінде РНҚ полимераза ДНҚ уақытша босатылатын транскрипция көпіршігін түзеді. Полимеразаның артында ДНҚ босатылады, ал жаңадан пайда болған РНҚ фермент кешенінен шығады.
Элонгацияның да шектеулі корректуралық механизмі бар. Егер жұптасу сәйкес келмесе, РНҚ полимеразасы кідіріп, РНҚ-ның дұрыс емес ұшын кесіп тастау арқылы қатені түзете алады, содан кейін синтезді жалғастыра алады.
Эукариоттарда созылу көбінесе қосымша реттеумен қатар жүреді, мысалы, РНҚ-полимераза II промотордың жанында кідірту. Бұл кідірту геннің үйлесімді реттелуі және жасуша нақты сигналдарды қабылдаған кезде жылдам транскрипцияға дайындық үшін өте маңызды.
3-кезең: Транскрипцияның аяқталуы
Терминация - транскрипцияны тоқтату және ДНҚ-дан РНҚ мен РНҚ полимеразасын босату процесі.
Прокариоттардағы терминация
Екі негізгі механизм бар:
1. Ішкі (rho-тәуелсіз) терминация: ДНҚ-да шаш түйреуіш құрылымын құрайтын GC-ға бай РНҚ түзетін тізбек бар, одан кейін U-ға бай тізбек пайда болады. Шаш түйреуіш РНҚ-полимеразаның тоқтауына әкеледі және РНҚ-ДНҚ байланысы әлсірейді, нәтижесінде кешен диссоциацияланады.
2. Рос-тәуелді терминация: ро ақуызы (геликаза) РНҚ-ға жабысып, оның соңынан тоқтатылған РНҚ полимеразасына жеткенше қозғалады, содан кейін РНҚ-ны транскрипция кешенінен босатады.
Эукариоттардағы терминация (РНҚ полимераза II)
Көптеген гендерде РНҚ-полимераза II полиаденилдену сигналын өткізеді (мысалы, РНҚ-дағы AAUAAA), содан кейін өңдеу кешені арқылы бөлінеді. Бөлінгеннен кейін терминация «торпеда» моделі (экзонуклеаза ферменті қалған РНҚ-ны ыдыратады және полимеразаны қуады) немесе күрделі конформациялық өзгеріс моделі арқылы жүруі мүмкін. I және III РНҚ-полимеразаларындағы терминацияның басқа, тізбекке тән механизмі бар.
Эукариоттардағы РНҚ өңдеу: пре-мРНҚ-дан жетілген мРНҚ-ға дейін
Прокариоттар мен эукариоттардың арасындағы негізгі айырмашылық - эукариоттық мРНҚ-ны трансляциялау алдында өңдеу қажет. Бұл өңдеу транскрипциямен бірге жүреді және мыналарды қамтиды:
1. 5' қақпақша бекітілуі: 5' ұшына 7-метилгуанозин тобын қосу. Қақпақ РНҚ-ны ыдыраудан қорғайды, цитоплазмаға экспорттауға көмектеседі және трансляцияны бастау үшін өте маңызды.
2. Сплайсинг: Сплайсинг арқылы интрондарды алып тастау және экзондарды сплайсинг. Балама сплайсинг бір геннен бірнеше ақуыз изоформаларын түзе алады, бұл протеомдардың әртүрлілігін арттырады.
3. Полиаденилдену (поли-А құйрығы): 3' ұшына поли-А құйрығын қосу. Бұл құйрық мРНҚ тұрақтылығын арттырады, экспортқа көмектеседі және трансляция тиімділігіне әсер етеді.
Өңделмеген РНҚ (pre-mRNA) әдетте трансляцияланбайды. Жасушаның сапаны бақылау жүйесі ақаулы РНҚ-ны сақтайды немесе ыдыратады.
Транскрипциялық реттеу: неге барлық гендер үнемі белсенді емес?
Транскрипция - ген экспрессиясының негізгі бақылау нүктесі. Жасушалар қай гендердің белсенді екенін, олардың қаншалықты күшті транскрипцияланатынын және транскрипцияны қашан тоқтату керектігін реттейді. Бұл реттеу жасушаларға қоршаған ортаның өзгерістеріне, гормоналды сигналдарға, стресске немесе даму қажеттіліктеріне жауап беруге мүмкіндік береді.
Прокариоттарда реттеу көбінесе оперондарды, мысалы, лактозаны ыдырататын ферментті тек лактоза болған кезде ғана белсендіретін лак оперонды қамтиды. Репрессорлық және активаторлық факторлар РНҚ полимеразасының тартылуын тежеуі немесе күшейтуі мүмкін.
Эукариоттарда реттеу күрделірек. Энхансерлер мен дыбыс өшіргіштер сияқты элементтер промотордан алыс орналасуы мүмкін, бірақ ДНҚ-ның бүктелуі және ақуыздың өзара әрекеттесуі арқылы транскрипциялық белсенділікке әсер етеді. Сонымен қатар, хроматин жағдайлары (мысалы, ДНҚ-ны «ашық» ететін гистон ацетилденуі) геннің транскрипциялық механизмге қолжетімділігін айтарлықтай анықтайды.
Жабу
Транскрипция механизмі генетикалық ақпараттың РНҚ-ға қалай экспрессияланатынының негізінде жатыр, ол ақуыз синтезі үшін аралық өнім ретінде де, реттеуші және құрылымдық рөлдерді атқаратын функционалды молекула ретінде де жүзеге асырылады. Бұл процесс прокариоттар мен эукариоттар арасында әртүрлі күрделілікпен үш негізгі кезең - инициация, элонгация және терминация арқылы жүреді. Эукариоттарда транскрипция РНҚ өңдеуімен, мысалы, 5' қақпақшасының түзілуімен, сплайсингпен және полиаденилденумен тығыз байланысты. Транскрипция да жоғары реттелетін реттеуге ұшырайтындықтан, бұл процесті түсіну генетика мен биотехнологиядан бастап молекулалық медицинаға дейінгі, соның ішінде ген экспрессиясының бұзылуымен байланысты ауруларды түсінуде өте маңызды.
