Молекул биологийн транскрипцийн механизмууд
Транскрипц нь молекул биологийн үндсэн үйл явц бөгөөд ДНХ-ийн генетикийн мэдээллийг РНХ молекулын үйлдвэрлэлтэй холбодог. Транскрипцийн тусламжтайгаар ДНХ-ийн нуклеотидын дараалал нь РНХ болж "орчлогддог" бөгөөд энэ нь уургийн нийлэгжилтийн элч РНХ (mRNA) эсвэл rRNA болон tRNA зэрэг бусад функциональ РНХ болж үйлчилдэг. Энэ үйл явц нь биологийн төв сургаалын чухал хэсэг юм : ДНХ → РНХ → Уураг. Энгийн сонсогдож болох ч транскрипц нь эсүүд генийг шаардлагатай үед яг тодорхой илэрхийлж чадах хэд хэдэн зохион байгуулалттай алхам, янз бүрийн ферментүүд болон хатуу зохицуулалтыг агуулдаг.
Транскрипцийн үндсэн ойлголтууд
Транскрипцид ДНХ-ийн зөвхөн нэг хэлхээг загвар хэлхээ болгон ашигладаг. РНХ полимераза фермент нь загвар хэлхээг 3'-5' хүртэл уншиж, 5'-3' чиглэлд шинэ РНХ-г нэгтгэдэг. Үүссэн РНХ-ийн дараалал нь ДНХ-ийн загвар хэлхээг нөхөж өгдөг бөгөөд чухал ялгаа нь: РНХ нь тимин (T)-ийн оронд суурь урацил (U)-г ашигладаг. Тиймээс, хэрэв ДНХ-д А байгаа бол U нь РНХ-д суурь хос, хэрэв C байгаа бол G нь суурь хос (мөн эсрэгээрээ) юм.
Транскрипц нь янз бүрийн төрлийн генүүдэд тохиолдож болно. Уураг кодчилдог генүүд нь мРНХ үүсгэдэг бол бусад генүүд нь уураг болж хувирдаггүй боловч рРНХ (рибосомын барилгын блок), тРНХ (амин хүчлийн тээвэрлэгч), снРНХ (залгах), генийн экспрессийг зохицуулдаг янз бүрийн төрлийн мРНХ/lncРНХ зэрэг бүтцийн болон зохицуулалтын үүрэг гүйцэтгэдэг кодчилдоггүй РНХ үүсгэдэг.
Прокариот ба эукариотуудын үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгүүд ба ялгаа
Прокариотуудад (жишээлбэл, бактери) транскрипцийн үйл явц харьцангуй хялбар байдаг. Ерөнхийдөө сигма хүчин зүйлийн тусламжтайгаар промоторыг таньдаг ганц анхдагч РНХ полимераза байдаг. Цаашилбал, бактери цөмгүй тул транскрипц болон орчуулга нь зэргэлдээх хэсгүүдэд нэгэн зэрэг явагдаж болно.
Үүний эсрэгээр, эукариотуудад (жишээлбэл, хүн) транскрипц нь илүү төвөгтэй байдаг. Хэд хэдэн РНХ полимераза байдаг: РНХ полимераза I (тодорхой рРНХ-ийг транскрипцлэдэг), РНХ полимераза II (mRNA болон зарим snRNA/miRNA-г транскрипцлэдэг) болон РНХ полимераза III (tRNA болон 5S рРНХ-г транскрипцлэдэг). Цаашилбал, эукариот ДНХ нь хроматинд савлагдсан байдаг тул генд нэвтрэх нь гистоны өөрчлөлт, хроматины өөрчлөлт, янз бүрийн ерөнхий болон өвөрмөц транскрипцийн хүчин зүйлс зэрэг нэмэлт зохицуулалт шаарддаг.
1-р үе шат: Транскрипцийн эхлэл
Инициаци гэдэг нь транскрипцийн механизмыг ДНХ дээрх зөв байршилд угсарсан эхний үе шат юм. Энэ үйл явц нь транскрипцийн эхлэх цэгийг тодорхойлдог генийн өмнөх тодорхой ДНХ-ийн дараалал болох промоторыг танихаас эхэлдэг.
Прокариот эсүүдэд санаачилга
Бактерийн хувьд, сигма хүчин зүйлс нь РНХ полимеразад Прибноу хайрцаг болон 35 хайрцаг зэрэг чухал промотор элементүүдийг танихад тусалдаг. РНХ полимераза нь промотортой холбогдсны дараа "хаалттай цогцолбор" үүсдэг. Дараа нь эхлэх цэгийн эргэн тойрон дахь ДНХ нь хэсэгчлэн задран "нээлттэй цогцолбор" үүсгэдэг бөгөөд энэ нь РНХ полимеразад анхны РНХ нуклеотидуудыг угсарч эхлэх боломжийг олгодог.
Эукариот дахь санаачилга
Эукариотуудад инициацид олон уураг оролцдог. РНХ полимераза II-ээр транскрипцлэгдсэн генүүдэд промоторууд нь ихэвчлэн (гэхдээ үргэлж биш) TATA хайрцаг зэрэг элементүүдийг агуулдаг. TFIID цогцолборын нэг хэсэг болох TATA-холбогч уураг (TBP) нь TATA хайрцгийг таньж, РНХ полимераза II-ээс гадна бусад ерөнхий транскрипцийн хүчин зүйлс (TFIIA, TFIIB, TFIIE, TFIIF, болон TFIIH)-ийг элсүүлдэг. Энэ цогцолборыг преинициацийн цогцолбор гэж нэрлэдэг.
TFIIH нь геликаза (ДНХ-ийн задрал) болон киназын идэвхжилтэй тул чухал үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд энэ нь РНХ полимераза II-ийн CTD (C-терминалын домэйн)-ийг фосфоржуулдаг. CTD фосфоржуулалт нь РНХ полимераза II-ийг промотороос "ялгаруулж", суналтын үе шатанд ороход тусалдаг бөгөөд мөн РНХ боловсруулах уургуудын платформ болдог.
2-р үе шат: Транскрипцийн суналт
Эхлүүлсний дараа РНХ полимераза нь загвар ДНХ-ийн дагуу хөдөлж, РНХ-ийн гинжийг сунгадаг. Суурийн хосууд үүсэх үед РНХ нуклеотидууд (ATP, UTP, GTP, CTP) нэг нэгээр нь нэмэгддэг. Суналтын үед РНХ полимераза нь ДНХ түр зуур тайвширдаг транскрипцийн бөмбөлөг үүсгэдэг. Полимеразын ард ДНХ тайвширдаг бол шинээр үүссэн РНХ нь ферментийн цогцолбороос гардаг.
Суналт нь мөн хязгаарлагдмал хянан засварлах механизмтай байдаг. Хэрэв хослолт алдагдах тохиолдолд РНХ полимераза нь түр зогсоож, РНХ-ийн буруу үзүүрийг таслах замаар алдааг засаж, дараа нь нийлэгжилтийг үргэлжлүүлж болно.
Эукариотуудад суналт нь ихэвчлэн нэмэлт зохицуулалттай хамт явагддаг, тухайлбал РНХ полимераза II-г промоторын ойролцоо түр зогсоох. Энэхүү түр зогсолт нь генийн зохицуулалтыг зохицуулж , эс тодорхой дохио хүлээн авах үед хурдан транскрипц хийхэд бэлэн байхад чухал үүрэгтэй.
3-р үе шат: Транскрипцийн төгсгөл
Терминация гэдэг нь транскрипцийг зогсоож, ДНХ-ээс РНХ болон РНХ полимеразаг ялгаруулах үйл явц юм.
Прокариот эсүүд дэх төгсгөл
Хоёр үндсэн механизм байдаг:
1. Дотоод (rho-хамааралгүй) төгсгөл: ДНХ нь үсний хавчаар бүтэц үүсгэдэг GC-ээр баялаг РНХ үүсгэдэг дараалалтай бөгөөд дараа нь U-баялаг дараалал үүсдэг. Үсний хавчаар нь РНХ полимеразыг зогсоож, РНХ-ДНХ-ийн холбоо суларч, цогцолбор нь диссоциацид ордог.
2. Рос хамааралт төгсгөл: Рос уураг (геликаза) нь РНХ-тэй холбогдож, түр зогссон РНХ полимеразад хүрэх хүртэл түүний араас хөдөлж, дараа нь РНХ-г транскрипцийн цогцолбороос ялгаруулдаг.
Эукариот дахь төгсгөл (РНХ полимераза II)
Олон генд РНХ полимераза II нь полиаденилизацийн дохиог (жишээлбэл, РНХ дахь AAUAAA) дамжуулж, дараа нь боловсруулалтын цогцолбороор задардаг. Задралын дараа төгсгөл нь "торпедо" загвар (экзонуклеаза фермент нь үлдсэн РНХ-г задалж, полимеразыг хөөдөг) эсвэл нарийн төвөгтэй конформацийн өөрчлөлтийн загвараар дамжин тохиолдож болно. РНХ полимераза I ба III-д төгсгөл нь өөр, илүү дарааллын өвөрмөц механизмтай байдаг.
Эукариот дахь РНХ боловсруулалт: пре-мРНХ-ээс боловсорсон мРНХ хүртэл
Прокариот ба эукариотуудын хоорондох гол ялгаа нь эукариот мРНХ-г орчуулахаас өмнө ерөнхийдөө боловсруулсан байх ёстой явдал юм. Энэхүү боловсруулалт нь хамтын транскрипцийн хэлбэрээр (транскрипцийн хамт) явагддаг бөгөөд дараахь зүйлийг агуулдаг.
1. 5' тагны бэхэлгээ: 5' төгсгөлд 7-метилгуанозины бүлгийг нэмэх. Таг нь РНХ-г задралаас хамгаалж, цитоплазм руу экспортлоход тусалдаг бөгөөд орчуулгыг эхлүүлэхэд чухал үүрэгтэй.
2. Сплайсинг: Сплайсосомоор интроныг салгаж, экзоныг сплайсинг хийх. Альтернатив сплайсинг нь нэг генээс олон уургийн изоформ үүсгэж, протеомын олон янз байдлыг нэмэгдүүлдэг.
3. Полиадениляци (поли-А сүүл): 3' төгсгөлд поли-А сүүл нэмэх. Энэ сүүл нь мРНХ-ийн тогтвортой байдлыг нэмэгдүүлж, экспортод тусалж, орчуулгын үр ашигт нөлөөлдөг.
Боловсруулаагүй РНХ (pre-mRNA) нь ихэвчлэн орчуулагддаггүй. Эсийн чанарын хяналтын систем нь гэмтэлтэй РНХ-г хадгалах эсвэл задлах болно.
Транскрипцийн зохицуулалт: яагаад бүх генүүд үргэлж идэвхтэй байдаггүй вэ?
Транскрипц нь генийн экспрессийн гол хяналтын цэг юм. Эсүүд аль генүүд идэвхтэй, хэр хүчтэй транскрипцлэгдсэн, транскрипцийг хэзээ зогсоох ёстойг зохицуулдаг. Энэхүү зохицуулалт нь эсүүдэд хүрээлэн буй орчны өөрчлөлт, дааврын дохио, стресс эсвэл хөгжлийн хэрэгцээнд хариу үйлдэл үзүүлэх боломжийг олгодог.
Прокариотуудад зохицуулалт нь ихэвчлэн оперонуудыг хамардаг, тухайлбал лактоз байгаа үед л лактоз задалдаг ферментийг идэвхжүүлдэг лак оперон. Дарангуйлагч ба идэвхжүүлэгч хүчин зүйлүүд нь РНХ полимеразын элсэлтийг дарангуйлах эсвэл сайжруулах боломжтой.
Эукариотуудад зохицуулалт илүү төвөгтэй байдаг. Enhancer болон sunsucer зэрэг элементүүд нь промотороос хол байрлаж болох боловч ДНХ-ийн нугалалт болон уургийн харилцан үйлчлэлээр дамжуулан транскрипцийн идэвхжилд нөлөөлдөг. Цаашилбал, хроматины нөхцөл байдал (жишээлбэл, ДНХ-ийг илүү "нээлттэй" болгодог гистоны ацетилжилт) нь генийг транскрипцийн механизмд хандах боломжтой эсэхийг ихээхэн тодорхойлдог.
Хаах
Транскрипцийн механизм нь генетикийн мэдээллийг РНХ-д хэрхэн илэрхийлдэгийн гол цөм бөгөөд уургийн нийлэгжилтийн завсрын бүтээгдэхүүн болон зохицуулалтын болон бүтцийн үүрэг гүйцэтгэдэг функциональ молекул юм . Энэ үйл явц нь прокариот ба эукариотуудын хооронд янз бүрийн нарийн төвөгтэй байдалтайгаар эхлүүлэх, сунгах, дуусгавар болгох гэсэн гурван үндсэн үе шатаар дамждаг. Эукариотуудад транскрипц нь 5' таг үүсэх, залгах, полиаденилжих зэрэг РНХ-ийн боловсруулалттай нягт уялдаатай байдаг. Транскрипц нь мөн өндөр зохицуулалттай зохицуулалтад хамрагддаг тул энэ үйл явцыг ойлгох нь генетик, биотехнологиос эхлээд молекулын анагаах ухаан хүртэлх өргөн хүрээний салбарт, түүний дотор генийн илэрхийлэлийн эмгэгтэй холбоотой өвчнийг ойлгоход чухал ач холбогдолтой юм.
