Механизм транскрипции

Синтез РНК включает 3 стадии: инициации, элонгации и терминации.

1. На стадии инициации РНК-полимераза с помощью s-субъединицы через серию случайных актов ассоциации-диссоциации находит промотор и происходит присоединение всей молекулы РНК-полимеразы. После синтеза цепочки РНК примерно из 8 рибонуклеотидов s-субъединица отделяется от холофермента и присоединяется к другой молекуле РНК-полимеразы. Синтезируемые цепи РНК имеют на 5’-конце обычно остаток ГТФ или АТФ (рррА, либо рррГ). В отличие от синтеза ДНК затравка в этом случае не нужна. Следовательно, новообразованная цепь РНК имеет трифосфатную группу на 5’-конце и свободную ОН-группу на 3’-конце.

2. На стадии элонгации РНК полимераза синтезирует цепь РНК в направлении 5’®3’ антипараллельно матричной цепи ДНК. В ходе транскрипции новосинтезированная цепь РНК временно образует короткие отрезки гибридной спирали ДНК-РНК. По мере того, как расплетается очередной участок ДНК, транскрибированный участок восстанавливает свою двуспиральную конформацию. Максимальная скорость элонгации составляет примерно 50 нуклеотидов в секунду. В отличие от ДНК-полимеразы РНК-полимераза не проверяет правильности новообразованной полинуклеотидной цепи. В связи с этим надежность транскрипции значительно ниже, чем наждежность репликации. Частота ошибок при синтезе РНК составляет примерно одну ошибку на 10⁴-10⁵ нуклеотидов, что в 10⁵ раз выше, чем при синтезе ДНК. Гораздо более низкую надежность синтеза РНК клетка обходит тем, что с одного гена синтезируется много копий РНК-транскриптов.

3. Сигнал терминации синтеза молекулы РНК представляет собой определенную последовательность нуклеотидов, расположенную в рамках кодирующей цепи ДНК. Этот сигнал распознается терминирующим белком - r-фактором. После терминации синтеза данной цепи РНК кор-фермент отделяется от ДНК-матрицы и, связавшись с новой молекулой s-фактора, может узнавать соответствующие промоторные участки и приступать к синтезу новой молекулы РНК. Одну и ту же кодирующую цепь могут одновременно считывать несколько молекул РНК-полимеразы, но процесс отрегулирован таким образом, что в каждый данный момент каждая молекула транскрибирует различные участки ДНК.

В результате транскрипции образуются три типа предшественников РНК (первичные транскрипты): предшественник мРНК, или гетерогенная ядерная РНК (пре-мРНК или гяРНК), предшественники рРНК (прерРНК), содержащие 5,8S РНК, 18S РНК и 28S РНК у эукариот и, соответственно 5S, 16S РНК и 23S РНК у прокариот, предшественники тРНК (пре-тРНК). Они представляют собой копию оперона и содержат информативные и неинформативные последовательности. Образование функционально активных молекул РНК называется процессингом и продолжается после завершения транскрипции.

Процессинг включает в себя: вырезание неинформативных участков, сшивание информативных участков (сплайсинг) и модификацию 5’ и 3’-концов РНК.

1. Вырезание неинформативных участков пре-мРНК происходит с помощью рибонуклеаз и/или рибозимов. При вырезании интронов важную роль играют малые ядерные РНК (мяРНК), нуклеотидные последовательности которых комплементарны последовательностям на концах каждого из интронов. В результате спаривания оснований, содержащихся в мяРНК и на концах свернутого в петлю интрона, два экзона сближаются, интроны вырезаются, а экзоны сшиваются лигазой. Таким образом, молекулы мяРНК играют роль временных матриц, удерживающих близко друг от друга концы двух экзонов для того, чтобы сплайсинг произошел в правильном месте.

2. Далее в ядре происходит модификация 5’ и 3’-концов мРНК. К 5’-концу мРНК присоединяется олигонуклеотид, называемый «кэпом» или колпачком, состоящий из 2-3 метилированных нуклеотидов, причем концевым является 7-метилгуанозин. Эти «колпачки» способствуют стабилизации мРНК, защищая 5’-концы от разрушения фосфатазами и нуклеазами. Кроме того, «колпачки» повышают эффективность трансляции мРНК у эукариот. К 3’-концу фермент поли-А-полимераза присоединяет полиадениловую последовательность (поли-А), состоящую из 200 нуклеотидов. Функция полиаденолового «хвоста» мРНК неизвестна. Затем мРНК связывается с белком информофером и транспортируется в цитоплазму к рибосомам.

3. В клетках млекопитающих молекулы рРНК транскрибируются в виде большого общего первичного транскрипта. Процессинг рибосомальных РНК происходит в ядрышке, где и локализованы гены рибосомных РНК Синтезированная пре-рРНК (45S) подвергается ферментативной модификации и расщеплению и дает зрелые 18S-, 5,8S- и 28S-рРНК. Вначале примерно 100 нуклеотидов метилируется по 2’-гидроксильной группе рибозных остатков, более 100 остатков уридина изомеризуются в остатки псевдоуридина. Метилирование идет только на участках, формирующих в дальнейшем зрелые молекулы рРНК. Затем 45S-предшественник подвергается нуклеолитическому процессингу. В ходе процессинга РНК в ядрышках происходит дальнейшее метилирование. 5,8S-рРНК и 28S-рРНК, связываясь с рибосомными белками в ядрышках, формирует большую 60S-субъединицу рибосомы. Молекула 18S-рРНК в комплексе с соответствующими полипептидами образует малую субъединицу рибосомы. 5S РНК синтезируется отдельно.

4. Молекулы тРНК первоначально транскрибируются в виде больших предшественников, которые часто содержат более одной молекулы тРНК, подвергающихся нуклеолитическому процессингу при действии специфических рибонуклеаз. Дальнейшие модификации молекул тРНК включают алкилирование нуклеотидов и присоединение характерного ЦЦА-триплета к 3’-концу молекулы (акцепторный участок), к которому присоединяется соответствующая аминокислота. Метилирование предщественников тРНК млекопитающих происходит, вероятно, в ядре, в расщепление и присоединение ЦЦА-триплета – в цитоплазме.