WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 11 |

Этот минимальный фермент (2) осуществляет транскрипцию, но не способен “узнавать” на ДНК специфические стартовые точки этого процесса. Для “узнавания” промоторов к минимальномуфактору должна присоединиться еще одна единица (сигма) – фактор. Нуклеотидные последовательности промоторов обычно богаты АТ-парами, или ТАТАпоследовательностями (так называемыми последовательностями Прибнова).

Регуляция транскрипции у эукариот отличается от таковой у прокариот следующими особенностями. У эукариот имеется три типа РНКполимераз, которые транскрибируют РНК с трех разных типов генов. РНКполимераза I считывает гены 18S, 28S и 5,8S рибосомной РНК (рРНК), РНК-полимераза II считывает мРНК с генов, кодирующих полипептилы, РНК-полимераза III транскрибирует гены 5S рРНК и тРНК. Для инициации транскрипции у эукариот необходимо в области промотора образование транскрипционного комплекса, куда входит РНК-полимераза и активизирующие ее белки (факторы транскрипции). Фактором транскрипции называют любой белок, который необходим для инициации транскрипции, но не является собственно РНК-полимеразой. Общие факторы транскрипции к настоящему времени очищены и выделены. Их шесть: TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH. Они обозначаются первыми буквами слов transcription factors –TF с добавлением римской цифры I, II или III в зависимости от того, какая это РНК-полимераза - I, II или III. Далее следует обозначение собственно белковой молекулы. Наконец, большинство регуляторных белков у эукариот могутвлиять на скорость транскрипции, даже если эти белки связываются с участками ДНК, расположенными за тысячи пар нуклеотидов от промотора. Это означает, что любой конкретный промотор может находиться под контролем неограниченного числа регуляторных последовательностей, разбросанных по геному Промоторы эука.

риот устроены более сложно, чем прокариотические. Помимо ТАТАпоследовательностей (которые называются последовательностями Хогнесса), имеются CAAT- и GC-последовательности.

РНК-полимераза осуществляет наращивание цепи мРНК (или элонгацию) путем подбора комплементарных участку смысловой цепи нуклеотидов и прекращает этот процесс, достигая стоп-сигнала. Таким образом, мРНК – это одноцепочечная молекула, комплементарная одномуиз участков смысловой цепи ДНК. мРНК является копией одного или группы лежащих рядом генов, выполняющих одну функцию. Это так называемый первичный транскрипт или гетерогенная ядерная РНК, или про-мРНК, включающий у эукариот интроны и экзоны.

1.3.2.1. Процессинг и сплайсинг мРНК У прокариот структурный ген представляет собой непрерывный участок молекулы ДНК. Транскрипция начинается со связывания РНКполимеразы с промотором и далее последовательно копируется весь структурный ген (кодирующая область) от первого нуклеотида до последнего с образованием функциональной мРНК. У эукариот большинство структурных генов состоит из нескольких дискретных кодирующих областей (экзонов), разделенных некодирующими областями (интронами). Интроны транскрибируются наравне с экзонами, так что предшественник мРНК, называемый про-мРНК (первичный транскрипт, гетерогенная ядерная РНК), представляет собой полную копию гена. Однако в процессе трансляции такие транскрипты участия не принимают. В ходе созревания (процессинга) участки про-мРНК, соответствующие интронам, вырезаются с помощью нуклеаз, а экзоны сшиваются друг с другом (сплайсинг) лигазой с образованием функциональной (зрелой) мРНК уже существенно меньшего размера (рисунок 9), по которой синтезируются белки.

Экзоны П 1 2 3 4 Т Ген 5 Интроны Синтез РНК про-иРНК 1 2 3 Процессинг и сплайсинг Зрелая мРНК Кэп 1 2 3 4 Поли А 5 Рисунок 9. Процессинг и сплайсинг мРНК Процессинг первичных транскриптов включает и модификацию 5- и 3-конца. К 5-концу присоединяется 7-метилгуанозин (5-кэп). Считают, что процесс кэпирования (метилирования) защищает мРНК от разрушения эндонуклеазами и способствует ее “узнаванию” рибосомами. К 3-концу добавляется поли (А) – хвост. Полиаденилирование (ферментативное присоединение 100-200 нескольких остатков аденина с образованием поли-А хвоста) приводит к увеличению времени жизни мРНК, а также обеспечивает ее транспорт в цитоплазму. Эти процессы осуществляются в ядре, а в цитоплазму где происходит биосинтез белка, выходит уже зрелая мРНК, (не содержащая интронов). Причем, синтезируемый белок колинеарен по структуре соответствующей мРНК, т.е. последовательность нуклеотидов гена определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи.

1.3.2.2. Альтернативный сплайсинг Сплайсинг иногда осуществляется по альтернативному варианту В.

этом случае с одного гена считывается более одного типа мРНК с разным набором экзонов, а следовательно, синтезируется несколько разных белков. Причем, этот процесс также генетически контролируется. Например, в одной ткани функциональная мРНК может образоваться в результате соединения всех экзонов первичного транскрипта, а в другой какой-то экзон будет вырезан вместе с фланкирующими его интронами и образуется другая функциональная мРНК. В другом же случае соединение экзонов происходит в разных комбинациях (а не в том порядке, в котором они располагались в гене). Например, если ген содержит всего шесть экзонов (с 1-го по 6-й), в одном типе мРНК они могутрасполагаться в порядке 1,2,3,4,5,6, в других РНК порядок может быть иным, например, 4,5,6,1,2,3 или 2,5,или 1,3,5. Или при наличии в гене альтернативных промоторов разные типы РНК могутсинтезироваться с разных сайтов инициации транскрипции. Альтернативный промотор – это сложный промотор, состоящий по крайней мере из двух независимо функционирующих частей, расположенных перед разными экзонами одного гена. Существуют и более сложные варианты альтернативного сплайсинга. Благодаря альтернативномусплайсингу в разных тканях могутобразовываться разные продукты одного и того же структурного гена, т.е. разные белки. Например, при экспрессии одного и того же гена кальцитонина (имеющего 4 экзона и 5 интронов) в клетках щитовидной железы млекопитающих синтезируется кальцитонин (гормон, регулирующий обмен кальция и фосфора в организме млекопитающих; в мРНК экзоны располагаются в порядке 1,2 и 3), а в клетках нервной ткани – далекий от него по свойствам пептидный гормон (CGRP- calcitionin gene related peptide; порядок расположения экзонов в мРНК – 1,и 4). Оба пептида содержат у человека по 128 аминокислот, однако идентичны лишь первые 78. Другой пример. В составе гена амилазы мыши альтернативный промотор составлен двумя элементами, в результате чего более длинная мРНК (и соответствующий белок) образуется в слюнных железах, а более короткая – в печени.

Альтернативный сплайсинг обеспечивает тонкую регуляцию работы генов у эукариот, дифференцировку тканей, определяет развитие различных признаков, детерминированных одним геном. Альтернативный сплайсинг может играть решающую роль в эволюции высших эукариот. У низших эукариот (например дрожжей) сплайсинг регулируется значительно более строго, что ограничивает появление новых мРНК с одного гена. У человека около 1/3 всех генов может кодировать в своей структуре более одного белка (т.е. разные белки кодируются разными сочетаниями экзонов одного и того же гена). Т.е. для части генов человека действует принцип:

“один ген – много белков” Именно этим можно объяснить тот факт, что протеом человека содержит почти в 8 раз больше белков (примерно тыс различных белков) по сравнению с числом белок-кодирующих генов (всего около 32 тыс. генов).

1.3.2.3. Кодирование генетической информации Вопрос о том, как именно закодирована генетическая информация в структуре молекулы ДНК, был решен вскоре после открытия Уотсоном и Криком пространственной структуры ДНК. Был установлен генетический код, т.е. единая система записи генетической информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов, определяющая последовательность расположения аминокислот в молекуле белка. Генетический алфавит состоит всего из четырех нуклеотидов, отличающихся лишь по азотистому основанию (A, G, C, T). Только одна из двух нитей ДНК кодирует аминокислоты, поэтомукод – это последовательность нуклеотидов, а не пар нуклеотидов.

Какова же должна быть природа кода, позволяющая кодировать все 20 аминокислот, входящих в состав белка В 1954 г. математик Г.А. Гамов рассчитал возможное количество сочетаний четырех различных нуклеотидов. При их комбинации по 2 (42=16) возможно 16 сочетаний, по 3 (43=64), по 4 (44=256). Для кодирования 20 аминокислот сочетание нуклеотидов по 3 оказалось наиболее приемлемым. В 1961 г. Ф. Крик с сотрудниками получили экспериментальное доказательство триплетности генетического кода. Они изучали прямые и обратные мутации rII фага T4, полученные с помощью профлавина. Профлавин вызывал вставки или потери отдельных нуклеотидов в молекуле ДНК. Было показано, что при вставке или потере одного или двух нуклеотидов считывание генетического кода нарушается, в то время как трех – нет.

Какие именно триплеты кодируют те или иные аминокислоты, было установлено после опытов М. Ниренберга и Г. Маттеа (1961), прочитавших первую букву генетического кода. Они помещали искусственно синтезированную мРНК, в состав которой входил только урацил (полиуриди ловую кислоту в бесклеточную систему полученную из E. coli и вклю),, чающую рибосомы, полный набор аминокислот и ферменты, необходимые для синтеза белка. В такой системе был синтезирован, однако, белок, включающий в свой состав только аминокислоту фенилаланин, несмотря на присутствие их полного набора в среде. Таким образом, было установлено, что включение в полипептидную цепь аминокислоты фенилаланина кодирует триплет UUU.

К 1965 г. Х. Корана, П. Ледер и М. Ниренберг составили полный кодовый словарь, расшифровав последовательности всех 64 кодонов. Оказалось, что не все из них способны кодировать аминокислоты, а лишь 61, названные осмысленными кодонами, в то время как три кодона: UAA, UAG, UGA за неспособность кодировать аминокислоты были названы нонсенскодонами или бессмысленными. Однако позднее была установлена их исключительно большая роль в считывании генетической информации в качестве стоп-сигналов, прерывающих считывание информации с молекулы ДНК. Таким образом, с их помощью гены функционально отделяются друг от друга. Они получили даже собственные имена: UAA - охра, UAG- амбер, UGA – опал. В результате этих исследований Криком в конце 60-х гг.

XX века была составлена таблица РНК-аминокислотного кода в его современном виде (рисунок 10).

Второй нуклеотид кодона U C A G UUU UCU UAU UGU U Phe Tyr Cys UUC UCC UAC UGC C U Ser UUA UCA UAA стоп UGA Стоп A Leu UUG UCG UAG стоп UGG Trp G CUU CCU CAU CGU U His CUC CCC CAC CGC C C Leu Pro Arg CUA CCA CAA CGA A Gln CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU AGU Ser U Asn AUC Ile ACC AAC AGC C A Thr AUA ACA AAA AGA A Lys Arg AUG Met ACG AAG AGG G GUU GCU GAU GGU U Asp GUC GCC GAC GGC C G Val Ala Gly GUA GCA GAA GGA A Glu GUG GCG GAG GGG G Примечание: Использованы следующие сокращения названий аминокислот: Ala – аланин, Arg – аргинин, Asn - аспарагиновая кислота, Asp – аспарагин, Gin – гистидин, Cys – цистеин, Gly – глицин, Glu – глутамин, Gln – глутаминовая кислота, Ile – изолейцин, Leu – лейцин, Lys – лизин, Met - метионин, Phe – фенилаланин, Pro – пролин, Ser- серин, Tyr – тирозин, Thr – треонин, Trp – триптофан, Val – валин.

Рисунок 10. Генетический код (РНК-аминокислотный код) Основные свойства генетического кода следующие:

1) код триплетен; он читается группами по 3 нуклеотида. Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами, которые называют триплетом или кодоном. Кодон – минимальная единица функции. Он определяет включение в полипептидную цепь одной конкретной аминокислоты;

2) код универсален, т.е. у всех живых организмов одинаковые триплеты кодируют одинаковые аминокислоты. В 1962 г. Витманн и соавт.

показали, что принципы кода, установленные в опытах с бактериофагами, бактериями и млекопитающими, приложимы и к РНК-содержащим вирусам, генетическая информация которых записана в молекуле РНК. Это свидетельствует о единой генетической основе всей живой материи на Земле. Вот почемугены человека, введенные в клетку бактерии, способны кодировать синтез специфического белка. Это создает предпосылки для манипуляции генами, генной инженерии. Но эта универсальность не абсои и р и Т е т й нукле о т д ко до на ( -ко не ц) Пе р вый нукле о т д ко до на ( -ко не ц) лютна. Некоторые отклонения были обнаружены для митохондриальных геномов, что представляет интерес с точки зрения эволюции данных органелл. Так, у млекопитающих кодоны AUU, AUC, AUA кодируют изолейцин, а в митохондриях эти кодоны служат старт-сигналами. У дрожжей кодон CUA кодирует треонин вместо лейцина.

3) код неперекрывающийся, т.е. два соседних кодона не имеют общих нуклеотидов.

4) код не имеет “запятых”, т.е. считывается непрерывно с фиксированной (стартовой) точки в пределах гена в одном направлении (от 5- к 3концу). Считывание начинается на одном конце гена и заканчивается на другом. Два кодона AUG и GUG работают “по совместительству”. Они кодируют синтез метионина (AUG) или валина (GUG), если располагаются в структурной части гена. Если же они находятся в начале гена, то служат “старт-сигналами”. В конце гена стоят терминирующие кодоны (“стопсигналы”). К ним относятся в ДНК: ATT, ACT, ATC; в РНК: UAA, UAG или UGA. Они не кодируют аминокислот. Интервал между стартовым и стоп-кодоном называется открытой рамкой считывания (ORF). Рамки считывания могут перекрываться. При этом рамка считывания одного гена сдвинута на одну или две пары нуклеотидов от рамки считывания другого гена. Подобная ситуация называется “ген внутри гена” (перекрывающиеся гены ) и встречается у целого ряда вирусов (например, бактериофагов Х 174, Т4, вируса млекопитающих SV40). Но в каждом из перекрывающихся генов триплеты все также считываются с фиксированной точки (с разных стартовых точек одной и той же нуклеотидной последовательности). Присутствие перекрывающихся рамок считывания увеличивает генетическую емкость маленького генома вирусов.

Старт гена №G T T T A T G G T A C G C Старт гена №5) код вырожденный, т.е. одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами (кодонами-синонимами). Из 20 аминокислот только две кодируются одним кодоном: метионин – AUG и триптофан – UGG, остальные – двумя и более. Например, аминокислота лейцин коди руется шестью разными кодонами: UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG.

Этим объясняется избыточность кодонов. Большинство кодоновсинонимов различается только последним основанием триплета. Поэтому говорят, что код вырожден по третьемуоснованию. Например, аминокислота аланин кодируется четырьмя кодонами, различающимися по третьему основанию: GCU, GCC, GCA, GCG.

При считывании наследственной информации с мРНК положение первого основания триплета определяет рамку считывания. Поскольку генетический код триплетен, число возможных рамок считывания равно трем. Например, для последовательности ACG:

ACGACGACG CGACGACGA GACGACGAC В принципе нуклеотидная последовательность может транслироваться в любой из трех рамок считывания, каждая из которых определяет совершенно иную полипептидную цепь. Какая же из трех рамок считывается в действительности определяется местом, где начинается сборка рибосом в стадии инициации, т.е. где 2 субъединицы рибосом объединяются на молекуле мРНК и начинается синтез полипептида.

Изменения рамки считывания, связанные с выпадением или добавлением одного или нескольких нуклеотидов, нарушают последовательность аминокислот при сборке белка и приводят к мутации “сдвиг рамки считывания”. Именно мутации, обусловленные “сдвигом рамки считывания” составляют значительную долю спонтанных мутаций. Причиной появления такого типа мутаций может быть и воздействие некоторых химических веществ, например, акридиновых соединений. Деформируя структуру двойной спирали ДНК, они приводят к вставке дополнительных нуклеотидов. Вставки часто обеспечивают и мобильные генетические элементы. Причиной выпадения нуклеотидов может быть, например, рентгеновское облучение.

Успехи в расшифровке генетического кода были связаны с выяснением транслирующей роли молекул РНК: мРНК, рРНК, тРНК. Было установлено, что РНК – это “посланцы” генов, ответственные за внутриклеточную транспортировку генетической информации и ее преобразование в последовательность аминокислот в ходе трансляции или биосинтеза белка.

1.3.2.4. Пути переноса генетической информации в клетке Пути переноса генетической информации в клетке были обобщены Ф. Криком в 1956 г. в виде “Центральной догмы молекулярной биологии”, доработанной им в 70-х гг, согласно которой наследственная информация передается только в одном направлении:

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 11 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.