WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 11 |

ДНК ДНК РНК белок репликация транскрипция трансляция Последующие научные достижения ученых внесли коррективув эту схему (рисунок 11).

I. Основной (классический=общий) путь переноса генетической информации (помеченный на схеме сплошной линией):

- ДНКДНК (воспроизведение информации при репликации ДНК) - ДНКРНКбелок (транскрипция и трансляция).

II. Специализированный перенос генетической информации в клетке (более редкий), помеченный на схеме пунктирными линиями:

- РНКРНК (репликация РНК, т.е. синтез РНК по РНК-матрице).

Этот процесс происходит с помощью фермента РНК-репликазы у РНКсодержащих вирусов, у которых РНК является геномной.

- РНКДНК (обратная транскрипция).

- ДНКбелок: от ДНК непосредственно к белкам: (трансляция белка). Было показано, что в присутствии некоторых антибиотиков (например, стрептомицина) рибосомы могутсвязываться с одноцепочечными кольцевыми ДНК и непосредственно их транслировать. Перенос этого типа в природе не найден и наблюдался только в лабораторных условиях.

Все вышеперечисленные пути переноса информации осуществляются на матричной основе.

III. Невозможные (запрещенные) пути переноса: белокбелок, белокДНК, белокРНК. Белок не может служить матрицей для синтеза ДНК или РНК, т.к. у молекул белка нет свойства комплементарности отдельных частей молекулы, что позволило бы использовать ее как матрицу.

Это означает, что модификации белков (генных продуктов) не наследуются.

ДНК РНК Белок Рисунок 11. “Центральная догма молекулярной биологии” (Крик,1970) Сплошные стрелки показывают обычный (основной) путь переноса генетической информации, пунктирные – более редкие (специализированные) пути, также существующие в природе.

1.3.2.5. Обратная транскрипция В 1970 г. Х. Темин и Д. Балтимор открыли в РНК-содержащих онкогенных вирусах, трансформирующих нормальные клетки в раковые (ретровирусах), фермент обратную транскриптазу, катализирующую синтез ДНК на матрице РНК. Когда вирус попадает в клетку-хозяина, обратная транскриптаза (она же РНК зависимая ДНК-полимераза или ревертаза) обеспечивает синтез комплементарной ДНК (кДНК) на матрице вирусной РНК, подготавливая ее для интеграции в геном клетки инфицированного организма. Ретровирусы содержат 2 копии одноцепочечной молекулы РНК генома, т.е. вирусы этого типа являются единственной разновидностью диплоидных вирусов. Впервые такой вирус был описан Раусом в 1911 г, обнаружившим инфекционную саркому укур. ДНК-копии ретровирусного генома встраиваются в ДНК хромосом клеток инфицированного хозяина в виде провируса. В начале 1970-х гг. были получены данные, что в вирусе саркомы Рауса содержится гены (онкогены ), транскрипция которых вызывает злокачественное перерождение инфицированных клеток. В 1981 г.

был выделен первый онкоген из вируса саркомы курицы - src. Введение его в клетку без вируса вызывало трансформацию клетки. Т.е. вирусы вызывают опухоль не сами по себе, а внося в генетический аппарат клетки онкоген и закрепляя его в геноме. Измененные свойства опухолевых клеток наследуются, так как провирус реплицируется вместе с хромосомой клетки -хозяина. На ДНК-копии ретровирусов строится РНК-копия, которая в дальнейшем включается в вирион (собственно вирусная частица) или служит промежуточной стадией при перемещении вируса в новую точку локализации. Мигрируя, некоторые вирусы могутзахватывать гены хозяи на и переносить их не только в новое место в геноме, но и от организма к организму. Это так называемый горизонтальный перенос генов. Побывав в геноме вируса, прежде нормальные гены хозяина приобретают трансформирующую способность, т.е. становятся онкогенами. Методами молекулярной биологии было показано, что онкогены имеют сходное строение с нормальными генами человека и животных. Таким образом, современная генетическая теория рака – это теория онкогенов.

К группе ретровирусов относится вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), вызывающий у человека синдром приобретенного иммунодефици та (СПИД). На вирусной молекуле РНК с помощью обратной транскриптазы также синтезируется кДНК, встраивающаяся в геном. Причем, провирус может в течение длительного времени оставаться в скрытом неэкспрессируемом состоянии. Однако под действием провокационных, стрессовых факторов (ионизирующее излучение, канцерогены и др.) эти бездействующие гены могутактивизироваться. В результате транскрипции провирусной ДНК и сборки вирусных частиц клетка-хозяина гибнет. Эта болезнь сопровождается развитием у больных глубокой иммунной недостаточности, проявляющейся в том, что безопасные для здорового человека микроорганизмы приобретают способность вызывать тяжелые инфекционные заболевания.

Обратной транскриптазой является фермент теломераза, катализирующая синтез теломерной ДНК. В состав этого фермента помимо двух субъединиц белкового компонента входит также РНК, используемая теломеразой в качестве матрицы для синтеза теломерной ДНК. В этом заключается уникальность теломеразы. На сегодняшний день она единственная РНК-содержащая обратная транскриптаза.

1.3.2.6. Конформационные матрицы (“белковая наследственность”) Открытие структуры ДНК утвердило матричный принцип в биологии, который был предсказан в 20-е годы XX столетия Н.К. Кольцовым.

Все фундаментальные генетические процессы, протекающие в клетке: репликация ДНК, транскрипция, трансляция и, наконец, репарация возни кающих в ходе них повреждений, являются матричными. При этом нити молекул ДНК и РНК служат линейными матрицами, по которым в соответствии с принципом комплементарности строятся новые молекулы при прохождении упомянутых процессов, лежащих в основе воспроизведения и реализации генетической информации. Однако в конце 90-х годов XX века был установлен еще один тип матриц – конформационный (или пространственный, в отличие от линейных матриц – ДНК, РНК), определяющий пространственную укладку полипептидов. Этот тип матриц характерен для белков – прионов – инфекционных агентов, вызывающих тяжелейшие заболевания у людей и животных.

Ряд нейродегенеративных заболеваний (губчатых энцефалопатий) человека и других млекопитающих связан с белковой инфекцией. К числу таких болезней у людей относят куру, семейную смертельную бессонницу, синдром Кройцфельда-Якоба, болезнь Герштмана-Штросслера-Шайнкера, а также заболевания животных: скрэпи овец и коз (или вертячка), аналогичные заболевания оленей, норок, мышей, крыс, хомяков, кошек и, наконец, губчатая болезнь мозга крупного рогатого скота (“коровье бешенство”), распространившиеся в последние годы в Англии.

Одну из таких болезней у человека, куру, или “смеющуюся смерть” открыл в Новой Гвинее в племени форе Даниель Карлтон Гайдушек в середине 50-х годов. Симптомы – прогрессирующее нарушение координации движений, сопровождаемое приступами беспричинного смеха и заканчивавшееся летальным исходом. Болезнь признали инфекционной, а причиной ее распространения оказался ритуальный каннибализм в племени форе. Характерной особенностью головного и спинного мозга умышей, инфицированных скрэпи, является наличие белковых тяжей, представляющих собой агрегаты одного из белков нервной системы. Кроме того, спинной и головной мозг больных людей и животных напоминает губку, откуда и пошло общее название этой группы заболеваний – губчатые болезни мозга. Белок, составляющий эти тяжи (обозначенный как PrPSc от scrapie) имеет туже первичную структуру, что и нормальный белок (обозначение PrPС от cellular - клеточный) здоровых людей.

В 1997 г. С. Прусинер получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за разработку концепции прионов. Эта концепция объяснила механизм инфекции при упомянутых выше заболеваний людей. Доказано, что инфекционный агент представляет собой белок - прион. Противоречит ли это Центральной догме Вовсе нет, поскольку вскоре выяснилось, что нет приона без структурного гена. Прион – инфекционный агент не реплицируется сам по себе. Он синтезируется, как положено белкам, на рибосомах. Его кодирует структурный ген (PRNP), который картирован у человека на коротком плече 20-й хромосомы и является очень консервативным у всех млекопитающих. Инфекционный прион (PrPSc) возникает на посттрансляционном этапе в результате конформационных изменений (т.е.

изменений пространственной структуры, характера укладки ) нормального прионного белка (PrPС): PrPС PrPSc. Известны так называемые линии, или штаммы приона, т.е. его формы, различающиеся инфекционностью и инкубационным периодом. Эти различия между линиями приона объясняют существованием разных конформационных форм белка PrPSc. При этом его первичная структура остается неизменной.

В то же время на уровне белка действительно работает механизм воспроизведения, но не аминокислотной последовательности, а конформации. Белок прион – это производное одного из полипептидов, работающих в нервной системе. Его функция точно не известна до сих пор. Прион как патогенная форма белка может появиться в организме в результате инфекции или в результате спонтанного превращения конформации белка предшественника. Далее прион распростаняется в нервной системе, но не посредством репликации, а в результате конформационной перестройки всех вновь синтезируемых гомологичных нормальных полипептидов “по своемуобразуи подобию”. Таким образом, явление прионизации - матричный процесс, осуществляемый во время посттрансляционных перестроек белков. Поэтомунекоторые ученые называют это явление “белковой наследственностью” или наследственностью без ДНК.

Явление прионов характерно не только для млекопитающих. В 1994г. прионоподобные белки были идентифицированы у низшего эукариота – удрожжей Saccaromyces cerevisiae, а вскоре у другого гриба – Podospora anserina. У этих организмов прионы по своей первичной структуре не имеют ничего общего с прионами млекопитающих, с белками нервной системы. Единственной общей структурной характеристикой у них является обогащение полипептидных цепей некоторыми аминокислотными остатками, в частности, глутамином и аспарагином, представленными в виде тандемных повторов. Другой общей характеристикой прионов разных организмов является их способность перестраивать вторичную и третичную структуру вновь синтезируемых полипептидных цепей по типу прионов.

При этом они становятся обогащенными -слоями по отношению к содержанию -спиралей в сравнении с белками-предшественниками. Белки, претерпевшие конформационные перестройки (обогащение -слоями), приобретают ряд новых свойств, прежде всего способность к агрегации за счет взаимодействия -слоев и к образованию амилоидных тяжей и бляшек, собирающихся в более крупные агрегаты. При этом частично или полностью теряется собственная функциональная активность прионизирующихся белков. Прионы различного происхождения более устойчивы к разрушению температурными воздействиями, кислотному гидролизу и протеолизу нежели их белки -предшественники с нормальной конформа, цией. Считают, что механизм, лежащий в основе такого превращения, может иметь общие черты с явлением кристаллизации, направляемой конформационными или стерическими матрицами. Роль таких конформационных матриц играют предсуществующие молекулы прионов.

Дрожжи – очень удобный объект для изучения прионов и связанных с ними явлений, поскольку прионы у этого объекта можно изучать как цитоплазматические наследственные факторы (т.е. неядерные и немитохондриальные факторы, передающиеся с цитоплазмой). Именно так был открыт первый прион дрожжей – фактор PSI, который почти 30 лет оставался неким полумистическим носителем наследственной информации, для которого не удавалось найти никаких нуклеиновых кислот в качестве материального субстрата. В конце концов, структурный ген (SUP35), кодирующий PSI-фактор был идентифицирован, а природа самого PSI-фактора была объяснена на основании предположения о прионном преобразовании белкового продукта этого структурного гена (SUP35) – фактора терминации трансляции eRF3, узнающего стоп-кодоны и прекращающего трансляцию. Мутации в гене SUP35 приводят к считыванию кодоновтерминаторов, т.е. к супрессии нонсенсов, почемуон и назван SUP, т.е. супрессором. Прионизация eRF3 и образование прионных белковых агрегатов также сопровождается частичным нарушением терминации трансляции. Это приводит к четкому фенотипическому эффекту: нонсенссупрессии - все три типа стоп-кодонов, или сигналы прекращения роста молекулы белка (UAA, UAG, UGA) читаются как значащие кодоны в присутствии PSI-фактора (но не в результате мутации гена). Наблюдается сверхэкспрессия гена SUP35. Итак, функциональный белок гена SUP35 - eRF3 узнает стоп-кодоны и прекращает трансляцию, в результате чего синтезируется усеченный нефункциональный белок Ade1 и дрожжи не растут на среде без аденина - клетки psi- (рисунок 12). Прионизация белка eRFSUP ген + - eRFклетки [ PSI ] клетки [ psi ] мРНК ade I мРНК ade I UGA UGA Прионные агрегаты Функциональный белок eRF3 неузнают стоп-кодон eRF3 узнает стоп-кодон UGA, и он прочитывается UGA, возникший на месте как значащий значащего В результате синтезируется В результате cинтезируусеченный нефункциональется полный функциональAde I ный белок и ный белок AdeI и дрожжи дрожжи нерастут растут на среде без на среде без аденина аденина Рисунок 12. Фенотипическое проявление прионизации фактора терминации трансляции eRF3, кодируемого геном SUP35 у дрожжей Saccharomyces cerevisiae (Инге-Вечтомов и др., 2004).

приводит к тому, что он не узнает стоп-кодоны и прочитывает их как значащие. В результате синтезируется полный функциональный белок Ade1 и дрожжи растутна среде без аденина - клетки PSI+ (рисунок 12). Т.е. нонсенс-супрессия – фенотипическое проявление прионизации фактора терминации трансляции eRF3, кодируемого геном SUP35.

Подобно прионам млекопитающих прионы грибов представляют собой конформационные варианты обычных клеточных белков. Образовавшиеся агрегаты приона после периода роста образуют так называемые семена, которые попадают в дочерние клетки и тем самым служат в них центрами кристаллизации новых прионных агрегатов. Таким образом, можно следить за наследованием приона PSI в митозе и мейозе, отслеживая супрессорный фенотип.

Особенностью и преимуществом дрожжевой модели является возможность изгнания приона, “вылечивания” клетки, действуя на них небольшими концентрациями (5мМ) гидрохлорида гуанидина. Однако такое изгнание обратимо: в клетках могут вновь появляться PSI-прионы. Эти факты были одним из первых аргументов в пользу наличия в геноме дрожжей структурного гена, кодирующего загадочный в то время PSIфактор (дрожжевой прион).

Кроме того, использование дрожжевой системы позволило однозначно доказать участие белков-шаперонов, ответственных за складывание других белков клетки, в образовании и воспроизведении прионов. Для превращения (прионизации) белка eRF3 в PSI-фактор необходима оптимальная экспрессия гена HSP104, кодирующего один из шаперонов дрожжей. Инактивация, а также сверхэкспрессия этого гена приводит к потере PSI-фактора. Т.е. если белки -шапероны дефектны, то PSI-фактор не образуется и не воспроизводится, если он уже присутствовал в клетке. Физическое взаимодействие дрожжевого шаперона HSP104 с eRF3 дрожжей и белком млекопитающих PrРC показано in vitro.

1.3.3. Трансляция Процесс перевода генетической информации с последовательности мРНК в последовательность аминокислот в молекуле полипептида (которые колинеарны ) осуществляется сложным макромолекулярным комплексом, включающим рибосомы, мРНК, амино-тРНК-синтетазы, белковые факторы инициации элонгации и терминации трансляции.

Рибосомы являются цитоплазматическими центрами биосинтеза белка. Они состоят из большой и малой субъединиц, различающихся коэффициентами седиментации (скоростью осаждения при центрифугировании), выражаемые в единицах Сведберга – S. Рибосомы эукариот отличаются от прокариотических. Полная эукариотическая рибосома обычно осаждается при 80S, а отдельные ее субъединицы при 60S и 40S. Рибосомы прокариот, а также митохондрий и хлоропластов меньше по размерам: 70S (полная рибосома), 50S и 30S (отдельные субъединицы ). Каждая субъеди ница представляет собой комплекс рРНК и рибосомных белков. Существует 4 типа молекул рРНК у эукариот (28S, 18S, 5,8S и 5S) и 3 типа упрокариот (16S, 23S и 5S), каждый из которых в полной (собранной) рибосоме представлен один раз. Причем, в состав малой субъединицы входит одна молекула рРНК, а в состав большой – 2 молекулы упрокариот и 3 молекулы рРНК у эукариот. Биосинтез белка идет только на тяжелых (собранных) рибосомах. В процессе биосинтеза белка происходит объединение рибосом в полисомы, которые нанизываются на молекулумРНК.

Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 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.