Что такое транскрипция в генетике. Транскрипция: синтез РНК на ДНК-матрице

Транскрипция - процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы, происходящий во всех живых клетках. Другими словами, это перенос генетической информации с ДНК на РНК.
В процессе транскрипции генов происходит биосинтез молекул РНК, комплементарных одной из цепей матричной ДНК, сопровождаемый полимеризацией четырех рибонуклеозидтрифосфатов (ATP, GTP, CTP и UTP) с образованием 3"–5"-фосфодиэфирных связей и освобождением неорганического пирофосфата.
Транскрипция катализируется ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой . Процесс синтеза РНК протекает в направлении от 5"- к 3"- концу, то есть по матричной цепи ДНК РНК-полимераза движется в направлении 3"->5"
РНК-полимеразы могут состоять из одной или нескальких субъединиц. У митохондрий и некоторых бактериофагов, например SP6, T7 с небольшим числом генов простых геномов, где отсутствует сложная регуляция РНК-полимераза состоит из одной субъединицы. Для бактерий и эукариот, с большим числом генов и сложными системами регуляции РНК-полимеразы состоят из нескольких субъединиц. Показано, что фаговые РНК-полимеразы состоящие из одной субъединицы могут взаиодействовать с белками бактерий, которые меняют их свойства [Патрушев, 2000].
У прокариот синтез всех видов РНК осуществляется одним и тем же ферментом.
У эукариот - 3 ядерные РНК-полимеразы, митохондриальные РНК-полимеразы, хлоропластные РНК-полимеразы.
Субстратами для РНК-полимераз служат рибонуклеозид-трифосфаты (активированные нуклеотиды). Весь процесс транскрипции осуществляется за счет энергии макроэргических связей актвированных нуклеотидов.

Первый нуклеотид в РНК всегда пурин в форме трифосфата.
Факторы транскрипции - белки взаимодействующие с друг другом, регуляторными участками ДНК и РНК-полимеразой с образованием транскрипционного комплекса и регулирующие транскрипцию. Благодаря факторам транскрипции и регуляторным последовательностям генов становится возможным специфический синтез РНК.
Принципы транскрипции
комплиментарность - mRNA комплиментарна матричной цепи ДНК и аналогична кодирующей цепи ДНК
антипараллельность
униполярность
беззатравочность - РНК-полимераза не требует праймера
асимметричность
Стадии транскрипции

1. распознавание промотора и связывание - РНК-полимераза связывается с ТАТА-боксом 3’-промотора при помощи основных факторов транскрипции, дополнительные факторы ингибируют или стимулируют присоединение
2. инициация - образование первой фосфодиэфирной связи между Pu и первым нуклеотидом. К пуринтрифосфату присоед нуклеотид комплиментарный второму нуклеотиду ДНК с отщеплением пирофосфата от нуклеозидтрифосфата с образ диэфирной связи
3. элонгация (3’→5’)- мРНК гомологичная нематричной (кодирующей, смысловой) ДНК, синтезируется на матричной ДНК; какая из двух цепей ДНК будет матрицей, определяется направлением промотора
4. терминация

Транскрипционные фабрики

Существует ряд экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что транскрипция осуществляется в так называемых транскрипционных фабриках: огромных, по некоторым оценкам, до 10 МДа комплексах, которые содержат около 8 РНК-полимераз II и компоненты последующего процессинга и сплайсинга, а также пруф-ридинга новосинтезированного транскрипта. В ядре клетки происходит постоянный обмен между пулами растворимой и задействованной РНК-полимеразы. Активная РНК-полимераза задействована в таком комплексе, который в свою очередь является структурной организовывающей компактизацию хроматина единицей. Последние данные. свидетельствуют о том, что транскрипционные фабрики существуют и в отсутствие транскрипции, они фиксированы в клетке (пока не ясно, взаимодействуют ли они с матриксом клетки или нет) и представляют собой независимый ядерный субкомпартмент. Попытки выделить белковый функциональный комплекс транскрипционной фабрики пока не привели к успеху ввиду его огромных размеров и низкой растворимости.

1. Инициация - первый этап транскрипции, в ходе которого происходит связывание РНК-полимеразы с промотором и образование первой межнуклеотидной связи.

У бактерий холофермент РНК-полимераза непосредственно узнает определенные последовательности нуклеотидных пар в составе промотора: последовательность 5-ТАТААТ-3 (расположена на расстоянии 10 нуклеотидов от точки начала транскрипции и называется боксом Прибнова) и последовательность 5-ТТГАЦА-3 (удалена от точки начала транскрипции на 35 нуклеотидов). В некоторых оперонах, например в лактозном, необходимо предварительное взаимодействие с промотором дополнительного белка (САР изменяет структуру промотора, резко повышая его сродство к РНК-полимеразе).

РНК-полимеразы эукариот не способны самостоятельно связываться с промоторами транскрибируемых генов. В присоединении к транскриптонам РНК-полимераз принимают участие общие факторы транскрипции (TF). Они отличаются от σ-факторов прокариот тем, что могут связываться с ДНК независимо от РНК-полимеразы. Полимеразы I, II и III требуют присутствия разных факторов транскрипции, обозначаемых TF I, TF II и TF III соответственно. Промоторы эукариот устроены более сложно, чем прокариотические, и состоят из нескольких элементов. Из низ самым близким к точке начала транскрипции является ТАТА-домен, называемый также доменом Хогнесса. Затем следуют домены ЦААТ и ГЦ. Промоторы эукариот могут содержать различные комбинации этих элементов, но ни один из них не встречается во всех промоторах. Домен ЦААТ играет существенную роль в инициации транскрипции, ТАТА и ГЦ, по-видимому, выполняют вспомогательные функции.

Связавшись с промотором, РНК-полимераза вызывает локальную денатурацию ДНК, т. е. разделение цепей ДНК на протяжении примерно 15 нуклеотидных пар. Образуется транскрипционный «глазок». Первым в строящуюся цепь РНК включается пуриновый нуклеотид - АТФ или ГТФ, при этом все три его фосфатных остатка сохраняются. После образования первой фосфодиэфирной связи σ-фактор у бактерий теряет связь с ферментом, и оставшийся core -фермент начинает перемещаться по ДНК. РНК-полимераза эукариот после инициации транскрипции также теряет связь с транскрипционными факторами и перемещается по ДНК самостоятельно.

2. Элонгация - последовательное удлинение растущей цепи РНК. Перемещаясь вдоль двойной спирали ДНК, РНК-полимераза непрерывно раскручивает спираль впереди того участка, где происходит синтез РНК . На короткое время образуется так называемый открытый комплекс, внутри которого возникает РНК-ДНК-спираль длиной около 20 нуклеотидов
(рис. 30). Затем фермент (с помощью специального сайта) вновь закручивает

Рис. 30. Элонгация транскрипции

ДНК позади участка полимеризации. РНК-транскрипт выводится из комплекса через особый канал, свойственный РНК-полимеразе.

Скорость синтеза РНК у бактерий составляет около 30 нуклеотидов в секунду, однако она не постоянна и может несколько снижаться. Такие периоды называют паузами транскрипции.

Показано, что еще до образования гибрида РНК-ДНК РНК-полимераза переводит ДНК из В-формы в А-форму. В ней плоскости азотистых оснований не перпендикулярны оси спирали, а наклонены на 20 0 к перпендикуляру. Вероятно, это облегчает разъединение двух соседних азотистых оснований в цепи ДНК. Параметры РНК-ДНК-спирали также практически полностью идентичны характеристикам А-формы ДНК.

3. Терминация (окончание транскрипции) определяется особой нуклеотидной последовательностью ДНК, расположенной в зоне терминатора оперона.

В бактериальных оперонах выделяют два типа терминаторов:

- ρ (ро) - независимые терминаторы (I типа);

- ρ - зависимые терминаторы (II типа).

Рис. 31. ρ- независимая терминация транскрипции у бактерий

ρ-независимые терминаторы состоят из последовательностей, представляющих собой инвертированный повтор - палиндром (рис. 31), и располагаются за 16-20 нуклеотидных пар от точки терминации. Палиндромы (последовательности, которые читаются одинаково слева направо и справа налево) ρ- независимых терминаторов содержат большое количество Г-Ц-повторов. За этим участком на матричной цепи расположена олиго (А) - последовательность (4-8 адениловых нуклеотидов подряд). Транскрипция в области палиндрома приводит к тому, что в получившемся РНК-транскрипте быстро образуется устойчивый элемент вторичной структуры - «шпилька» - спирализованная область, содержащая комплементарные

Г-Ц-пары. «Шпилька» нарушает прочность связи ДНК-РНК в открытом комплексе. Кроме этого транскрипция олиго(А)-последовательности в матричной цепи ведет к образованию участка ДНК-РНК-гибрида, составленного из непрочных А-У пар, что также способствует разрушению контакта между ДНК и РНК.

ρ-зависимые терминаторы. Одним из факторов транскрипции прокариот является белок ρ . ρ -фактор - это имеющий четвертичную структуру белок, обладающий АТФ-азной активностью. Он способен связываться с 5-концом синтезируемой РНК длиной около 50 нуклеотидов. ρ -фактор движется по РНК с такой же скоростью, с которой РНК-полимераза движется по ДНК. Вследствие того что в терминаторе много Г-Ц-пар (с тремя водородными связями), РНК-полимераза в области терминатора замедляет ход, ρ -фактор ее догоняет, изменяет конформацию фермента, и синтез РНК прекращается (рис. 32).

На терминаторах обоих типов происходят три ключевых события:

Останавливается синтез РНК;

Цепь РНК освобождается от ДНК;

РНК-полимераза освобождается от ДНК.

Транскрипция в биологии - это многоступенчатый процесс считывания информации с ДНК, который является составляющей Нуклеиновая кислота является носителем генетической информации в организме, поэтому важно правильно ее расшифровать и передать другим клеточным структурам для дальнейшей сборки пептидов.

Определение «транскрипция в биологии»

Синтез белка является основным жизненно важным процессом в любой клетке организма. Без создания молекул пептида невозможно поддержание нормальной жизнедеятельности, т. к эти органические соединения участвуют во всех процессах метаболизма, являются структурными компонентами многих тканей и органов, играют сигнальную и регулирующую и защитную роли в организме.

Процесс, с которого начинается биосинтез белка, и есть транскрипция. Биология кратко разделяет его на три этапа:

1. Инициация.
2. Элонгация (нарастание цепи РНК).
3. Терминация.

Транскрипция в биологии - это целый каскад пошаговых реакций, в результате которых на матрице ДНК синтезируются молекулы РНК. Причем таким образом формируются не только информационные рибонуклеиновые кислоты, но также транспортные, рибосомальные, малые ядерные и другие.

Как и любой биохимический процесс, транскрипция зависит от множества факторов. Прежде всего, это ферменты, которые отличаются у прокариот и эукариот. Эти специализированные белки помогают инициировать и проводить реакции транскрипции безошибочно, что важно для качественного получения белка на выходе.

Транскрипция прокариот

Так как транкрипция в биологии - это синтез РНК на матрице ДНК, то в этом процессе главным ферментом является ДНК-зависимая РНК-полимераза. У бактерий существует только один вид таких полимераз для всех молекул

РНК-полимераза по принципу комплиментарности достраивает цепь РНК, используя матричную цепь ДНК. В составе этого фермента есть две β-субъединицы, одна α-субъединица и одна σ-субъединица. Первые две составляющие выполняют функцию образования тела фермента, а остальные две отвечают за удержание фермента на молекуле ДНК и узнавание промотерной части дезоксирибонуклеиновой кислоты соответственно.

Кстати, сигма-фактор служит одним из признаков, по которым распознается тот или иной ген. Например, латинская буква σ с индексом N означает то, что эта РНК-полимераза узнает гены, которые включаются при недостатке азота в окружающей среде.

Траскрипция у эукариот

В отличие от бактерий, у животных и растений транскрипция происходит несколько сложнее. Во-первых, В каждой клетке находятся не один, а целых три вида разных РНК-полимераз. Среди них:

1. РНК-полимераза I. Она отвечает за транскрипцию генов рибосомальных РНК (исключение составляет 5S РНК субъединицв рибосомы).
2. РНК-полимераза II. Ее задача состоит в синтезе нормальных информационных (матричных) рибонуклеиновых кислот, которые в дальнейшем участвуют в трансляции.
3. РНК-полимераза III. Функция этого вида полимераз заключается в том, чтобы синтезировать а также 5S-рибосомальную РНК.

Во-вторых, для узнавания промотора у эукариотических клеток недостачно иметь только полимеразу. В инициации транскрипции также участвуют специальные пептиды, которые называются TF-белками. Только с их помощью РНК-полимераза может сесть на ДНК и начать синтез молекулы рибонуклеиновой кислоты.

Значение транскрипции

Молекула РНК, которая образуется на матрице ДНК, впоследствии присоединяется к рибосомам, где с нее считывается информация и синтезируется белок. Процесс образования пептида очень важен для клетки, т.к. без этих органических соединений невозможна нормальная жизнедеятельность: они в первую очередь являются основой для важнейших ферментов всех биохимических реакций.

Транскрипция в биологии - это еще и источник рРНК, которые а также тРНК, которые участвуют в переносе аминокислот во время трансляции к этим немембранным структурам. Также могут синтезироваться мяРНК (малые ядерные), функция которых заключается в сплайсинге всех молекул РНК.

Заключение

Трансляция и транскрипция в биологии играют исключительно важную роль в синтезе белковых молекул. Эти процессы являются основной составляющей центральной догмы молекулярной биологии, которая гласит о том, что на матрице ДНК синтезируется РНК, а РНК, в свою очередь, является основой для начала формирования молекул белка.

Без транскрипции невозможно было бы считать информацию, которая закодирована в триплетах дезоксирибонуклеиновой кислоты. Это еще раз доказывает важность процесса на биологическом уровне. Любая клетка, будь она прокариотическая или эукариотическая, должна постоянно синтезировать новые и новые молекулы белка, которые нужны в данный момент для поддержания жизнедеятельности. Поэтому транскрипция в биологии - это основной этап в работе каждой отдельной клетки организма.

Экспрессия всех генов начинается с транскрипции их нуклеотидной последовательности. Транскрипция - это процесс перевода информации, записанной на языке последовательности дезоксирибонуклеотидов в смысловой цепи ДНК на язык последовательности рибонуклеотидов в мРНК. При этом определенный участок одной из двух цепей ДНК (антисмысловой) используется как матрица для синтеза РНК путем комплементарного спаривания оснований.

Ферментами, катализирующими процесс транскрипции, служат ДНК-зависимые РНК-полимеразы. Причем у прокариот, например, в клетках кишечной палочки обнаружен лишь один тип этого фермента, который синтезирует все три типа РНК (мРНК, тРНК, рРНК). В отличие от них эукариоты имеют три разные ДНК-зависимые РНК-полимеразы, каждая из которых ответственна за транскрипцию генов, кодирующих разные типы клеточных РНК. Наилучшим образом процесс транскрипции, а также его ферментативное оснащение изучены у прокариот. Бактериальные РНК-полимеразы - это сложные белки, состоящие из нескольких разных субъединиц. Наиболее изученный фермент - холофермент РНК-полимераза E. coli, который содержит пять разных полипептидных субъединиц: две a-цепи, одну b- и одну b’-цепи, s- и w-цепи. Альтернативная форма фермента, называемая кором или миниферментом , лишена s-субъединицы. Кор-фермент катализирует большинство реакций транскрипции ДНК в РНК, однако не может инициировать синтез РНК в нужном месте, поскольку не способен узнавать промоторные сайты. Точное связывание и инициация в промоторах происходят только после добавления к кор-ферменту sd-субъединицы и образования холофермента.

Как и другие матричные процессы, транскрипция включает 3 стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.

Инициация транскрипции . Для этого процесса необходимы: холофермент, специальная последовательность нуклеотидов в ДНК (промотор) и набор нуклеозидтрифосфатов. Транскрипция инициируется при образовании стабильного комплекса между холоферментом и специфической последовательностью, называемой промотором и располагающейся в начале всех транскрипционных единиц. Промотор - это участок молекулы ДНК, состоящий примерно из 40 пар нуклеотидов и расположенный непосредственно перед участком инициации транскрипции. В нем различают две важные и достаточно консервативные по составу последовательности. Одна из них состоит из шести или семи нуклеотидов (чаще ТАТААТ) и расположена на расстоянии примерно 10 нуклеотидов от первого транскрибируемого нуклеотида (+1); этот сигнал обычно обозначают как-10-последовательность, или Прибнов-Бокс- в честь ее первооткрывателя. В данном сайте РНК-полимераза связывается с ДНК. Вторая последовательность расположена на расстоянии ~ 35 нуклеоти-дов до сайта инициации и служит участком распознавания промотора РНК-полимеразой (рис. 3.1).

Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетение двойной спирали ДНК и образуется открытый промоторный комплекс. В нем происходит копирование последовательности нуклеотидов смысловой, или (+)-цепи ДНК, имеющей направление 5→3’. При этом синтез мРНК всегда начинается с нуклеотидов А или G. Вторая, антисмысловая цепь ДНК, служит матрицей для синтеза цепочки РНК (рис. 3.2).

Транскрипция аналогична репликации в том смысле, что порядок присоединения рибонуклеотидов определяется комплементарным спариванием оснований (рис. 3.2). После формирования первых нескольких фосфодиэфирных связей (обычно 5- 10) d-субъединица отделяется от инициирующего комплекса, и дальнейшая транскрипция осуществляется с помощью кор-фермента.

Элонгация транскрипции . Растущая цепь РНК остается связанной с ферментом и спаренной своим растущим концом с участком матричной цепи. Остальная часть образовавшейся цепи не связана ни с ферментом, ни с ДНК. По мере продолжения транскрипции движущийся вдоль цепи ДНК корфермент действует подобно застежке «молния», расплетая двойную спираль, которая замыкается позади фермента, и восстанавливается ее исходная дуплексная структура. «Раскрытая» ферментом область ДНК простирается всего на несколько пар нуклеотидов (рис. 3.3).

Наращивание РНК идет в направлении от 5’- к 3’-концу вдоль матричной (-) цепи, ориентированной в направлении 3’→5’, т. е. антипараллельно. Транскрипция непрерывно продолжается до тех пор, пока фермент не достигнет сайта терминации транскрипции.

Терминация транскрипции . Последовательности ДНК, являющиеся сигналами остановки транскрипции, называются транскрипционными терминаторами. Они содержат инвертированные повторы, благодаря чему 3’-концы РНК-транскриптов складываются с образованием шпилек разной длины (рис. 3.4).

Обнаружены два типа сигналов терминации - r-зависимый и r- независимый терминаторы. r - это олигомерный белок, прочно связывающийся с РНК и в этом состоянии гидролизующий АТР до ADP и неорганического фосфата. В одной из моделей действие r-белка объясняется тем, что он связывается с синтезируемой цепью РНК и перемещается вдоль нее в направлении 5’→3’ к месту синтеза РНК; необходимая для его перемещения энергия выделяется при гидролизе АТР. Если r-белок наталкивается на образующуюся в РНК шпильку, он останавливает полимеразу, которая могла бы продолжить транскрипцию. Механизм r-независимой терминации изучен хуже, в нем остается много неясного.

В большинстве случаев первичные транскрипты, образующиеся описанным выше способом, не являются зрелыми молекулами РНК, а требуют процесса созревания, который называется процессингом РНК. Процессинг сильно отличается для прокариотических и эукариотических РНК.

У прокариот первичные транскрипты, сформированные при транскрипции генов, кодирующих белки, функционируют в качестве мРНК без последующей модификации или процессинга. Причем трансляция мРНК часто начинается даже до завершения синтеза 3’-конца транскрипта. Совсем иная ситуация наблюдается для молекул прокариотических рРНК и тРНК. В этом случае кластеры рРНК- или тРНК-генов часто транскрибируются с образованием единой цепи РНК. Для формирования зрелых функциональных форм должны произойти специфическое надрезание первичных РНК-транскриптов и модификация. Эти молекулярные события и называют процессингом РНК или посттранскрипционной модификацией . Начальное расщепление первичных транскриптов на фрагменты, содержащие либо тРНК, либо 16S-, 23S- , или 5S-рРНК-последовательности, осуществляет эндонуклеаза РНК-аза Ш. Ее мишенями служат короткие дуплексы РНК, образующиеся при внутримолекулярном спаривании оснований в последовательностях, фланкирующих каждый из РНК-сегментов. Эти комплементарные последовательности формируют шпильки, в составе которых РНК-аза вносит разрывы, после чего лишние последовательности спейсерных областей удаляются другими РНК-азами. Молекулы тРНК вначале синтезируются в виде про-тРНК, которая на ~ 20 % длиннее, чем зрелая. Лишние последовательности, расположенные у 5’ и 3’-концов, удаляются рибонуклеазами Q и P. Кроме этого, для образования зрелой функциональной тРНК, по-видимому, должны произойти специфическая модификация оснований и присоединение одного, двух или всех трех нуклеотидов 3’-ССА-конца (акцепторная ветвь).

Созревание РНК у эукариот осуществляется гораздо сложнее. Во-первых, у эукариот существует ядро, которое отделено от цитоплазмы ядерной мембраной. В ядре осуществляется образование первичных транскриптов, которые имеют бульшую длину, чем цитоплазматическая мРНК, участвующая в трансляции. Следовательно, образованию зрелой мРНК у эукариот должно предшествовать удаление интронов из последовательности гяРНК- транскрипта (этот процесс называется сплайсингом от англ. to splice -сплетать, сращивать). После удаления последовательностей, соответствую-щих интронам, происходит соединение участков, которые транскрибированы с экзонов . Сплайсинг катализируется комплексами белков с РНК (мяРНП), которые, взаимодействуя с гяРНК, образуют сплайсому . Полагают, что каталитической активностью в сплайсоме обладает РНК-составляющая. Такие РНК называют рибозимами . Место сплайсинга определяется в сплайсомах с высокой точностью, поскольку ошибка даже в 1 нуклеотид может привести к искажению структуры белка. Для точного узнавания в составе интронов есть специфические последовательности - сигналы.

Кроме сплайсинга, мРНК у эукариот подвергается модификации: на 5’- конце синтезируется «кэп» (шапочка) - структура, представляющая собой метилированный остаток гуанозинтрифосфата, который защищает РНК от гидролиза 5’-экзонуклеазами. На 3’-конце про-мРНК синтезируется полиаденилатная последовательность длиной 150-200 нуклеотидов, которая называется «шлейф». Эти структуры принимают участие в регуляции экспрессии эукариотических генов. Процессинг рРНК и тРНК у эукариот осуществляется аналогично таковому у прокариот.