Созревание (процессинг РНК). Процессинг, сплайсинг

Это совокупность процессов обеспечивающих превращение синтезированной РНК (РНК-транскрипта) в функционально активные РНК (зрелые РНК), которые могут быть использованы при синтезе белков. Сами РНК-транскрипты функционально не активные. Процесс характерен для эукариот.

В результате процессинга изменяется структура и химическая организация РНК. РНК-транскрипт до образования зрелой РНК носит название про-иРНК (или в зависимости от вида РНК – про-тРНК, про-рРНК), т.е. предшественница РНК. Практически все РНК-транскрипты эукариот и прокариот(за исключением иРНК прокариот) подвергаются процессингу. Превращение РНК-транскрипта в зрелую РНК начинается в ядре, когда синтез РНК ещё не закончен и она не отделилась от ДНК. В зависимости от механизмов различают несколько этапов созревания РНК.

Взаимодействие про-иРНК с белком.

Метилирование про-иРНК.

Кэпирование 5’-конца.

Полиаденилирование.

Сплайсинг.

Графическая последовательность этапов изображена на рисунке 58. Следует отметить, что в живых организмах все вышеперечисленные процессы идут параллельно друг другу.

а. Взаимодействие про-иРНК с белком.

У бактерий ещё до окончания транскрипции 5 ’ конец транскрипта сразу же соединяется с рибосомой и иРНК включается в трансляцию. Поэтому, для бактериальной иРНК практически никакая модификация не требуется. У эукариот, синтезированный транскрипт выходит из ядра, попадает в цитоплазму и там соединиться с рибосомой. На своём пути он должен быть ограждён от случайных встреч с сильными реагентами и, в тоже время быть, доступен ферментам процессинга. Поэтому РНК-транскрипт сразу же по мере удлинения взаимодействует с белком. Здесь уместна аналогия – РНК-транскрипт располагается на белке как на операционном столе, он фиксируется химическими связями, одновременно в нём становятся доступными места модификации. РНК, связанная с белком, носит название рибонуклеопротеид (информосома). В такой форме транскрипт находится в ядре. При выходе из ядра одни РНК продолжают оставаться в соединении с белком, другие выходят из комплекса и принимают участие в трансляции.

б. Метилирование про-иРНК.

Чаще всего происходит у бактерий, у которых имеется специальный аппарат защиты от чужеродной

ДНК (вирусной, фаговой). Этот аппарат состоит из целого ряда ферментов разрезающих чужеродную ДНК или РНК в определённых сайтах в которой находится специфическая последовательность нуклеотидов. Ферменты носят название – рестриктазы . Понятно, что собственный, только что синтезированный РНК-транскрипт, также может быть подвергнут атаке рестриктаз. Чтобы это не случилось специальные ферменты, называемые метилазы, метилируют собственный РНК-транскрипт в тех сайтах, которые могут быть разрезаны собственными ферментами. У эукариот РНК-транскрипт метилируется в меньшей степени.

Промотор Терминатор

Транскрипция

Про-иРНК фикси- Белок

рванная на белке

Метилирование про-иРНК

Кэпирование про-иРНК

Рис. 58. Схема основных моментов процессинга.

в. Кэпирование 5’конца.

Заключается в химическом и конформационном изменении

5’конца синтезированной РНК. Кэпирование происходит в момент синтеза РНК, ещё до её отделения. Процесс заключается в присоединении к свободному концу про-РНК специальных химических веществ, которые изменяют конформацию концевого участка. Кэпирование необходимо для инициации процесса трансляции.

Специальные ферменты присоединяют к 5’концу про-иРНК ГДФ (гуанозиндифосфат), а затем метилируют его.

5’ про-иРНК

СН 3

КЭП = ГДФ + СН 3

Рис.59. Структура КЭПа на 5’конце пре-иРНК эукариот.

Функции КЭПа.

Инициирует синтез белка.

Предохраняет про-иРНК от распада.

Участвует в удалении интронов.

г. Полиаденилирование.

Это процесс присоединения к 3’ концу про-иРНК 100 – 200 остатков адениловой кислоты. Эти остатки носят название поли-А последовательности (поли-А хвосты). Полиаденилированию подвергаются не все про-иРНК. Например, молекулы всех типов гистонов не содержат поли-А последовательности. Полиаденилирование предохраняет иРНК от разрушения.

На растущей цепи и-РНК имеется специальная последовательность нуклеотидов (ААУААА). Особый фермент (полиА-полимераза) находит это сочетание нуклеотидов, разрезает про-иРНК в этом месте и формирует полиадениловый хвостик.

Значение поли –А последовательностей:

Облегчают выход иРНК из ядра в цитоплазму.

Предохраняют иРНК от разрушения.

Недавно было выявлено ещё одно интересное свойство поли-А последовательностей – они участвуют в терминации синтеза про-иРНК. РНК-полимераза, формируя последовательность ААУААА в про-иРНК, получает сигнал о завершении синтеза РНК-транскрипта. Но синтез сразу не прекращается. Полная остановка его наступает после того, как РНК-полимераза встречает на матричной нити ДНК специфическую последовательность нуклеотидов (у разных генов она разная), которая и даёт окончательный сигнал о прекращении синтеза РНК.

ГТФ ПолиА - последовательность

рАрАрАрАрАрАрАрА-ОН

СН 3

КЭП = ГТФ + СН 3

Рис. 60. Структура КЭПа на 5’конце про-иРНК эукариот и полиадениловая последовательность на 3’конце про -иРНК.

д. Сплайсинг.

В РНК-транскрипте содержится определённое количество нуклеотидных последовательностей, которые были необходимы для успешного завершения трансляции и последующей модификации транскрипта (кэпирования, полиаденилирования и т.д.). Для выполнения основной роли РНК в цитоплазме – трансляции, эти последовательности не только не будут иметь функционального значения, но могут помешать нормальному течению синтеза белка. Поэтому в клетке предусмотрен механизм освобождения первичного транскрипта от целого ряда последовательностей, не имеющих решающего значения в трансляции.

К таким последовательностям прежде всего относят интроны.

Ген, с которого транскрибировалась про-иРНК содержит кодирующие и некодирующие последовательности. Кодирующие последовательности гена определяют аминокислоту и их последовательность в белке. Не кодирующие последовательности таким свойством не обладают. Кодирующие и некодирующие последовательности в гене чередуются, и их количество зависит от индивидуальных генов. В первичном транскрипте также содержатся кодирующие и некодирующие последовательности. Такая организация генов и про-РНК характерна для эукариот. Некодирующие последовательности про-иРНК носят название интроны , а кодирующие –экзоны. Длина интронов может быть от 50 до 12000 нуклеотидов. Ген начинается и

кончается экзоном. Прерывистое строение гена характерно для большинства эукариот. Интроны могут содержать все виды РНК – иРНК, тРНК, рРНК.

Вся совокупность экзонов (кодирующих белки) в геноме человека занимают всего 1,1 – 1,4 %. Средний ген человека содержит 9 интронов. По мере упрощения

организации организмов совокупная величина их экзонов возрастает (например у бактерий она равна 86%).

В вырезании интронов из РНК-транскрипта и сшивании оставшихся экзонов, принимает участие многокомпонентный комплекс. Основными его составляющими являются малые ядерные РНК (мяРНК) и белки-ферменты.

В целом комплекс носит название малые ядерные рибонуклеопротеиды, мяРНП или сплайосома . Сам процесс достаточно сложен и состоит из нескольких этапов (см. рис. 58).

1. Формирование сплайосомы . К началу и концу интрона прикрепляются фрагменты белка и мяРНК (рис. 56, Д) формируя сплайосому. (рис. 56, Д) Прикрепление комплекса мяРНП (рис. 56, Е).

Экзон 1 Интрон Экзон 2

Петля

интрона вырезана

Рис. 61. Схема сплайсинга (объяснение в тексте).

Сближение соседних экзонов, за счёт образования петли интрона. Разрезание на границе экзон-интрон и соединение соседних (первого и второго) экзонов(рис. 56, В).

Удаление и разрушение петли и сплайосоме (рис. 56, Г, Ж).

Необходимо отметить, что при повреждении (мутации) интрона сплайсинг может быть не закончен, интрон не вырезан и конченый продукт – иРНК будет нести несвойственные ей последовательности нуклеотидов. Понятно, что это может привести к нарушению трансляции и выключению из метаболизма определённого белка

е. Альтернативный сплайсинг.

Такой тип сплайсинга происходит при экспрессии одного и того же гена в разных тканях.

Сущность его в том, что один и тот же участок гена в разных тканях может выступать в качестве интрона и экзона. Это приводит к образованию разных иРНК, которые кодируют белки с различной ферментативной активностью.

Так в клетках щитовидной железы синтезируется гормон кальцитонин. Он тормозит высвобождение кальция из костей. Ген, контролирующий синтез каль-

Ген, контролирующий кальцитонин

э и э и э и э и э и э

1 2 3 4 5 6

э и э и э и э и э и э

про-иРНК

1 2 3 4 5 6

В щитовидной железе В клетках головного мозга

иРНК

1 2 3 4 1 2 3 5 6

Кальцитонин Кальцитонинподобный белок

Рис.62. Альтернативный сплайсинг кальцитонина и кальцитонин-подобного белка.

цитонина, состоит из 6 экзонов, первичный транскрипт этого гена (про-иРНК) также состоит из 6 экзонов (рис. 62). Из первичного транскрипта формируется зрелая иРНК содержащая 4 экзона – 1,2,3,4. Экзоны № 5 и 6 были прочитаны как интроны и вырезаны. На основе такой и РНК синтезируется кальцитонин. В клетках головного мозга из первичного транскрипта, содержащего 6 экзонов, формируется зрелая иРНК, состоящая из 5 экзонов – 1,2,3,5,6. Четвёртый экзон был вырезан как интрон. Такая иРНК контролирует синтез кальцитонинподобного белка, отвечающего за вкусовое восприятие.

Другой ген Icarus (в названного в честь легендарного Икара) способен обеспечить за счёт альтернативного сплайсинга синтез 6 различных полипептидов. Кроме этого полипептиды образуют между собой в клетке около 20 различные ансамбли из одних и тех же полипептидов или различных.

Нарушение механизма сплайсинга может привести к патологическим состояниям, которые носят общее название талассемии . К ним относят заболевания связанные с частичным или полным подавление синтеза одной из цепей гемоглобин (α- или β-цепей). Например, болезни, связанные с недостатком синтеза β -цепи гемоглобина, могут возникнуть в результате мутаций в двух участка гена, кодирующего β-цепь – в сайте ответственном за полиаденилирование и в одном из интронов. В первом случае нарушается процесс формирования полиаденилового хвостика и формируется неполноценная β-цепь гемоглобина. Во втором случае сплайосома не способна вырезать повреждённый интрон и зрелая иРНК β-цепи гемоглобина не образуется. В любом случае нормальная функция эритроцитов будет существенно нарушена.

МЗ. Процессинг (или созревание РНК) это процесс превращения только что синтезированной, не активной РНК (про-иРНК) в функционально активную РНК. Процесс связан со структурными и химическими модификациями про-иРНК. Происходит в ядре до момента выхода РНК в цитоплазму. Состоит из нескольких этапов: присоединение про-иРНК к белку, метилирование некоторых оснований, маркировка одного из концов, полиаденилирование другого (противоположного) конца, вырезания интронов и сшивание экзонов. Последние два процесса носят название сплайсинг.

Вопросы к экзаменам.

1. Каким образом ферменты определяют большинство мест, где имеется повреждение молекулы ДНК?

ОТВЕТ. В месте повреждения молекулы ДНК в большинстве случаев наступает локальная денатурация. Её и определяют ферменты.

2. Что происходит в месте повреждения молекулы ДНК?

ОТВЕТ. В месте повреждения наступает локальная денатурация.

3. На основании чего ферменты репарации восстанавливают необходимую последовательность нуклеотидов в месте повреждения одной нити ДНК?

ОТВЕТ. На основании принципа комплементарности к нуклеотидам оппозитного участка нити ДНК.

4. На основании чего ДНК-полимераза правильно застраивает нуклеотидами бреши в повреждённой нити ДНК?

ОТВЕТ. На основании принципа комплементарности нуклеотидов застраиваемой цепи к нуклеотидам оппозитной нити.

5. Какой тип репарации осуществляется ферментом, который активируется фотоном?

ОТВЕТ. Фотореактивация.

6. Какой фермент осуществляет репарацию используя энергию солнца?

ОТВЕТ. Фотолиаза.

Какой фермент принимает непосредственное участие в синтезе молекуле РНК?

ОТВЕТ. ДНК-зависимая РНК-полимераза или РНК-полимераза.

Перечислите периоды транскрипции.

ОТВЕТ. Инициация, элонгация, терминация.

Из каких компонентов состоит инициаторный комплекс в процессе транскрипции?

ОТВЕТ. Из специального белка осевшего на промотор, РНК-полимеразы и транскрипционных факторов.

9. Как называется участок ДНК, где формируется инициаторный комплекс в процессе транскрипции?

ОТВЕТ. На промоторе.

10. Как называется последовательность нуклеотидов у прокариот, которую определяет специальный белок осаждающий на промоторе в период инициации транскрипции?

ОТВЕТ. Блок Прибнова.

11. Как называется последовательность нуклеотидов у эукариот, которую определяет специальный белок осаждающий на промоторе в период инициации транскрипции?

ОТВЕТ. ТАТА-бокс.

12. Где в молекуле ДНК располагается блок Прибнова у прокариот?

ОТВЕТ. На промоторе.

13. Где в молекуле ДНК располагается ТАТА-бокс у эукариот?

ОТВЕТ. На промоторе.

14. Как называется ферментативный комплекс, который формирует транскрипционный глазок?

ОТВЕТ. Инициаторный комплекс.

15. Как называется участок молекулы ДНК с которого начинается синтез РНК?

ОТВЕТ. Стартовой точкой, сайт начала транскрипции.

16. Назовите нуклеотиды, которые находятся в терминаторе и возможно участвуют в прекращении транскрипции.

ОТВЕТ. Г,Ц.

17. Назовите вторичную структуру в терминаторе, которая возможно участвует в прекращении транскрипции,

ОТВЕТ. Шпилька.

18. Как называются кодоны находящиеся в терминаторе и возможно участвующие в прекращении транскрипции.

ОТВЕТ. Бессмысленные (нонсенс) кодоны.

Именно данная стадия отличает реализацию имеющейся генетической информации у таких клеток, как эукариоты и прокариоты.

Интерпретация данного понятия

В переводе с английского данный термин означает «обработка, переработка». Процессинг - это процесс образования зрелых молекул рибонуклеиновой кислоты из пре-РНК. Иначе говоря, это совокупность реакций, которые приводят к трансформации первичных продуктов транскрипции (пре-РНК разных типов) в уже функционирующие молекулы.

Что касается процессинга р- и тРНК, он чаще всего сводится к отсечению с концов молекул лишних фрагментов. Если говорить об иРНК, то здесь можно отметить, что у эукариот данный процесс протекает многоступенчато.

Итак, после того, как мы уже узнали, что процессинг - это превращение первичного транскрипта в зрелую молекулу РНК, стоит перейти к рассмотрению его особенностей.

Основные особенности рассматриваемого понятия

Сюда можно отнести следующие:

модификацию как концов молекулы, так и РНК, по ходу которой к ним присоединяются специфические последовательности нуклеотидов, показывающие место начала (конца) трансляции;
сплайсинг - отсечение неинформативных последовательностей рибонуклеиновой кислоты, которые соответствуют интронам ДНК.

Что касается прокариот, их иРНК не подвержена процессингу. Она имеет способность работать сразу по окончании синтеза.

Где протекает рассматриваемый процесс?

У любого организма процессинг РНК протекает в ядре. Он осуществляется посредством особых ферментов (их группой) для каждого отдельно взятого типа молекул. Также процессингу могут быть подвержены такие продукты трансляции, как полипептиды, которые непосредственно считаны с иРНК. Данным изменениям подвергаются так называемые молекулы-предшественники большинства белков - коллагена, иммуноглобулинов, пищеварительных ферментов, некоторых гормонов, после чего начинается реальное их функционирование в организме.

Мы уже узнали, что процессинг - это процесс образования зрелых РНК из пре-РНК. Теперь стоит углубиться в природу самой рибонуклеиновой кислоты.

РНК: химическая природа

Это представляющая собой сополимер пиримидиновых и пуриновых рибонуклеитидов, которые соединены друг с другом, точно так же, как и в ДНК, 3’ - 5’-фосфодиэфирными мостиками.

Несмотря на то что эти 2 вида молекул схожи, они отличаются по нескольким признакам.

Отличительные признаки РНК и ДНК

Во-первых, у рибонуклеиновой кислоты присутствует углеродный остаток, к которому примыкают пиримидиновые и пуриновые основания, фосфатные группы, - рибоза, у ДНК же - 2’-дезоксирибоза.

Во-вторых, отличаются и пиримидиновые компоненты. Сходными составляющими выступают нуклеотиды аденина, цитозина, гуанина. В РНК вместо тимина присутствует урацил.

В-третьих, РНК имеет 1-цепочечную структуру, а ДНК - 2-цепочечная молекула. Но в цепи рибонуклеиновой кислоты присутствуют участки с противоположной полярностью (комплементарной последовательностью), благодаря которым ее единичная цепь способна сворачиваться и образовывать «шпильки» - структуры, наделенные 2-спиральными характеристиками (как показано на рисунке выше).

В-четвертых, ввиду того, что РНК - одиночная цепь, которая комплементарна лишь 1-ой из цепей ДНК, гуанин не обязательно должен присутствовать в ней в таком же содержании, как и цитозин, а аденин - как урацил.

В-пятых, РНК можно гидролизовать щелочью до 2’, 3’-циклических диэфиров мононуклеотидов. Роль промежуточного продукта в гидролизе играет 2’, 3’, 5-триэфир, неспособный к образованию в ходе аналогичного процесса для ДНК ввиду отсутствия у нее 2’-гидроксильных групп. По сравнению с ДНК щелочная лабильность рибонуклеиновой кислоты выступает полезным свойством и для диагностических целей, и для аналитических.

Данная последовательность комплементарна генной цепочки (кодирующей), с которой происходит «считывание» РНК. Из-за данного свойства молекула рибонуклеиновой кислоты может специфически связываться с кодирующей цепью, однако не способна этого делать с некодирующей ДНК-цепью. Последовательность РНК, кроме замены T на U, аналогична той, которая относится к некодирующей цепи гена.

Типы РНК

Практически все они вовлечены в такой процесс, как Известны следующие типы РНК:

Матричные (мРНК). Это молекулы цитоплазматической рибонуклеиновой кислоты, которые выполняют функции матриц синтеза белка.
Рибосомная (рРНК). Это молекула цитоплазматической РНК, выполняющая роль таких структурных компонентов, как рибосомы (органелл, участвующий в белковом синтезе).
Транспортные (тРНК) . Это молекулы которые принимают участие в переводе (трансляции) информации мРНК в последовательность аминокислот уже в белках.

Существенная часть РНК в виде 1-ых транскриптов, которые образуются в в том числе клетки млекопитающих, подвержена в ядре процессу деградации, и не играет в цитоплазме информационной или структурной роли.

В человеческих клетках (культивируемых) найден класс малых ядерных рибонуклеиновых кислот, непосредственно не участвующих в белковом синтезе, однако оказывающих воздействие на процессинг РНК, а также общую клеточную «архитектуру». Их размеры варьируют, они содержат 90 - 300 нуклеотидов.

Рибонуклеиновая кислота - основной генетический материал у ряда вирусов растений, животных. Некоторые вирусы, содержащие РНК, никогда не проходят такую стадию, как РНК в ДНК. Но все же для многих вирусов животных, к примеру для ретровирусов, характерен обратный перевод их РНК-генома, направляемый РНК-зависимой обратной транскриптазой (ДНК-полимеразой) с формированием 2-спиральной ДНК-копии. В большинстве случаев появляющийся 2-спиральный ДНК-транскрипт внедряется в геном, в дальнейшем обеспечивая экспрессию вирусных генов и наработку новейших копий РНК-геномов (также вирусных).

Посттранскрипционные модификации рибонуклеиновой кислоты

Ее молекулы, синтезирующиеся с РНК-полимеразами, всегда функционально неактивны, выступают предшественниками, а именно пре-РНК. Они трансформируются в уже зрелые молекулы лишь после того, как пройдут соответствующие посттранскрипционные модификации РНК - этапы ее созревания.

Формирование зрелых мРНК начитается в ходе синтеза РНК и полимеразы II на этапе элонгации. Уже к 5’-концу постепенно растущей нити РНК прикрепляется 5’-концом ГТФ, затем отщепляется ортофосфат. Далее гуанин метилируется с появлением 7-метил-ГТФ. Такую особую группу, находящуюся в составе мРНК, именуют «кэпом» (шапочкой либо колпачком).

В зависимости от разновидности РНК (рибосомные, транспортные, матричные, пр.) предшественники подвергаются различным последовательным модификациям. К примеру, предшественники мРНК подвергаются сплайсингу, метилированию, кэпированию, полиаденилированию, иногда и редактированию.

Эукариоты: общая характеристика

Клетка эукариот выступает доменом живых организмов, а в ней содержится ядро. Кроме бактерий, архей, любые организмы являются ядерными. Растения, грибы, животные, включая группу организмов, именуемую протистами, - все выступают эукариотическими организмами. Они бывают как 1-клеточными, так и многоклеточными, однако у всех общий план клеточного строения. Принято считать, что эти настолько непохожие организмы имеют одно и то же происхождение, ввиду чего группа ядерных воспринимается в качестве монофилетического таксона наивысшего ранга.

На основании распространенных гипотез, эукариоты возникли 1,5 - 2 млрд. лет тому назад. Важная роль в их эволюции отводится симбиогенезу - симбиозу эукариотической клетки, имевшей ядро, способной к фагоцитозу, и бактерий, проглоченных ей, - предшественников пластид и митохондрий.

Прокариоты: общая характеристика

Это 1-клеточные живые организмы, которые не обладают ядром (оформленным), остальными мембранными органоидами (внутренними). Единственной крупной кольцевой 2-цепочечной молекулой ДНК, содержащей основную часть генетического клеточного материала, является та, которая не образует комплекс с белками-гистонами.

К прокариотам относят археи и бактерии, включая цианобактерии. Потомки безъядерных клеток - органеллы эукариот - пластиды, митохондрии. Они подразделяются на 2 таксона в рамках ранга домена: Археи и Бактерии.

Данные клетки не имеют ядерной оболочки, упаковка ДНК происходит без привлечения гистонов. Тип их питания осмотрофный, а генетический материал представлен одной которая замкнута в кольцо, и имеется лишь 1 репликон. У прокариот остаются органоиды, которые имеют мембранное строение.

Отличие эукариот от прокариот

Основополагающая особенность клеток эукариот связана с нахождением в них генетического аппарата, который расположен в ядре, где он защищен оболочкой. Их ДНК линейная, связанная с белками-гистонами, прочими белками хромосом, которые отсутствуют у бактерий. Как правило, в их присутствуют 2 ядерные фазы. Одна имеет гаплоидный набор хромосом, а впоследствии сливаясь, 2 гаплоидные клетки формируют диплоидную, которая содержит уже 2-ой набор хромосом. Бывает и так, что при последующем делении клетка снова становится гаплоидной. Такого рода жизненный цикл, а также диплоидность в целом, не характерны для прокариот.

Самым интересным отличием является наличие особых органелл у эукариот, которые имеют собственный генетический аппарат и размножаются делением. Эти структуры окружены мембраной. Данными органеллами выступают пластиды и митохондрии. По жизнедеятельности и строению они удивительно схожи с бактериями. Данное обстоятельство натолкнуло ученых на мысль касательно того, что они - потомки бактериальных организмов, которые вступили в симбиоз с эукариотами.

У прокариот имеется малое количество органелл, ни одна из которых не окружена 2-ой мембраной. В них отсутствует эндоплазматический ретикулум, лизосомы.

Еще 1 важное отличие эукариот от прокариот - присутствие явления эндоцитоза у эукариот, включая фагоцитоз у большинства групп. Последним называется способность захватывать посредством заключения в мембранный пузырь, а затем переваривать различные твердые частицы. Данный процесс обеспечивает важнейшую защитную функцию в организме. Возникновение фагоцитоза, предположительно, связано с тем, что их клетки имеют средние размеры. Прокариотические же организмы несоизмеримо меньше, ввиду чего в ходе эволюции эукариот возникла потребность, связанная со снабжением клетки значительным количеством пищи. В результате среди них возникли первые подвижные хищники.

Процессинг как один из этапов биосинтеза белка

Это второй этап, который начинается после транскрипции. Процессинг белков протекает лишь у эукариот. Это созревание иРНК. Если быть точным, это удаление участков, которые не кодируют белок, и присоединение управляющих.

Заключение

В данной статье описано, что представляет собой процессинг (биология). Также рассказано, что такое РНК, перечислены ее типы и посттранскрипционные модификации. Рассмотрены отличительные особенности эукариот и прокариот.

Напоследок стоит напомнить, что процессинг - это процесс образования зрелых РНК из пре-РНК.

Процессинг рРНК: нарезание первичноготранскрипта, метилирование, сплайсинг. Уэукариот все рРНК синтезируются как часть одного транскрипта. Он нарезается с помощью экзо и эндонуклеаз на зрелыерРНК. Предшественник содержит 18, 5.8, 28S рРНК и называется 45S РНК. Процессинг рРНК требует участия мяРНК. У некоторых организмов в составе предшественника 28S РНК находятся вставки/интраны, кот.удаляются в результате процессинга и фрагменты РНК сшиваются в результате сплайсинга.

Упрокариот предшественник рРНК содержит 16, 23, 5S рРНК + несколько предшественников тРНК. 3 и 5’ концы сближены за счет комплиментарно прилегающих пар оснований. Такая структура разрезается РНКазойIII. Оставшиесярибонуклеотиды отрезаются экзонуклеазами/подравнивание. Процессинг 5’конца тРНК осуществляется РНКазой, а 3’конца – РНКазойД.тРНК-нуклеотидилтрансфераза достраивает ССА-хвост.

У эукариот предшественник тРНК содержит в себе интрон, он не ограничен консервативными последовательностями и встроен в антикодоновую петлю. Трекбуется удаление интронов и сплайсинг. В основе сплайсинга – узнавание вторичной структуры тРНК, требует участия ферментров с нуклеазной (расщипляют РНК на границкэкзон-интрон с двух сторон) и лигазной (сшивание свободных 3 и 5’-конов) активности. После высвобождения интронатРНК сворачивается в обычную структуру.

Процессинг мРНК. Модификация 5’-конца (кэпирование). Модификация 3’-конца (полиаденилирование). Сплайсинг первичных транскриптовмРНК, сплайсосома. Автосплайсинг. Альтернативный сплайсинг.

Процессинг пре-мРНК эукариот состоит из нескольких этапов:

1. Отрезание лишних длинных концевых последовательностей.

2. Присоединение к 5’-концу последовательности КЭПа, в котором обязательно присутствует 7-метилгуанозин, с которого начинается КЭП. Далее располагается 1-3 метилированныхрибонуклеотидов. Предполагают, что КЭП необходим для стабилизации мРНК, предохраняя ее от расщепления 5’-экзонуклеазами, а также узнается рибосомой. Образование КЭПа дает возможность прохождения сплайсинга.

3. Вырезание интронов и сплайсингэкзонов.

В сплайсинге, как правило, участвуют особые рибонуклеопротеиновые частицы (РНП) - малые ядерные РНП (мяРНП), в состав которых входят мяРНК, богатые урацилом и обозначаемые U1-U6 (иногда называемые рибозимами) и многочисленные белки. Эти РНП-частицы на стыках интронов и экзонов образуют функциональный комплекс, получивший название сплайсосомы (сплайсмосомы). Функции U-частиц заключаются в распознавании сайтов сплайсинга. В частности, UI узнает 5’-концевой сайт сплайсинга, a U2 - 3’-концевой сайт. При этом происходит комплементарное взаимодействие и сближение между этими сайтами и соответствующими последовательностями в РНК U1 и U2 частиц. Таким образом, происходит выпетливаниеинтрона. Соседние экзоны входят в контакт друг с другом в результате взаимодействия между факторами, распознающими индивидуальные экзоны.

Некоторые интроны удаляются с помощью автосплайсинга , не требуя никаких дополнительных компонентов, кроме самих пре-мРНК. Первым шагом является разрыв фосфодиэфирной связи в 5’-положении интрона, что приводит к отделению экзона 1 от молекулы РНК, содержащий интрон и экзон 2. 5’-конец интрона образует петлю и соединяется с нуклеотидом А, входящим в последовательность, называемую участком разветвления и расположенную выше 3’-конца интрона. В клетках млекопитающих участок разветвления содержит консервативную последовательность, ключевой А-нуклеотид в этой последовательности расположен в положении 18-28 пн выше 3’-конца интрона. У дрожжей этой последовательностью является UACUAAC. Интрон удаляется в форме лассо.

В некоторых случаях в аминокислотные последовательности трансформируются не все экзоны. В результате с одного гена считывается несколько мРНК - альтернативныйсплайсинг . Кроме того использование альтернативных промоторов и терминаторов может изменять 5’и 3’ концы транскрипта.

4. Добавление нуклеотидов к З’-концу последовательности из 150-200 адениловых нуклеотидов, осуществляемое специальными поли(А)-полимеразами.

5. Модификация оснований в транскрипте. Очень часто при созревании пре-мРНК происходят химические превращения некоторых оснований, например превращение одного азотистого основания в другое (С в U или наоборот).

Таким образом, в результате транскрипции образуются рибонуклеиновые кислоты. Таким образом, нуклеиновые кислоты обеспечивают поддержание жизнедеятельности клетки, путем хранения и экспрессии генетической информации, определяя биосинтез белка и получение организмом определенных признаков и функций.

В клетках бактерий к готовому, начинающему отделяться от матрицы участку мРНК присоединяются рибосомы и сразу же начинают синтез белка. Так образуется единый транскрипционно-трансляционный комплекс, который можно обнаружить с помощью электронного микроскопа.

Синтез РНК уэукариот проходит в ядре и отделен пространственно от места синтеза белка - цитоплазмы. У эукариот, вновь синтезированная РНК сразу же конденсируется с образованием множества рядом расположенных частиц, содержащих белок. В состав этих частиц входит РНК длиной приблизительно 5000 нуклеотидов, нить которой намотана на белковый остов, таким образом образуются гетерогенные ядерные рибонуклеопротеиновые комплексы (гяРНП). Гетерогенны они потому, что имеют разные размеры. Часть этих комплексов являются сплайсмосомами и участвуют в удалении инронов и сплайсингеэкзоновпремРНК.

После процессинга зрелые молекулы мРНК эукариот узнаются рецепторными белками (входящими в состав ядерных пор), которые способствуют продвижению мРНК в цитоплазму. При этом основные белки, входящие в состав гяРНП никогда не покидают ядро и соскальзывают с мРНК по мере ее продвижения через ядерные поры.

В цитоплазме мРНК снова соединяется с белками, но уже цитоплазматическими, образуя мРНП. При этом обнаруживаются свободные мРНП-частицы (цитоплазматические информосомы), а также мРНП, связанные с полисомами (комплексами рибосом) (полисомные информосомы). Связанные с полисомамимРНК активно транслируются. Белки, связанные с информосомами, обеспечивают хранение в цитоплазме мРНК в нетранслируемом положении. Переход мРНК к полисомам сопровождается сменой белков - отщеплением или модификацией репрессорных белков и связыванием активаторных белков. Таким образом, в эукариотических клетках мРНК всегда находится в комплексе с белками, которые обеспечивают хранение, транспорт и регуляцию активности мРНК.

Под процессингом РНК понимают процесс ее созревания , который протекает в период и после ее транскрипции и предшествует процессу трансляции.

Процессинг разных типов РНК протекает по-разному. Однако у прокариот процессинга матичной РНК (мРНК) не происходит. Обычно процессинг РНК рассматривается на примере мРНК эукариот.

Как известно, РНК синтезируется на участке одной из цепей ДНК, и этот процесс называется транскрипцией. В школьном курсе обычно сразу за транскрипцией рассматривается процесс трансляции, при котором мРНК используется в качестве матрицы для синтеза белка. Однако между транскрипцией и трансляцией с РНК происходит ряд превращений, в результате которых она становится функционально активной. Эти модификации в совокупности называют процессингом. Некоторые его этапы протекают уже в момент транскрипции.

Рассмотрим процессинг матричной (информационной) РНК эукариот.

Кэпирование . Еще на этапе транскрипции к начальному (5") концу молекулы РНК через трифосфатный (три остатка фосфорной кислоты) мостик присоединяется молекула метилгуанозина, которая представляет собой метилированное азотистое основание гуанозин. Также у первых двух нуклеотидов мРНК метилируются остатки рибозы. Эти процессы называются кэпированием, образуется кэп (шапочка). Он защищает молекулу от ферментативного распада, участвует в других этапах процессинга, инициирует трансляцию.

Полиаденилирование . После завершения транскрипции к концу (3") РНК присоединяется множество адениновых нуклеотидов (от 100 до 250). Образуется полиадениловый конец - поли-А. Он также выполняет защитную функцию, предотвращая действие ферментов-разрушителей.

Сплайсинг . Молекула-предшественник мРНК (пре-мРНК) представляет собой копию участка ДНК (гена), включающего нетранслируемые области (находящиеся на концах) и чередующиеся интроны и экзоны. Интроны не участвуют в трансляции и должны быть удалены перед ней. Сплайсинг - это процесс разрезания мРНК, удаление интронов и сшивание между собой оставшихся экзонов.

В результате сплайсинга длина молекулы мРНК сокращается в разы. Процесс катализируется специальным комплексом - сплайсосомой , включающей малые ядерные РНК и белки-ферменты. Экзоны могут быть сшиты между собой разными способами (по-разному чередоваться, какие-то могут быть опущены). Данное явление называется альтернативным сплайсингом. В результат одна пре-мРНК может дать несколько разных мРНК, на которых будут синтезироваться разные белки.

Транспортные РНК (тРНК) также нередко претерпевают процессинг. Однако он у них другой, в основном связан с метилированием отдельных нуклеотидов. В результате тРНК принимает характерную для нее форму и становится активной (способной связываться с аминокислотами).

Процессинг рибосомальных РНК (рРНК) в основном сводится к разрезанию общего транскрипта (пре-рРНК), из частей которого образуют три разных молекулы рРНК (из четырех).

После процессинга зрелые молекулы мРНК, тРНК, сформированные субчастицы рибосом (содержащие рРНК) транспортируются из ядра в цитоплазму, где, выполняя каждая свою роль, обеспечивают процесс трансляции (синтез белка).

Первичные транскрипты, образующиеся при транскрипции прокариотических генов, кодирующих белки, функционируют в качестве мРНК без последующей модификации или процессинга. Действительно, трансляция мРНК часто начинается даже до завершения синтеза 3"-конца транскрипта. Совсем иная ситуация наблюдается для молекул рРНК и тРНК. В этом случае кластеры рРНК-или тРНК-генов или даже перемежающиеся участки этих генов часто транскрибируются с образованием единой цепи РНК. И хотя транскрипция этих генов всегда начинается на определенных промоторах и заканчивается на определенных терминаторах, для образования зрелых функциональных форм должны произойти специфическое надрезание первичных РНК-транскриптов и модификация. Подобные молекулярные события называют общим термином посттранскрипционные модификации или просто процессинг РНК. Механизмы процессинга рРНК и тРНК и ферменты, с помощью которых он осуществляется, наиболее полно изучены у Е. coli, и для иллюстрации особенностей посттранскрипционного процессинга РНК мы используем эту систему. Аналогичные модификации эукариотических РНК; в этом случае помимо процессинга рРНК и тРНК используются более сложные системы созревания транскриптов с образованием мРНК.

а. Группы генов, кодирующих рРНК и тРНК

В геноме Е. coli идентифицированы и картированы семь дискретных транскрипционных единиц, кодирующих рРНК. Каждая транскрипционная единица - это молекула РНК, которая состоит из ~5000 нуклеотидов и содержит по одной копии кодирующих последовательностей для 5S-, 16S- и 23S-pPHK. Транскрипция в этой области осуществляется в направлении 16S -> 23S -> 5S. Помимо этих трех последовательностей, кодирующих рРНК, транскрипты содержат вставки разной длины и одну или более копий тРНК-генов. Спейсеры могут находиться перед последовательностями для рРНК, между ними и после них, а тРНК-гены обычно лежат в пределах вкрапленных или 3"-концевых спейсерных сегментов. Для образования функционально зрелых молекул РНК должен произойти процессинг таких транскриптов. До процессинга или во время него происходит модификация специфических оснований в спейсерах, а также в рРНК- и тРНК-генах.

б. Разрезание рРНК-тРНК-котранскриптов

Начальное расщепление первичных транскриптов на фрагменты, содержащие либо тРНК, либо 16S-, 23S- или 58-рРНК-последовательности, осуществляет эндонуклеаза РНКаза III. Ее мишенями служат короткие дуплексы РНК, образующиеся при внутримолекулярном спаривании оснований в последовательностях, фланкирующих каждый из рРНК-сегментов. Например, комплементарные участки в спейсерных областях, фланкирующих последовательность 16S-pPHK, образуют стебель шпильки, в петле которой находится последовательность 16S-pPHK. Аналогичные шпильки образуют и последовательности 23S- и 5S-pPHK. РНКаза III вносит разрывы в двухцепочечный стебель, в результате образуется цепь РНК, содержащая последовательность той или иной рРНК, фланкированную короткими спейсерными участками с 5"-фосфатным и 3"-гидроксильным концами. Затем лишние нуклеотиды спейсерных последовательностей удаляются, возможно с помощью той же самой РНК-экзонуклеазы, которая катализирует и последние этапы процессинга тРНК. В принципе для того, чтобы произошло ферментативное расщепление, должны быть транскрибированы только те нуклеотидные последовательности, которые образуют шпильки. Однако процессинг происходит лишь после завершения синтеза всего первичного транскрипта, поскольку, по-видимому, для правильной укладки целого РНК-транскрипта, который и распознается эндонуклеазой III, необходимы рибосомные или какие-либо другие белки. Процессинг тРНК-сегментов, выщепляющихся из мультигенных транскриптов, осуществляется так же, как и процессинг тРНК из транскрипционных единиц одиночных генов.

в. Образование зрелых тРНК из более крупных транскриптов

Несмотря на то, что некоторые кодирующие тРНК гены находятся внутри транскрипционных единиц рРНК и экспрессируются совместно с генами рРНК, основная часть тРНК-генов представлена одиночными генами или объединена в кластеры. Одни кластеры содержат множественные повторы одних и тех же генов, другие - различные и неродственные тРНК-гены. В некоторых случаях каждый кластер транскрибируется как одна большая молекула РНК, которая подвергается процессингу с последовательным выщеплением зрелых тРНК-фрагментов. Для образования зрелой функциональной тРНК, по-видимому, должны произойти специфическая модификация оснований и присоединение одного, двух или всех трех нуклеотидов 3"-ССА-конца.

Независимо от того, содержит ли первичный транскрипт одну или более тРНК-последовательностей или эти последовательности внедрены в спейсерные участки рРНК, 5"-концы всех тРНК образуются при участии одной эндонуклеазы, называемой РНКазой Р. По-видимому, РНКаза Р узнает характерную свернутую структуру тРНК в полинуклеотиде-предшественнике и отщепляет лидерную или спейсерную последовательности, расположенные перед 5"-концом зрелой последовательности тРНК. 3"-концы тРНК образуются с помощью нескольких активностей. До сих пор неидентифицированная эндонуклеаза расщепляет предшественник в том месте шпильки, где находится 3"-конец зрелой тРНК, а затем другая эндонуклеаза, РНКаза D, завершает образование правильного 3"-конца. В некоторых случаях экзонуклеазное расщепление прекращается точно у 3"-ССА-конца зрелой тРНК, а в других случаях под действием экзонуклеазы образуется конец, служащий затравкой, к которому тРНК-нуклеотидилтрансфераза добавляет один или более инвариантных концевых нуклеотидов.

Отличительной особенностью РНКазы Р является то, что сайт расщепления для нее формируется в результате правильной укладки молекулы тРНК. Изменения в нуклеотидной последовательности, не приводящие к нарушению этой укладки, не сказываются и на процессинге 5"-конца. Другим необычным свойством РНКазы Р является то, что она состоит из белка и РНК. Эта РНК имеет специфическую последовательность из 377 нуклеотидов и сама транскрибируется РНК-полимеразой с гена чуть большего размера и затем подвергается процессингу до размера зрелой молекулы. Удивительной особенностью этой РНК оказалось то, что она одна может катализировать такую же эндонуклеазную реакцию, что и целый рибонуклеопротеин; белок же не обладает самостоятельной эндонуклеазной активностью. Таким образом, эндонуклеазная активность может быть присуща самой РНК, а белок, по-видимому, необходим для сохранения структуры РНК в максимально активной конфигурации.

Зрелые тРНК не только имеют характерную конформацию, но и содержат модифицированные нуклеотиды. Многие из таких модификаций оказываются существенными для выполнения некоторых физиологических функций тРНК. Сегодня охарактеризованы лишь немногие из целой армии ферментов, катализирующих огромное количество реакций модификации. Однако ясно, что модификации происходят в основном на стадии РНК-предшественника и в полностью процессированной тРНК. Такие модифицирующие ферменты представляют особый интерес благодаря своей необычной специфичности в отношении определенных последовательностей: например, только отдельные урациловые остатки превращаются в тиоурацил, метилируются до тимина или восстанавливаются до дигидроурацила. Еще более загадочным представляется образование псевдоуридилата при модификации обычной связи между урацилом и рибозой.