Экспрессия генетического материала

Экспрессия генетического материала.

Транскрипция, механизмы и факторы транскрипции.

Процессинг и сплайсинг РНК. Модификация нуклеотидов.

Экспрессия генетического материала

Экспрессия генетического мате-риала – это:

Ø процесс реализациинаследст-венного материала,

Ø осуществляется в клетках в процессе клеточного цикла и

Ø обеспечивает реализацию генетической информации путем ее активации.

Механизмами экспрессии генов является:

ü транскрипция ДНК

ü трансляция РНК.

 

Трансляция мРНК – это процесс переноса информации с последовательности нуклеотидов мРНК на определенную последовательность аминокислотсоответ-ствующего белка.

В процессе такого переноса информации происходит включение аминокислот (полимеризация) в растущие пептидные цепи в соответствии с последовательностьюкодоновмРНК,иными словами говоря,происходит синтез молекулярного пептида на матрице мРНК.

 

Транскрипция ДНК – это первая стадия реализации генетической информации, в процессе которой осуществляется перенос информации с молекулы ДНК на одноцепочную молекулу РНК.

 В ходе транскрипции происходит биосинтез РНК на матрице ДНК.

Прокариоты не имеют ядерной мембраны, поэтому процессы транскрипции, трансляции и мРНК деградации могут проходить одновременно.

Прокариотической транскрипции харак-терно иметь полицистронныемРНК, для одновременного синтеза нескольких белков.

Транскрибируется (переписывается)не вся ДНК, а только ее участки – гены, то есть,гены- это транскри-бируемые участки ДНК.

Отделы ДНК

Молекула ДНК состоит из геновинекодирующихучастковспейсеров.

Видыспейсеров:

I. Участки ДНК, участвующие:

v в прикреплении хромосом к аппарату центриолей;

v фиксации хроматина в ядерном матриксе (MAR-иSAR- последовате-льности,

v участвующиевобразовании петельной структуры хроматина) и др.

II. Участки ДНК,с которымисвязываются:

 

ü гистоновые белкинуклеосомы в хроматине,

ü ДНК-связывающиеся белки и др.,

которые участвуютв правильной укладкенуклеосомной цепи в высшие структуры хроматина

III. Спейсерныеучастки ДНК,которые служат специфическими локусами связывания транскрипционных факторов: промоторы, операторы,сайленсеры,энхансеры, аттенюаторы, терминаторы.

Регуляторная часть гена

Промотор – это последовательность нуклеотидов ДНК (80-90 н.), узнаваемая РНК-полимеразой; стартовая площадка для начала транскрипции. Полимераза узнает участок ТАТААТ (блок Прибнова прокариот) или ТАТА (блок Хоггенсау эукариот)

Оператор - регуляторный участок гена (оперона), с которым специфически связывается белок-репрессор, предотвращая тем самым начало транскрипции.

Терминатор -последовательность нуклеотидов ДНК, узнаваемаяРНК-полимеразойкак сигнал к прекращению синтеза молекулы РНКидиссоциации транскрипционного комплекса.Находится на 3′-конце.

Аттенюатор - нуклеотидная последовательность ДНК, расположенная перед опероном, которая участвует в регуляции его экспрессии путем осуществления преждевременной терминации транскрипции.

Энхансер — регуляторный участок ДНК, усиливающий скорость транскрипциис ближайшего к нему промотора.

Сайленсер- регуляторный участок ДНК,снижающийскорость транскрипции с ближайшего к нему промотора.

Инсуляторы -короткие последовательности (300-1000 н), которые блокируют взаимодействие между энхансером и промотором, обеспечивая независимостьфункций гена.

Эти последовательности ДНК могут выполнять свои функции взаимодействуя с регуляторными белками, которые изменяют конформациюучастка ДНК,тем самым меняя активность гена.

Для прокариот характерното,что их:

· гены находятся в цитоплазме,

· гены независимые: структурный ген бактерии контролирует одну ферментативную реакцию,

· геныорганизованы в опероны.

Гены у бактеориофагов и вирусов в основном схожи с бактериями, но более усложнена и сопряжена с геномом хозяев:

· у фагов и вирусов обнаружено перекрывание генов, у вирусовиметсяэкзон-интронная структуры генов.

· гены отделены друг от друга спейсерами, однако длина спейсеров незначительна.

Геныпрокариот

· Основная часть ДНК – гены.

· Гены неимеют интронов и называютсяцистро́ны.

· Часто гены объединены в кластеры - группы расположенных рядом на хромосоме повторов одного и того же или родственных генов, входящих в состав единого мультигенного семейства. Напр., генов рРНК.

 

Оперон — функциональная единица генома у про-кариот, в состав которой входят:

· цистроны, кодирующие совместно или последовательно работающие белки

· промоторы (один или несколько)

· операторы, терминаторы

Цистрон - у прокариот синоним термина "ген", обозначающего участок ДНК, ответственный за синтез одного полипептида.

Если белок состоит из нескольких субъединиц (гемоглобин), то его ген состоит из нескольких цистронов

Геныэукариот

Основная часть ДНК не являетсягенами.

Каждый ген имеет свой промотор и несколько регуляторов.

Гены состоят из экзонов и интронов.

Гены могут быть организованы в кластеры.

1.Гемоглобин А (НвА) – основной гемоглобин взрослого человека,формула- (α2 + β2).

2.Гемоглобин А2(НвА2) – гемоглобин взрослого человека, формула - (α2 + δ2).

3.Эмбриональный гемоглобин (НвЕ), формула НвЕ – (α2+ε2).

4.Фетальный гемоглобин или гемоглобин плода (НвF). Формула–(2α+ 2γ).

Тонкая структура генаэукариотимеетмозаичное строение

Р.Робетсон и Ф.Шарпустановили факт существования рас-щепленных генов, то есть, генов, состоящих из кодирующих и некодирующих последовательностей нуклеотидов. Они были названы,экзонами и интронами.

Экзоны – это кодирующие последовательности нук-леотидов, а интроны – некодирующие последовательности.

Интрон-экзонная структура гена характерна только для генов эукариот.

Единицейтранскрипцииявляется транск-риптон

Транскриптон-это участок ДНК, ограниченный промотором и терминатором.

В пределах каждого транскриптона копируется только одна из двух нитей ДНК, которая называется значащей или матричной.

У эукариот в состав транскриптона, как правило, входит один ген, у прокариотов несколько.

Единицейтранскрипцииявляется транск-риптон

Транскриптон-это участок ДНК, ограниченный промотором и терминатором.

В пределах каждого транскриптона копируется только одна из двух нитей ДНК, которая называется значащей или матричной.

У эукариот в состав транскриптона, как правило, входит один ген, у прокариотов несколько.

Транскриптонпрокариот

Единицей транскрипции – транскриптоному прокариот является оперон.

СинтезируемаямРНКбудет полицистронной.

Транскриптонэукариот

Единица транскрипции - ген

Оператор отсутствует.

В состав транскриптонавходят: кодирующая часть гена и два некодирующих участка: 5'-НТО и 3'-НТО.

Кодирующая часть гена состоит из последовательности нук-леотидов, несущих информацию о структуре белка. В процессе транскрипции именно кодирующая часть гена переписывается на молекулу мРНК.

У эукариот,синтезируемаямРНКмоноцистронная

В каждом транскриптоне эукариот присутствует неинформативная зона; она содержит специфические последовательности нуклеотидов, с которыми взаимо-действуют регуляторные транскрипционные факторы.

Принципы транскрипции:

· Синтез РНК идет в направлении5′→3′;

· Вкаждомтранскриптонетранскрибируется только одна из двух цепей ДНК. Матрицей служит та цепь ДНК, у которой направлениецепи будет антипараллельносинтезирующейся РНК, то есть, нить ДНК с направлением3′→5′.Эта цепь называется матричной. Комплементарная ей цепь ДНК называется кодогенной или кодирующей.

· Процесс транскрипции осуществляется при участии комплекса ферментов – РНК–полимерази белков, регуляторов транскрипции.

· Транскрипция не связана с фазами клеточного цикла; она может ускоряться и замедляться в зависимости от потребности клетки или организма в определённом белке.

РНК-полимеразаначинает транскрипцию с особых участков ДНК,называемых промоторами

Длясинтеза РНК необходимо:

· Молекула ДНК -матрица

· рНТФ:АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ

· Ферменты и общиефакторы транскрипции

Синтез молекул РНК начинается в определённых после-довательностях (сайтах) ДНК, которые называют промоторы(сайт инициации), и завершается в последовательностях, называемых терминаторы(сайты терминации).

Соседние транскриптоны могут быть отделены друг от друга нетранскрибируемыми участками ДНК. Разделение ДНК на множество транскриптонов позволяет осуществлять с разной активностью индивидуальное считывание (транскрипцию) разных генов.

ТАТААТ- последовательностьсостоит из 6-7 пар оснований и расположена на расстоянии 10 оснований до того нуклеотида, с которого начинается транскрипция (+1); этот сигнал обычно обозначают как Прибнов-бокс

ТТГАЦА-последовательность, длина равна девяти нуклеотидам расположена на расстоянии о 35 оснований до сайта инициации (35-последовательность)

Регуляторные элементы промотора, управляющие транскрипцией гена, включают в себя три основных компонента:

· основной промотор:ТАТА-бокс или ящик Хоггенсау эукариот;

· проксимальный элемент, расположенные рядом с основным промотором: ГЦ-, и ЦААТ- боксы;

· энхансеры, действие которых менее зависит от расстояния.

· сайленсеры.

Ферментытранскрипции

ФерментамитранскрипцииявляютсяРНК-полимеразы

РНК-полимераза — фермент, осуществляющий синтез молекул РНКна матрице ДНК.

РНК-полимеразы работают без праймера(РНК-затравки).

РНК-полимеразы, так же как и ДНК–полимеразы, используютв качестве субстратарНТФ (рибонуклеозидтрифосфаты), которыеактивнытолько в присутствии ионов Мg²⁺.

Рибонуклеозитрифосфаты – рАТФ, рГТФ, рЦТФ и рУТФ в ходе включения в растущую цепь РНК теряют пирофосфатные остатки; освободившаяся энергия используется в ходе синтеза РНК.

СвободныйрНТФ→рНМФ + пирофосфат.

 

включаются в растущую цепь РНК

 

 

РНК-полимеразапроизводит следующие разновидности РНК:

· транспортная РНК (тРНК)

· рибосомальная РНК (рРНК)

· микро РНК (миРНК)регулируютактивность генов

 

· малые ядерные РНК (мяРНК, snRNA) участвуют в сплайсинге (удаление интронов из незрелой мРНК), регуляции факторов транскрипции или РНК-полимеразы и в поддержании целостности теломер.

· малые ядрышковые РНК (мякРНК, snoRNA), участвуют в химических модификациях (метилировании и псевдоуридилировании) рРНК, тРНК имяРНК.

·  рi РНК ( piRNA)противодействуют в половых клеткахувеличению числа копий транспозонов и играют роль в образовании гамет. Кроме того, piRNA могутнаследоваться по материнской линии.

РНК-полимераза прокариотон содержит 5 субъединиц:2 субъединицы α, по одной β и β¹ и ω.

Эти субъединицы вместе образуют не активный корфермент.Он присоединяет еще одну субъединицу – σ, становясь активным холоферментомРНК–полимеразой.

Сигма-фактор (σ)отвечает за правильную и точнуюинициацию транскрипции на промоторе гена.

Функции сигма-факторов:

· обеспечивает узнавание промотора

· физически связывается с промотором

· участвует в плавлении промотора (плавление = разрыв нитей, образование локального разрыва итранскрипционного пузырька)

· обеспечивает выбор матричной нити

· запускает элонгацию (своим уходом)

Дляэукариотов обнаружены 3 РНК-полимеразы:

РНК-полимераза I; РНК- полимераза II; РНК-полимераза III

 

РНК-полимеразы:

· узнают разные промоторы

· содержат разные по строению субъединицы σ.

· структурно сходны друг с другом и имеют некоторые общие субъединицы и уникальные субъединицы

· каждая из этих РНК-полимеразсодержит 10 или более полипептидных цепей.

РНК-полимераза Iнаходится в ядрышках и транскрибирует гены 16S-, 18S-, 5.8S- и 28S-РНК.

Транскрипция генов рРНК и сборка рибосом происходит в ядрышке

РНК-полимераза II.Находится в ядрышках и транскрибирует мРНК, а также некоторые snРНК.

Транскрибирует все структурные гены, а также несколько некодирующих РНК, таких как некоторые SnRNA, SnoРНК и некоторые другие, такие как siRNA и miRNA.

Наиболее подверженный регуляции фермент из трех РНК полимераз.Состоит из 17 субъединиц.

 

РНК-полимераза III находится в нуклеоплазме и транскрибирует гены 5SрРНК, тРНК и snРНК, разнообразные низкомолекулярные стабильные РНК.

РНК‐полимераза митохондрий – состоитизодной субъединицы, ген которой находится в ядерной ДНК.

Всеэукариотические РНК-поли-меразысодержат:

· две большие субъединицы, го-мологичные и β-, иβ'- субъединицам бактериальной РНК-полимеразы;

· два компонента, родственные бактериальной α-субъединице;

· белок, аналогичный бактериа-льной ω-субъединице;

· набор белков, не имеющих аналогов у эубактерий:

· пять общих субъединиц, входящих в состав всех трех ферментов;

· специфические субъединицыдля каждой из этих РНК-полимераз.

Факторы транскрипции

Факторы транскрипции - это белки, связывающиеся с промоторами - специфическими участками ДНК и является частью системы, которая регулирует транскрипцию.

Различные факторы транскрипции могут:

· способствовать связыванию РНК-полимеразы с промотором. В этомслучае наблюдается активация транскрипции, а сам фактор называется «активатором».

· предотвращать связывание РНК-полимеразы.В таком случае происходит репрессия транскрипции, а сам фактор называется «репрессор»).

ТФ выполняют такую функцию либо самостоятельно, либо используя другие вспомогательные белки.

В зависимости от функции, эти белки также подразделяются на «коактиваторы» и «корепресоры».