Репликация в эукариотических клетках

ДНК эукариотических хромосом находится в комплексе с равным по весу количеством гистонов. Структурная единица называется нуклеосомой. Следуя друг за другом, нуклеосомы образуют хроматин.

Отличительной особенностью репликации у эукариотов является то, что реплицируются нуклеосомы: при синтезе дочерних цепей они на какое-то время разрушаются, но позади репликативной вилки вновь собираются, причем в сборке участвуют как старые, так и вновь синтезированные гистоны. Таким образом, синтез гистонов должен быть скоординирован с репликацией. Действительно, ингибирование синтеза гистонов влечет за собой ингибирование репликации и наоборот.

Как и у прокариот, репликация состоит из трех основных стадий: инициации, элонгации и терминации. Репликация эукариотической ДНК происходит одновременно во многих областях хромосомы и, по-видимому, инициируется на определенных последовательностях ДНК, которые хорошо идентифицированы у ряда вирусов. Инициация, как и у прокариот, требует участия специфических белков.

Элонгация синтеза осуществляется ДНК-полимеразами. Известно три типа ДНК-полимераз: α, β и γ. Предполагается, что репликацию основной клеточной ДНК осуществляет полимераза α, репарацию повреждений – полимераза β, а репликацию ДНК митохондрий – полимераза γ. Как и у прокариот, в репликативной вилке одна из цепей является ведущей (лидирующей), а другая отстающей (запаздывающей). Лидирующая цепь синтезируется непрерывно, тогда как запаздывающая – фрагментами Оказаки. Эти фрагменты также инициируются короткими РНК, которые синтезируются РНК-полимеразами. В распространении репликативной вилки принимает участие дестабилизирующие двойную спираль ДНК-связывающие белки.

ТРАНСКРИПЦИЯ

Транскрипция – процесс биосинтеза РНК в клетке. Его результатом является образование РНК, комплементарных отдельным участкам ДНК. При этом в каждом участке РНК комплементарна только одной определенной нити ДНК.

Процесс биосинтеза РНК осуществляется ферментами – РНК-полимеразами, которые используют ДНК в качестве матрицы. Как и при репликации, процесс образования фосфодиэфирных связей включает в себя катализируемую ферментом нуклеофильную атаку 3´-гидроксильной группы растущей цепи на α-фосфатную группу присоединяемого субстрата (рибонуклеозидтрифосфата), т. е. цепи РНК синтезируются в направлении 5´-3´, как и репликация.

Как и репликация, транскрипция состоит из трех основных этапов: инициация, элонгация, терминация. В отличие от ДНК-полимераз РНК-полимеразы способны к самостоятельной инициации синтеза РНК, которая осуществляется в определенных точках ДНК. Место инициации синтеза РНК определяется специальными регуляторными участками ДНК-промоторами. Терминация синтеза также происходит на специфических участках ДНК-терминаторах. Процесс транскрипции регулируется разнообразными способами, что позволяет клетке приспосабливаться к изменениям условий существования. Наиболее хорошо изучены транскрипция и способы ее регуляции бактерий и бактериофагов.

Транскрипция генов

Рассмотрим процесс передачи генетической информации, а именно транскрипцию генов. В ходе данного процесса с помощью ферментативной системы происходит синтез цепи РНК, нуклеотидная последовательность которой комплементарна последовательности одной из цепей ДНК.

В результате транскрипции образуется три класса РНК. Во-первых, это матричная РНК (мРНК), которая поступает в рибосомы и там направляет синтез одного или нескольких полипептидов, аминокислотная последовательность которых была закодирована геном или группой генов в хромосоме. Около 90-95% хромосомы E.Coli кодирует матричные РНК. Остальная часть хромосомы кодирует транспортные и рибосомные РНК, а также включает регуляторные последовательности, лидеры, спейсеры, хвостовые последовательности.

Между процессами репликации и транскрипции существует важное различие. В процессе репликации копируется вся хромосома и образуются дочерние ДНК, идентичные родительской ДНК. При транскрипции необязательно должна транскрибироваться вся клеточная ДНК. Напротив, обычно транскрибируются лишь отдельные гены или группы генов. Таким образом, процесс транскрипции ДНК протекает избирательно, он направляется особыми регуляторными последовательностями, указывающими начало и конец участков ДНК, подлежащих транскрипции.

Матричные РНК – это одноцепочечные молекулы самой разной длины. У прокариот одна молекула мРНК может кодировать одну, две и даже большее количемтво полипептидных цепей. Если она несет информацию только об одном полипептиде, то такая мРНК называется моногенной, или моноцистронной; если же она кодирует два разных полипептида или большее их количество, то такую мРНК называют полигенной, или полицистронной.

Минимальная длина мРНК определяется длиной полипептидной цепи, которую она кодирует. Кроме того, мРНК содержит на 5´-конце некодирующий полинуклеотидный «лидер». Длина этих «лидеров» может составлять от 25 до 150 оснований. Полигенные мРНК могут также содержать нетранслируемые межгенные области, или спейсеры, которые разделяют участки, кодирующие отдельные полипептидные цепи, и, видимо, помогает регулировать скорость трансляции.

Полигенные мРНК кодируют обычно две или больше разных полипептидных цепей, функционирующих вместе (в одной метаболической цепи).