WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
REGULATION РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ OF GENE EXPRESSION ГЕНОВ ПРИ СОЗРЕВАНИИ IN THE COURSE OF RNA MATURATION КЛЕТОЧНЫХ РНК V. A. GVOZDEV..

‚ „‰‡‚ ‚ Chemical transformations... ‚‡ of new nuclear RNA in the course of maturation asso ciated with the discontinuГенами называют участки ДНК, используемые ous nature of genes were для кодирования белков и некоторых клеточных studied. Alternative ways РНК. РНК, способные кодировать белки, называют of RNA maturation form информационными, или матричными, РНК (иРНК или мРНК). Кроме того, ряд генов определяет синthe basis of gene regulaтез РНК рибосом, транспортных РНК, специальноtion and allow to optimize го класса РНК, участвующего в процессах секреции the use of information белков, и, наконец, малых ядерных РНК, обеспечивающих созревание РНК. Транскрипция генов с обencoded in nucleotide разованием РНК у эукариот осуществляется в ядре sequence of genes.

[1], после чего новообразованная РНК претерпевает сложные превращения, сопровождающиеся химической модификацией молекул и укорочением ‡ их размеров. Эти процессы обеспечивают созрева‚‡fl ( ние молекул РНК. Созревшие молекулы переходят в цитоплазму, где и функционируют, кодируя белки ‚‡fl) fl‰ или, например, входя в состав рибосом, осуществ‚·‡‚‡, ляющих синтез белка. Активность генов может ре·‚ гулироваться не только в результате изменения интенсивности образования РНК (транскрипции ‚ „генов), но и благодаря контролю за созреванием ‚. ‡‚ РНК (информационных, рибосомных, транспорт ‚‡fl ных и др.), претерпевающих в ядре сложные превращения.

fl‚flfl Вопросы, касающиеся регуляции транскрипции ‚ ‰fl „ „flгенов, обсуждались ранее [1]. Здесь же остановимся, ·‚‡ на рассмотрении механизмов созревания РНК.

Увидим, каким образом на стадиях созревания РНК в ядре может осуществляться регуляция работы г傇fl ‡, ‡нов. Станет очевидным, что странная на первый ‰‚‡ ‚ взгляд прерывистая структура генов не только обес‰ ‰‚‡печивает тонкую регуляцию их активности, но и способствует экономному, эффективному исполь „‚.

зованию информации, закодированной в нуклеотидной последовательности ДНК.

,,, В 1977 году была установлена прерывистость генов у эукариот. Оказалось, что кодирующие белок последовательности прерываются вставками, которые не кодируют белок и при созревании молекулы удаляются из предшественника РНК. Эти участки были названы интронами (рис. 1). Участки РНК, ковалентно соединяющиеся друг с другом и.. © ‚‰‚.., Экзоны Ген 1 23 РНК-предшественник 5' 3' Интроны Интроны вырезаются, экзоны сшиваются 5' 1 2 3 4 3' 5'-район и 3'-район (желтые) не транслируются, но могут играть роль в регуляции трансляции Образование “шапочки” Хвост из полиадениловой кислоты Информационная (эффективность трансляции) (стабилизация молекулы мРНК, (матричная) РНК эффективность трансляции) Ядро Ядерная мембрана Цитоплазма Трансляция (синтез белка) Рис. 1. Созревание информационной РНК: нуклеотидные последовательности интронов удаляются, экзоны сшиваются (сплайсинг). Стрелка на 5'-конце указывает начало транскрипции.

сохраняющиеся в составе зрелой РНК, называют фикация: навешивание специальной нуклеотидной экзонами. Зрелая информационная РНК, содержа- структуры – “шапочки” и присоединение к хвосту щая экзоны, транслируется в цитоплазме с участи- молекулы остатков адениловой (А) кислоты. Такая модификация обеспечивает стабильность мРНК и ем рибосом. Оказалось, что экзон-интронная структура генов эукариот является скорее прави- способность к трансляции в цитоплазме с участием рибосом.

лом, а гены без интронов – немногочисленными исключениями. Гены бактерий обычно не содержат Процесс удаления интронов и сшивания экзонов экзонов. Экзоны включают последовательность получил название сплайсинга (от англ. to splice – нуклеотидов, содержащую следующие друг за друсоединять концы). РНК-предшественник может согом кодоны (нуклеотидные триплеты), определяюдержать один-два или десятки интронов, размеры щие положение аминокислот в белке [2]. Молекулы которых сильно варьируют (от 50 до нескольких тыРНК, как и комплементарные нити двойной спирасяч нуклеотидов). В результате удаления интронов ли ДНК, полярны [3], различают 5'- и 3'-концы моРНК укорачивается. Поэтому длина РНК-предшелекулы. Участки экзонов или даже отдельные целые ственника (тысячи и десятки тысяч нуклеотидов) экзоны, располагающиеся на 5'- и 3'-концах молечасто в несколько раз превосходит длину информакулы информационной РНК, могут не использоционной РНК. Сплайсинг РНК происходит в ядре ваться при трансляции, они не кодируют аминопо мере образования (транскрипции) РНК на ДНКкислоты. Такие нетраслируемые участки, однако, матрице (см. [1]).

необходимы для эффективной трансляции или стабилизации мРНК (см. рис. 1). Некодирующий учаМеханизм сплайсинга должен осуществляться сток на 3'-конце может определять локализацию точно, ошибки при вырезании интронов и сшивамРНК как в клетке, так и в пространственно огра- нии экзонов могут привести к нарушению кодируниченном участке ткани развивающегося эмбрио- ющей способности сшитых экзонов. В результате на. По концам мРНК проходит химическая моди- белок, закодированный в последовательности РНК,, ‹12, AAAAAAA AAAAAAA не будет образовываться. Молекулярный механизм 3' 5' сплайсинга представляет собой последовательные этапы упорядоченных, следующих друг за другом Сигнал Хромосома взаимодействий компонентов машины сплайсинга идти в ядро с новосинтезированным РНК-предшественником.



3' Белок Эти компоненты, катализирующие процесс сплаймяРНК синга, представлены так называемыми малыми ядерными РНК (мяРНК) и белками, которые не Цитоплазма 5' только определяют эффективность сплайсинга, но и, как будет видно, могут менять его характер.

Рибонуклеопротеиновая Молекулярные механизмы сплайсинга РНКчастица – компонент Ядро предшественника практически одинаковы у всех сплайсосомы Белок эукариот – от дрожжей и микроскопического почвенного червяка до позвоночных. Компоненты машины сплайсинга, в том числе мяРНК, очень сходны по своему строению и свойствам. Это говорит о том, что сплайсинг возник в процессе эволюции до- Общий механизм сплайсинга статочно давно. Экзон-интронная структура генов мяРНК5' также является древней. Было, например, выясне- 3' 5' но, что ген глицеральдегид-3-фосфатдегидрогена- мяРНК1 3' Экзон 1 Экзон 2 3' зы, участвующей в метаболизме глюкозы, как в яд- 5' GU Интрон AG ре, так и в ДНК хлоропластов растений содержит A пять интронов в идентичных положениях. Считается, что хлоропласты возникли в результате эволюРасщепление пре-мРНК с образованием структуры лассо ции из бактерий-симбионтов эукариотических клеток, имеющих обособленное ядро. Следовательно, G (гуанин) эти интроны уже существовали у общего предка эу- U (уридин) Экзон 1 Экзон A (аденин) A кариот и прокариот (бактерий), не имеющих обособленного ядра.

Взаимодействие молекул РНК при сплайсинге Прежде всего рассмотрим, какую роль в сплайсинге играют мяРНК, которые кодируются специальными генами. Молекулы мяРНК становятся активными только после того, как они побывают в мяРНКU цитоплазме, где происходит химическая модификаG мяРНК3' ция их 5'-концов (рис. 2). Вновь образованные хиGA 5' мические группы, включающие метилированные Консер- A остатки гуанина (G), узнаются белками. Эти белки вативная Крайние G-нуклеотиды петля содержат специфические ярлыки, представленные интрона взаимодействуют, определенными последовательностями аминокиссближая экзоны лот, которые диктуют переход в ядро комплекса белок – мяРНК. Таким образом, цитоплазма также N N R участвует в созревании ядерных предшественников мяРНК и, следовательно, других типов клеточных H РНК. Молекулы мяРНК присоединяются к РНКO G N H N предшественнику и друг к другу посредством ком- H N плементарных взаимодействий [2], подобных тем, N H N которые наблюдаются в двуспиральной ДНК, где H N G O они представлены парами Уотсона–Крика [3]. Здесь H взаимодействуют G (гуанин) с С (цитозином) и А R N N (аденин) с U (уридином), которому в ДНК соответствует тимидин. На участках, где могут осуществНеобычная G–G-пара ляться такие комплементарные взаимодействия, образуются РНК-спирали, обозначенные на рис. Рис. 2. Механизм сплайсинга с участием малых штрихами, соединяющими молекулы РНК. Удалеядерных РНК. Взаимодействия комплементарных ние интрона возможно лишь в случае, если на грануклеотидных пар показаны штрихами. Обозначеницах с экзонами находятся так называемые незание оснований такое же, как в статьях [2, 3]. Ломаменимые канонические нуклеотиды – GU на одном ной линией показаны G-G-взаимодействия, обусконце и AG на другом. Замены этих нуклеотидов на ловленные водородными связями.

.. Ядерная мембрана Белок UG Экзон Экзон мяРНКдругие в результате точечных мутаций (например, G с мяРНК 1, затем образуются лассо и сложная многона С) вызывают нарушение сплайсинга и прекраще- компонентная структура, представленная на рис. 2.

ние образования нормального белка, кодируемого Пространственная структура взаимодействующих геном. Подобные мутации обнаружены, например, участков молекул РНК обеспечивает каталитические в генах глобинов у человека. Недостаточность гло- реакции разрыва одних межнуклеотидных связей и бина (гемоглобина) в таком случае приводит к ане- возникновение новых. В основе катализа лежит спомии. Этот дефект, вызванный мутацией в гене гло- собность РНК образовывать описанные структуры, бина, приводит к наследственной болезни. обеспечивающие высокую реакционную способность определенных нуклеотидов, расположенных Замены нуклеотидов в интроне нарушают компо длине молекул РНК. Возникновение таких плементарные взаимодействия РНК-предшественструктур обеспечивает точность сплайсинга. В ряде ника (пре-мРНК) с мяРНК 1 и 2 (см. рис. 2). Важным случаев, например в транскриптах генов клеточных элементом в нуклеотидной последовательности инорганелл (митохондрий или хлоропластов), образотрона является A (аденин), который не образует павание сложной трехмерной структуры в районе инры с U и, следовательно, не входит в состав двойной трона обеспечивает его вырезание и сшивание экзоспирали в результате взаимодействия с мяРНК 2.

нов без участия белков. Такой процесс, не зависящий Поэтому этот А обладает особой реакционной споот белков, называют самосплайсингом.

собностью. В результате при разрыве межнуклеотидной связи на границе экзон 1 – интрон образуетОбнаружение способности молекул РНК катася ковалентная эфирная связь между гидроксилом лизировать собственные химические превращения рибозы аденозина и фосфатной группой первого или модификацию (созревание) других молекул нуклеотида (G) интрона. Соответствующие струкРНК позволило назвать их рибозимами по аналотурные формулы можно найти в статье [3]. Возникгии с ферментами (энзимами) – хорошо изученшая промежуточная структура напоминает лассо ными биологическими катализаторами. Необхо(рис. 2). Затем интрон выщепляется и частично или димо отметить, что активность рибозимов сильно полностью деградирует, а экзоны сшиваются с обувеличивается, когда они находятся в комплексе с разованием фосфодиэфирных связей. В основном белками. В обоих случаях успешный ход катализа благодаря биохимическим исследованиям in vitro обеспечивается трехмерными структурами белка удалось выяснить, что представляет собой промеили РНК–РНК-комплекса. Повреждение этих жуточная структура при сплайсинге экзонов, в соструктур останавливает реакцию. В случае рибозистав которой входят по крайней мере три типа мов первостепенную роль играют комплементармяРНК: 2, 5 и 6. Молекула мяРНК 5 содержит петлю ные взаимодействия нуклеотидных пар. Заметим, из неспаренных нуклеотидов на ножке (стволике), однако, что белки ускоряют взаимодействия мяРНК где нуклеотиды образуют пары, создавая двойную с пре-мРНК. Присутствие белков показано на схеме РНК-спираль. Нуклеотиды петли, взаимодействуя (рис. 2) лишь в одном месте (вблизи AG нуклеотиза счет водородных связей с экзонами, удерживают дов) ввиду того, что механизмы действия и районы их вблизи друг от друга. Молекула мяРНК 2, сохрасвязывания других белков, способных специфичесняя взаимодействие с интроном (A нуклеотид не ки узнавать участки РНК, изучены недостаточно.





образует пары!), “спаривается” другим своим участком с мяРНК 6. В сплайсинге принимают участие белки, обладающие ферментативной активностью. Для сборки На рис. 2 показаны также так называемые некакомплекса, катализирующего сплайсинг, необходинонические взаимодействия двух G (гуанинов), намо потребление энергии в виде расщепляемых моходящихся по краям интрона. Эти взаимодействия лекул АТФ, поэтому в его составе обнаруживаются помогают стягивать экзоны и осуществлять сплайбелки, обладающие аденозинтрифосфатазной аксинг. Характер водородных связей функциональтивностью. Кроме того, здесь функционируют и ных групп гуанина отличается от классических, наРНК-хеликазы – ферменты, способные расплетать блюдаемых в паре G–C Уотсона и Крика (см. [3]).

при потреблении АТФ двойные спирали РНК-РНК.

Так, аминогруппа G, участвующая в установлении Эти ферменты подобны ДНК-хеликазам, расплетаюкомплементарных взаимодействий с С, здесь остащим двунитевую спираль ДНК при репликации моется вне игры (рис. 2). Отметим, что мяРНК 6 тольлекулы ДНК [3]. Хеликазы обеспечивают ход сплайко на определенном этапе сплайсинга становится синга. Они вовремя разрушают одни РНК-РНК способной к изображенным на рис. 2 взаимодействзаимодействия (например, мяРНК 4 – мяРНК 6), виям, перед этим мяРНК 6 находилась в прочном способствуя тем самым возникновению новых некокомплексе с мяРНК 4 (не показано на рис. 2) за счет валентных связей между молекулами РНК. Таким протяженного участка комплементарных нуклеообразом, последовательность событий, ведущих к тидных пар. Другими словами, мяРНК 4 до поры до сплайсингу экзонов, достаточно жестко определена, времени блокировала активность мяРНК 6.

причем каждая последующая стадия (или реакция) Таким образом, сплайсинг протекает в несколь- обусловлена предыдущей. Реакции сплайсинга осуко этапов: начинается с взаимодействия пре-мРНК ществляются в крупном рибонуклеопротеидном, ‹12, комплексе – тельце, содержащем несколько моле- зультате образуются так называемые изоформы кул РНК и десятки белков, необходимых для эф- белка. Это наблюдаемое для многих генов явление фективного сплайсинга. Эта структура получила выбора путей созревания мРНК получило название название сплайсосомы. альтернативного сплайсинга. Многие гены содержат десяток и более экзонов. Поэтому число вариМногокомпонентность машины сплайсинга антов зрелых молекул иРНК, содержащих разные позволяет ускорять или тормозить процесс созреваэкзоны, потенциально может быть достаточно ния РНК, если изменять концентрацию отдельных большим, приближаясь к величине 2n, где n – число компонентов или вызывать их химическую модиэкзонов. Таким образом, экзон-интронная структуфикацию. Например, наблюдали фосфорилировара оказывается чрезвычайно экономичной, обеспение белков сплайсинга, сопровождающееся активачивая большое разнообразие белков, кодируемых цией одних и инактивацией других белков.

разными мРНК, которые, однако, произошли из одного и того же РНК-предшественника в результа те транскрипции одного гена.

Случаи альтернативного сплайсинга имеют месОказалось, что экзоны, если их несколько, могут то в мышечной ткани, приводя к образованию сшиваться (сплайсироваться) в разных комбинаци- функционально различающихся, но во многом ях. Более того, нуклеотидная последовательность, сходных (содержат общие экзоны!) белков. Это же выступающая как экзон в одном случае, ведет себя явление широко распространено в нервной ткани, как интрон в другом. Эти возможности выбора пу- где, как известно, транскрибируется огромное мнотей сплайсинга молекулы РНК-предшественника жество генов, обеспечивая разнообразие белков.

представлены на рис. 3. Так, например, участок эк- Так, например, разнообразие белков оболочки нервзона 1а может вести себя как интрон. Другой случай ных волокон обусловлено альтернативным сплайдемонстрирует образование двух разных РНК, не- сингом. Альтернативный сплайсинг нередко испольсущих участки, кодирующие разные белковые струк- зуется при синтезе вариантов белков – “факторов туры. Так, если экзон 2 кодирует в молекуле белка транскрипции“ [1], необходимых для включения элементы -спирали, а экзон 3 – так называемой (или выключения) гена и работы РНК-полимеразы.

Pages:     || 2 |










© 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.