Понятие о мозаичной структуре генов, первичных транскриптах и их посттранскрипционном процессинге (созревании РНК)

Созревание мРНК

Первичные транскрипты, образуемые РНК-полимеразами, еще не являются фун­кционально активными молекулами и нуждаются в посттранскрипционной дост­ройке. Созревание пре-мРНК включает три процесса: образование колпачка на 5'-конце, образование полиА-последовательности на З'-конце и удаление интронов (сплайсинг). Все эти процессы происходят в ядре.

Модификация начинается на стадии элонгации с образования «колпачка» (кэпа). Когда цепь РНК достигает 30-40 нуклеотидов, к ее 5'-концу присоединяет­ся ГТФ своим 5'-концом. Образуется 5',5'-фосфодиэфирная связь. Затем гуанин в составе ГТФ метилируется. «Колпачок» представляет собой 7-метилгуанозинтри-фосфат в составе мРНК, присоединенный «не тем концом», т. е. не 3', а 5'-концом к 5'-концу следующего нуклеотида (X) через три остатка фосфорной кислоты (р):

7-метил-G (5') ррр (5') X—...

«Колпачок» участвует в инициации трансляции мРНК.

На З'-конце у большей части молекул пре-мРНК образуются полиадениловые последовательности длиной 100-200 нуклеотидных остатков при участии специ­ального фермента полиА-полимеразы. Возможно, что полиА-последовательности защищают мРНК от гидролиза клеточными РНКазами.

Сплайсинг — сложный процесс, связанный с тем, что в генах эукариот есть участки ДНК, интроны, не несущие структурной информации, т. е. информации о последовательности аминокислот, и вклинивающиеся в разных местах в гены, кодирующие белки. Ген, таким образом, оказывается разбитым на ряд кусков. При транскрипции получается РНК (первичный транскрипт), включающая участки, комплементарные как структурным частям, так и интронам. Длина та­кой РНК может быть в несколько раз больше, чем длина зрелой мРНК. В ходе со­зревания интроны удаляются, а экзоны соединяются. Это происходит при учас­тии малых ядерных рибонуклеопротеинов (мяРНП, или сплайсосомы), которые содержат малую ядерную РНК (мяРНК) и олигомерный белок. Сплайсосомы име­ют центр связывания, узнающий специфические последовательности нуклеоти­дов интрона, гидролизуют 3',5'-фосфодиэфирные связи на границах между нитро­ном и двумя экзонами и соединяют экзоны друг с другом.

Каталитической активностью обладает не белковая часть сплайсосомы, а мяРНК; такие РНК называют рибозимами. Интроны вырезаются один за другим, и лишь после завершения сплайсинга мРНК поступает в цитозоль.

В некоторых случаях в результате сплайсинга из одинаковых первичных транс-криптов образуются разные мРНК: некоторые интроны в некоторых молекулах.

первичного транскрипта не вырезаются, а сохраняются в зрелой мРНК (альтерна­тивный сплайсинг). Таким путем в результате действия одного гена может образо­ваться несколько разных зрелых мРНК, а затем и белков.

Гены некоторых белков не содержат интронов (например, гены гистонов), многие содержат небольшое количество, но есть и такие, в которых интронов очень много. Например, ген альфа-цепи коллагена содержит 50 интронов. Биологи­ческое значение прерывистой структуры генов неизвестно.

Биосинтез белков (трансляция). Реализация генетической информации в фенотипические признаки, осуществляемая в направлении ДНКà мРНКàбелок (основной постулат молекулярной биологии). Концепция один ген - один белок или точнее один ген - одна полипептидная цепь.

Каким образом гены контролируют синтез белков? Можно представить два механизма: а) ген просто включает и выключает синтез белка; б) ген содержит инструкцию о строении белка.

В решении этого вопроса помогло исследование другой наследственной болез­ни человека — серповидно-клеточной анемии. Л. Полинг (США) в 1949 г. обнару­жил, что гемоглобин таких больных отличается от гемоглобина здоровых людей по электрофоретической подвижности. Как стало ясно позднее, это различие обусловлено заменой 6Glu -> Val в (3-цепи гемоглобина. Отсюда следовал вывод, что ген определяет первичную структуру белков. При этом информация, записан­ная с помощью определенного чередования нуклеотидных остатков, переводится в информацию, записанную чередованием аминокислотных остатков. Это можно сравнить с переводом записи, сделанной азбукой Морзе, на буквенную запись.

ДНК в клетках эукариот сосредоточена главным образом в ядре, а синтез бел­ков обнаруживается и в частях клетки, не содержащих ДНК. Роль промежуточ­ного переносчика информации от ДНК к местам синтеза белка выполняют рибо­нуклеиновые кислоты. Направление потока информации в клетке от генотипа к фенотипу представляют так: ДНК -> РНК -> белки. Иначе говоря, ДНК служит матрицей для синтеза РНК, а РНК — матрицей для синтеза белков. Это положение называют основным постулатом молекулярной биологии.

БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВ (ТРАНСЛЯЦИЯ)

Важное значение для изучения механизмов трансляции имеет использование бес­клеточных систем биосинтеза белков. Если инкубировать гомогенаты тканей со смесью аминокислот, из которых хотя бы одна меченая, то по включению метки в белки можно регистрировать биосинтез белков. В результате исследования таким методом разных фракций гомогената было установлено, что для биосинтеза бел­ков необходимы следующие компоненты:

аминокислоты факторы инициации, элонгации, терминации

транспортные РНК аминоацил-тРНК-синтетазы

матричная РНК АТФ, ГТФ

рибосомы ионы Mg2+

Первичная структура синтезируемого белка определяется первичной структу­рой мРНК, добавленной в систему. Если бесклеточная система составлена с глобиновой мРНК (ее можно выделить из ретикулоцитов), синтезируется глобин (альфа- и бета-цепи глобина); если с альбуминовой мРНК, выделяемой из гепатоцитов, синте­зируется альбумин, и т. д.

Каждый триплет кодирует только какую-нибудь одну аминокис­лоту. Это свойство кода называют специфичностью или однозначностью. С дру­гой стороны, одна аминокислота может кодироваться двумя или большим числом (до шести) разных триплетов, т. е. код вырожденный.

Представление о коллинеарности, т.е. соответствии нуклеотидной последовательности экзонов гена и аминокислотной последовательности соответствующего белка. Практическая значимость коллинеарности в биохимии.

Колинеарность

Соответствие между нуклеотидной последовательностью ДНК и аминокислотной последовательностью белка называют колинеарностью. Это означает, что изменение последовательности нуклеотидов в гене отражается на последовательности аминокислот в белке.

Ген не всегда колинеарен своим РНК или белкам

Большинство генов эукариот обладает мозаичной структурой кодирующих и некодирующих последовательностей нуклеотидов - экзонов и интронов. Лишь в результате сплайсинга предшественников мРНК заключенные в них интроны вырезаются и восстанавливается колинеарность гена, мРНК и белкового продукта. Удаление избыточных последовательностей в результате сплайсинга происходит не только на уровне РНК, но и на уровне полипептидных цепей.

Редактирование кодирующего потенциала РНК на посттранскрипционном уровне широко распространено у животных, растений и микроорганизмов. Пока нет ответа на вопрос, почему организму выгоднее не сохранять всю необходимую генетическую информацию в исходном гене, а корректировать ее уже в процессе реализации.

Биологический код - способ перевода четырехзначной нуклеотидной записи информации в двадцатизначную аминокислотную последовательность. Свойства биологического кода, его универсальность.

Биологический код

Биосинтез белков (трансляция) отличается от других типов матричных биосинте­зов — репликации и транскрипции — двумя принципиальными особенностями:

1) нет соответствия между числом знаков (мономеров) в матрице и в продукте реакции (в мРНК 4 разных нуклеотида, в белке 20 разных аминокислот);

2) структура рибонуклеотидов (мономеров матрицы) и аминокислот (мономе­ров продукта) такова, что избирательные взаимодействия между ними, по­добные образованию пар А«««Т или G«««C, невозможны; иначе говоря, между мРНК (матрицей) и пептидной цепью белка (продуктом) нет комплементарности.

Из этого следует, что механизм использования матрицы при биосинтезе белков должен быть иным, чем в случае синтеза ДНК или РНК. Если репликацию и транс­крипцию можно сравнить просто с переписыванием текста, то трансляция — это дешифровка, декодирование информации об аминокислотной последовательнос­ти, записанной (закодированной) с помощью нуклеотидной последовательности. Способ шифровки в нуклеиновых кислотах информации о первичной структуре белков получил название биологического кода (его называют также генетичес­ким, нуклеотидным, аминокислотным кодом).

Кодовое число

Один из первых вопросов, который возникает при выяснении структуры биоло­гического кода, это вопрос о кодовом числе, т. е. о числе нуклеотидных остатков, кодирующих включение в белок одной аминокислоты. Очевидно, что кодовое число не может быть равным 1, так как в этом случае с помощью четырех нуклеотидов можно было бы закодировать только четыре аминокислоты. При кодовом числе 2 количество разных нуклеотидных пар будет равно числу перестановок из четырех элементов по 2, т. е. равно 4² = 16, что тоже недостаточно для кодирова­ния всех аминокислот. Число разных троек нуклеотидов равно 4³ = 64. Это в три с лишним раза превышает минимальное число, необходимое для кодирования 20 аминокислот. Экспериментально доказано, что в биологическом коде кодовое число равно 3: тройку нуклеотидных остатков (триплет), кодирующих включение одной аминокислоты, называют кодоном.

Смысл кодонов

Для выяснения смысла кодонов, т. е. вопроса, какой аминокислоте соответствует каждый из кодонов, были использованы бесклеточные системы синтеза белков. В такой системе матрицей могут служить синтетические рибонуклеиновые кисло­ты с известной нуклеотидной последовательностью, например поли(U). В этой РНК имеются триплеты только одного типа — UUU:

UUU—UUU—UUU—...

В бесклеточной системе с поли(U) в качестве матрицы синтезируется поли-фенилаланин —Фен—Фен—Фен—... Из этого следует, что триплет UUU служит кодоном фенилаланина. Если в качестве матрицы используется поли(С), то син­тезируется полипролин; следовательно, триплет ССС кодирует аминокислоту пролин. Для выяснения смысла других кодонов применялись смешанные синте­тические полимеры рибонуклеотидов с известными триплетами. Такие опыты одновременно послужили доказатель­ством того, что кодовое число равно трем.

Из 64 триплетов 61 используется для кодирования аминокислот, а 3 — UAA, UAG и UGA — обозначают конец матрицы (терминирующие триплеты): на этих триплетах обрывается дальнейшее наращивание пептидной цепи.

Отметим, что каждый триплет кодирует только какую-нибудь одну аминокис­лоту. Это свойство кода называют специфичностью или однозначностью. С дру­гой стороны, одна аминокислота может кодироваться двумя или большим числом (до шести) разных триплетов, т. е. код вырожденный.

К настоящему времени биологический код изучен у большого количества разных организмов — от вирусов и бактерий до высших животных. Во всех случаях он ока­зался одинаковым; известны лишь очень редкие исключения, когда у некоторых видов организмов смысл одного-двух кодонов не совпадает. Эта универсальность кода лишний раз свидетельствует о единстве про­исхождения всех форм жизни на Земле.