В.А. Гвоздев - Регуляция активности генов при созревании клеточных РНК (статья)

REGULATIONOF GENE EXPRESSIONIN THE COURSEOF RNA MATURATIONРЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИГЕНОВ ПРИ СОЗРЕВАНИИКЛЕТОЧНЫХ РНКV. A. GVOZDEVÇ. Ä. ÉÇéáÑÖÇChemical transformationsof new nuclear RNA in thecourse of maturation associated with the discontinuous nature of genes werestudied. Alternative waysof RNA maturation formthe basis of gene regulation and allow to optimizethe use of informationencoded in nucleotidesequence of genes.© É‚ÓÁ‰Â‚ Ç.Ä., 1996ê‡ÒÒÏÓÚÂÌ˚ ÔÓˆÂÒÒ˚ÒÓÁ‚‡ÌËfl (ıËÏ˘ÂÒÍËÂÔ‚‡˘ÂÌËfl) fl‰ÂÌÓÈÌÓ‚ÓÓ·‡ÁÓ‚‡ÌÌÓÈ êçä,Ó·ÛÒÎÓ‚ÎÂÌÌ˚ ÔÂ˚‚ËÒÚÓÈ ÒÚÛÍÚÛÓÈ „ÂÌÓ‚. ÄθÚÂ̇ÚË‚Ì˚ ÔÛÚË ÒÓÁ‚‡ÌËfl ÏÓÎÂÍÛÎ˚ êçä fl‚Îfl˛ÚÒfl ÓÒÌÓ‚ÓÈ ‰Îfl „ÂÌÌÓÈ „ÛÎflˆËË, ÓÌË Ó·ÂÒÔ˜˂‡˛Ú˝ÍÓÌÓÏ˘ÌÓÒÚ¸ ËÒÔÓθÁÓ‚‡ÌËfl ËÌÙÓχˆËË, Á‡ÍÓ‰ËÓ‚‡ÌÌÓÈ ‚ ÌÛÍÎÂÓÚˉÌÓÈ ÔÓÒΉӂ‡ÚÂθÌÓÒÚË „ÂÌÓ‚.åÓÒÍÓ‚ÒÍËÈ „ÓÒÛ‰‡ÒÚ‚ÂÌÌ˚È ÛÌË‚ÂÒËÚÂÚËÏ.

å.Ç. ãÓÏÓÌÓÒÓ‚‡ÇÇÖÑÖçàÖГенами называют участки ДНК, используемыедля кодирования белков и некоторых клеточныхРНК. РНК, способные кодировать белки, называютинформационными, или матричными, РНК (иРНКили мРНК). Кроме того, ряд генов определяет синтез РНК рибосом, транспортных РНК, специального класса РНК, участвующего в процессах секрециибелков, и, наконец, малых ядерных РНК, обеспечивающих созревание РНК. Транскрипция генов с образованием РНК у эукариот осуществляется в ядре[1], после чего новообразованная РНК претерпевает сложные превращения, сопровождающиеся химической модификацией молекул и укорочениемих размеров. Эти процессы обеспечивают созревание молекул РНК.

Созревшие молекулы переходятв цитоплазму, где и функционируют, кодируя белкиили, например, входя в состав рибосом, осуществляющих синтез белка. Активность генов может регулироваться не только в результате измененияинтенсивности образования РНК (транскрипциигенов), но и благодаря контролю за созреваниемРНК (информационных, рибосомных, транспортных и др.), претерпевающих в ядре сложные превращения.Вопросы, касающиеся регуляции транскрипциигенов, обсуждались ранее [1]. Здесь же остановимсяна рассмотрении механизмов созревания РНК.Увидим, каким образом на стадиях созревания РНКв ядре может осуществляться регуляция работы генов.

Станет очевидным, что странная на первыйвзгляд прерывистая структура генов не только обеспечивает тонкую регуляцию их активности, но испособствует экономному, эффективному использованию информации, закодированной в нуклеотидной последовательности ДНК.ëéáêÖÇÄçàÖ àçîéêåÄñàéççõï,àãà åÄíêàóçõï, êçä, äéÑàêìûôàï ÅÖãäàВ 1977 году была установлена прерывистость генов у эукариот. Оказалось, что кодирующие белокпоследовательности прерываются вставками, которые не кодируют белок и при созревании молекулы удаляются из предшественника РНК. Эти участки были названы интронами (рис. 1).

УчасткиРНК, ковалентно соединяющиеся друг с другом иÉÇéáÑÖÇ Ç.Ä. êÖÉìãüñàü ÄäíàÇçéëíà ÉÖçéÇ11ЭкзоныГенРНК-предшественник12345'3'ИнтроныИнтроны вырезаются,экзоны сшиваются5'12343'5'-район и 3'-район (желтые) не транслируются,но могут играть роль в регуляции трансляцииИнформационная(матричная) РНКAAAAAAAОбразование “шапочки”(эффективность трансляции)Хвост из полиадениловой кислоты(стабилизация молекулы мРНК,эффективность трансляции)ЯдроЦитоплазмаЯдернаямембранаТрансляция (синтез белка)AAAAAAAРис.

1. Созревание информационной РНК: нуклеотидные последовательности интронов удаляются, экзоны сшиваются (сплайсинг). Стрелка на 5'-конце указывает начало транскрипции.сохраняющиеся в составе зрелой РНК, называютэкзонами. Зрелая информационная РНК, содержащая экзоны, транслируется в цитоплазме с участием рибосом. Оказалось, что экзон-интроннаяструктура генов эукариот является скорее правилом, а гены без интронов – немногочисленнымиисключениями. Гены бактерий обычно не содержатэкзонов. Экзоны включают последовательностьнуклеотидов, содержащую следующие друг за другом кодоны (нуклеотидные триплеты), определяющие положение аминокислот в белке [2]. МолекулыРНК, как и комплементарные нити двойной спирали ДНК, полярны [3], различают 5'- и 3'-концы молекулы.

Участки экзонов или даже отдельные целыеэкзоны, располагающиеся на 5'- и 3'-концах молекулы информационной РНК, могут не использоваться при трансляции, они не кодируют аминокислоты. Такие нетраслируемые участки, однако,необходимы для эффективной трансляции или стабилизации мРНК (см. рис. 1). Некодирующий участок на 3'-конце может определять локализациюмРНК как в клетке, так и в пространственно ограниченном участке ткани развивающегося эмбриона. По концам мРНК проходит химическая моди-12фикация: навешивание специальной нуклеотиднойструктуры – “шапочки” и присоединение к хвостумолекулы остатков адениловой (А) кислоты.

Такаямодификация обеспечивает стабильность мРНК испособность к трансляции в цитоплазме с участиемрибосом.Процесс удаления интронов и сшивания экзоновполучил название сплайсинга (от англ. to splice –соединять концы). РНК-предшественник может содержать один-два или десятки интронов, размерыкоторых сильно варьируют (от 50 до нескольких тысяч нуклеотидов).

В результате удаления интроновРНК укорачивается. Поэтому длина РНК-предшественника (тысячи и десятки тысяч нуклеотидов)часто в несколько раз превосходит длину информационной РНК. Сплайсинг РНК происходит в ядрепо мере образования (транскрипции) РНК на ДНКматрице (см. [1]).Механизм сплайсинга должен осуществлятьсяточно, ошибки при вырезании интронов и сшивании экзонов могут привести к нарушению кодирующей способности сшитых экзонов. В результатебелок, закодированный в последовательности РНК,ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹12, 1996Ядене будет образовываться.

Молекулярный механизмсплайсинга представляет собой последовательныеэтапы упорядоченных, следующих друг за другомвзаимодействий компонентов машины сплайсингас новосинтезированным РНК-предшественником.Эти компоненты, катализирующие процесс сплайсинга, представлены так называемыми малымиядерными РНК (мяРНК) и белками, которые нетолько определяют эффективность сплайсинга, нои, как будет видно, могут менять его характер.мбранаСигналидтив ядроХромосома3'БелокмяРНКЦитоплазма5'Рибонуклеопротеиноваячастица – компонентсплайсосомыБелокЯдроОбщий механизм сплайсингамяРНК23'5'мяРНК13'5'Экзон 1GU5'клоБеИнтронAAGЭкзон 23'Расщепление пре-мРНК с образованием структуры лассоG (гуанин)U (уридин)A (аденин)Экзон 1Экзон 1AВзаимодействие молекул РНК при сплайсингеЭкзонмяРНК5UGGAA2зЭкК2онмяРНК6NHH NHNN GR N3'5'Крайние G-нуклеотидыинтрона взаимодействуют,сближая экзоныРНКонсервативнаяпетля1мяПрежде всего рассмотрим, какую роль в сплайсинге играют мяРНК, которые кодируются специальными генами.

Молекулы мяРНК становятся активными только после того, как они побывают вцитоплазме, где происходит химическая модификация их 5'-концов (рис. 2). Вновь образованные химические группы, включающие метилированныеостатки гуанина (G), узнаются белками. Эти белкисодержат специфические ярлыки, представленныеопределенными последовательностями аминокислот, которые диктуют переход в ядро комплекса белок – мяРНК. Таким образом, цитоплазма такжеучаствует в созревании ядерных предшественниковмяРНК и, следовательно, других типов клеточныхРНК. Молекулы мяРНК присоединяются к РНКпредшественнику и друг к другу посредством комплементарных взаимодействий [2], подобных тем,которые наблюдаются в двуспиральной ДНК, гдеони представлены парами Уотсона–Крика [3]. Здесьвзаимодействуют G (гуанин) с С (цитозином) и А(аденин) с U (уридином), которому в ДНК соответствует тимидин.

На участках, где могут осуществляться такие комплементарные взаимодействия,образуются РНК-спирали, обозначенные на рис. 2штрихами, соединяющими молекулы РНК. Удаление интрона возможно лишь в случае, если на границах с экзонами находятся так называемые незаменимые канонические нуклеотиды – GU на одномконце и AG на другом. Замены этих нуклеотидов на3'5'я меUGМолекулярные механизмы сплайсинга РНКпредшественника практически одинаковы у всехэукариот – от дрожжей и микроскопического почвенного червяка до позвоночных.

Компоненты машины сплайсинга, в том числе мяРНК, очень сходны по своему строению и свойствам. Это говорит отом, что сплайсинг возник в процессе эволюции достаточно давно. Экзон-интронная структура геновтакже является древней. Было, например, выяснено, что ген глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы, участвующей в метаболизме глюкозы, как в ядре, так и в ДНК хлоропластов растений содержитпять интронов в идентичных положениях. Считается, что хлоропласты возникли в результате эволюции из бактерий-симбионтов эукариотических клеток, имеющих обособленное ядро. Следовательно,эти интроны уже существовали у общего предка эукариот и прокариот (бактерий), не имеющих обособленного ядра.рнаON RG NNOHN HHNНеобычная G–G-параРис.

2. Механизм сплайсинга с участием малыхядерных РНК. Взаимодействия комплементарныхнуклеотидных пар показаны штрихами. Обозначение оснований такое же, как в статьях [2, 3]. Ломаной линией показаны G-G-взаимодействия, обусловленные водородными связями.ÉÇéáÑÖÇ Ç.Ä. êÖÉìãüñàü ÄäíàÇçéëíà ÉÖçéÇ èêà ëéáêÖÇÄçàà äãÖíéóçõï êçä13другие в результате точечных мутаций (например, Gна С) вызывают нарушение сплайсинга и прекращение образования нормального белка, кодируемогогеном. Подобные мутации обнаружены, например,в генах глобинов у человека. Недостаточность глобина (гемоглобина) в таком случае приводит к анемии.

Этот дефект, вызванный мутацией в гене глобина, приводит к наследственной болезни.Замены нуклеотидов в интроне нарушают комплементарные взаимодействия РНК-предшественника (пре-мРНК) с мяРНК 1 и 2 (см. рис. 2). Важнымэлементом в нуклеотидной последовательности интрона является A (аденин), который не образует пары с U и, следовательно, не входит в состав двойнойспирали в результате взаимодействия с мяРНК 2.Поэтому этот А обладает особой реакционной способностью. В результате при разрыве межнуклеотидной связи на границе экзон 1 – интрон образуется ковалентная эфирная связь между гидроксиломрибозы аденозина и фосфатной группой первогонуклеотида (G) интрона. Соответствующие структурные формулы можно найти в статье [3]. Возникшая промежуточная структура напоминает лассо(рис. 2).