ПРО РНК (Раздаточные материалы), страница 3

Сплайсинг — это процесс, в котором из мРНК удаляются участки некодирующей белок последовательности, называемые интронами; последовательности, которые остаются, включают в себя кодирующие белки нуклеотиды, и называются экзонами. Иногда пред-мРНК могут быть соединены разными способами, позволяя одному гену кодировать несколько белков. Этот процесс называется альтернативным сплайсингом. Сплайсинг обычно производится РНК-белковым комплексом, который называется сплайсосома, но некоторые молекулы мРНК также могут катализировать сплайсинг (см. рибозимы).

Транспорт

Другое различие между эукариотами и прокариотами — транспорт мРНК. Из-за того, что эукариотические транскрипция и трансляция пространственно разделены, эукариотические мРНК должны быть выведены из ядра в цитоплазму. Зрелые мРНК распознаются по наличию модификаций и покидают ядро через ядерные поры, в цитоплазме мРНК образует нуклеопротеидные комплексы - информосомы, в составе которых транспортируется к рибосомам.

Трансляция

Поскольку прокариотическая мРНК не нуждается в обработке и транспортировке, трансляция рибосомой может начаться немедленно после транскрипции. Следовательно, можно сказать, что трансляция у прокариот совмещена с транскрипцией и происходит ко-транскрипционнно.

Эукариотическая мРНК должна быть обработана и доставлена из ядра в цитоплазму, и только тогда может быть транслирована рибосомой. Трансляция может происходить как на рибосомах, находящихся в цитоплазме в свободном виде, так и на рибосомах, ассоциированных со стенками эндоплазматического ретикулума. Таким образом, у эукариот трансляция не совмещена напрямую с транскрипцией.

Регуляция трансляции

Так как у прокариот транскрипция совмещена с трансляцией, прокариотическая клетка может быстро реагировать на изменения в окружающей среде путём синтеза новых белков, то есть регуляция происходит, в основном, на уровне транскрипции. У эукариот из-за необходимости в редактировании и транспорте мРНК ответ на внешние стимулы занимает больше времени. Поэтому их синтез белка интенсивно регулируется на посттранскрипционном уровне. Не всякая зрелая мРНК транслируется, поскольку в клетке существуют механизмы регуляции экспрессии белков на пост-транскрипционном уровне, например, РНК-интерференция.

[править] Разрушение

По прошествии некоторого времени, определяемого её нуклеотидной последовательностью, в частности, длиной полиаденинового участка на 3' конце молекулы, мРНК разрушается на составляющие её нуклеотиды с участием РНКаз. Как правило, разрушение начинается с удаления кэпа на 5' конце, полиаденинового хвоста на 3' конце и затем нуклеазы одновременно разрушают мРНК в 5' ->3' и 3' ->5' направлении. мРНК, в которой сигнал завершения синтеза белка, стоп-кодон, в результате ошибки транскрипции находится в середине кодирующей последовательности, подвержена особой быстрой форме деградации, НМД, (nonsense-mediated decay).

Строение зрелой мРНК

Схема строения зрелой мРНК человека

Зрелая мРНК состоит из нескольких участков, различающихся по функциям: «5' кэп», 5' нетранслируемая область, кодирующая (транслируемая) область, 3' нетранслируемая область и 3' полиадениновый «хвост».

5' Кэп

5' кэп (или кап) (от англ. cap — шапочка) — это модифицированный гуанидиновый нуклеотид, который добавляется на 5' (передний) конец незрелой мРНК. Эта модификация очень важна для узнавания мРНК при инициации трансляции, а также для защиты от 5’нуклеаз — ферментов, разрушающих цепи нуклеиновых кислот с незащищенным 5'-концом.

Кодирующие области

Кодирующие области состоят из кодонов — следующих непосредственно друг за другом последовательностей из трех нуклеотидов, каждая из которых соответствует в генетическом коде определенной аминокислоте или началу и концу синтеза белка. Кодирующие области начинаются со старт-кодона и заканчиваются одним из трёх стоп-кодонов. Считывание последовательности кодонов и сборка на ее основе последовательности аминокислот синтезируемой молекулы белка осуществляется рибосомами при участии транспортных РНК в процессе трансляции. В дополнение к кодированию белков, части кодирующих областей могут служить управляющими последовательностями. Например, вторичная структура РНК в некоторых случаях определяет результат трансляции.

Моноцистронная и полицистронная мРНК

мРНК называют моноцистронной, если она содержит информацию, необходимую для трансляции только одного белка (один цистрон). Полицистронная мРНК кодирует несколько белков. Гены (цистроны) в такой мРНК разделены интергенными, некодирующими последовательностями. Полицистронные мРНК характерны для прокариот и вирусов, у эукариот большая часть мРНК является моноцистронной.

Нетранслируемые области

Нетранслируемые области — участки РНК, расположенные до старт-кодона и после стоп-кодона, которые не кодируют белок. Они называются 5'-нетранслируемая область и 3'-нетранслируемая область, соответственно. Эти области транскрибируются в составе того же самого транскрипта, что и кодирующий участок. Нетранслируемые области имеют несколько функций в жизненном цикле мРНК, включая регуляцию стабильности мРНК, локализации мРНК и эффективности трансляции. Стабильность мРНК может контролироваться 5'- и/или 3'-областью из-за различной чувствительности к ферментам, которые отвечают за деградацию РНК — РНКазам и регуляторным белкам, которые убыстряют или замедляют деградацию.

3' полиадениновый хвост

Длинная (часто несколько сотен нуклеотидов) последовательность адениновых оснований, которая присутствует на 3' «хвосте» мРНК эукариот, синтезируется ферментом полиаденилат-полимеразой. У высших эукариот поли-А-хвост добавляется к транскрибированной РНК, которая содержит специфическую последовательность, AAUAAA. Важность этой последовательности можно увидеть на примере мутации в гене человеческого 2-глобина, которая изменяет AAUAAA на AAUAAG, что приводит к недостаточному количеству глобина в организме.

Вторичная структура

«Стебель-петля» — элемент вторичной структуры мРНК, схематично

«Псевдоузел» — элемент вторичной структуры мРНК, схематично

‎Кроме первичной структуры (последовательности нуклеотидов), мРНК обладает вторичной структурой. В отличие от ДНК, вторичная структура которой основана на межмолекулярных взаимодействиях (двойная спираль ДНК образована двумя линейными молекулами, соединенными друг с другом по всей длине водородными связями), вторичная структура мРНК основана на внутримолекулярных взаимодействиях (линейная молекула «складывается», и водородные связи возникают между разными участками одной и той же молекулы).

Примерами вторичной структуры могут служить стебель-петля и псевдоузел.

Вторичные структуры в мРНК служат для регуляции трансляции. Например, вставка в белки необычных аминокислот, селенометионина и пирролизина зависит от стебля-петли, расположенной в 3' нетранслированной области. Псевдоузлы служат для программированого изменения рамки считывания генов.

В вирусных мРНК сложные вторичные структуры (IRES) направляют трансляцию, не зависящую от узнавания кэпа и факторов инициации трансляции (см. «Инициация трансляции»).

Малые ядерные РНК (мяРНК) - класс малых молекул РНК, которые встречаются в ядре эукариотических клеток. Они транскрибируются РНК-полимеразой II или РНК-полимеразой III и участвуют в важных процессах, таких как сплайсинг (удаление интронов из незрелой мРНК), регуляции факторов транскрипции (7SK РНК) или РНК-полимеразы (B2 РНК) и поддержании целостности теломер. Они всегда ассоциированы со специфическими белками, комплексы мяРНК с белками называются малые ядерные рибонуклеопротеины (мяРНП). Малые ядерные РНК содержат большое число уридинов.

1. Современные представления о роли РНК в механизме биосинтеза белковых молекул.

У левого мышонка одна из двух копий гена Kit выведена из строя мутацией, что привело к снижению концентрации белка Kit в клетках, а это, в свою очередь, обусловило белую окраску кончика хвоста и лапок. Потомство мышей с таким генотипом имеет белые лапки и хвост даже в том случае, если ему достаются от родителей только «рабочие» копии гена Kit (правый мышонок). Рис. из статьи в Nature

Французские генетики обнаружили у мышей необычный механизм передачи наследственной информации, не связанный с геномной ДНК. Иногда у мышат могут проявляться признаки, характерные для их родителей, даже в том случае, если гены, определяющие эти признаки, у мышат отсутствуют. По-видимому, врожденные качества определяются не только унаследованными от родителей молекулами ДНК — общепризнанными носителями наследственной информации, — но и другими молекулами, прежде всего РНК, которые являются не только «результатами прочтения» записанной в ДНК информации, но и активно влияют на сам процесс «чтения», заставляя клетку «прочитывать» в генах то, чего там нет.

Ген Kit кодирует многофункциональный белок, влияющий, помимо прочего, на образование темного пигмента меланина. В свое время генетики, изучавшие работу этого гена у мышей, искусственно создали неработающий вариант гена, вставив в него большой «лишний» кусок ДНК. У мышей, гетерозиготных по этой мутации (то есть имеющих одну нормальную копию гена и одну измененную, Kit^+/-) лапки и кончик хвоста остаются неокрашенными (белыми). Гомозиготы (обладатели двух испорченных копий гена, Kit^-/-) умирают вскоре после рождения.

Французские генетики из Университета Ниццы, скрещивая между собой гетерозигот Kit^+/-, столкнулись с нарушением законов классической генетики. Согласно этим законам, четверть потомства должна была сразу погибать (генотип Kit^-/-), половина — иметь белые лапы и хвост (генотип Kit^+/-), и четверть — иметь нормальную окраску (генотип Kit^+/+). Вместо этого из 57 выживших мышат, полученных от восьми скрещиваний, только три оказались нормально окрашенными, а остальные 54 имели белые лапы и хвост.

Генетический анализ показал, что из 54 белохвостых мышат 24 имеют генотип Kit^+/+, то есть у них попросту нет «гена белохвостости». Эти мыши обязаны были иметь нормальную окраску! Получалось, что мыши унаследовали от родителей некий врожденный признак, не унаследовав генов, ответственных за формирование этого признака.

1. Анализ особенностей молекулярных механизмов связывания малых РНК с матричной РНК, кодирующей последовательность аминокислот в белковых молекулах