И.Ф. Жимулев - Современные представления о структуре гена у эукариот (статья) (1117882), страница 2
Текст из файла (страница 2)
2, а.Формирование белкового комплекса на промоторнойпоследовательности начинается с того, что фактортранскрипции TFIID связывается с TATA-последовательностью, которая расположена выше точки инициации транскрипции примерно на 25 нуклеотидов. Послетого как сборка транскрипционного комплекса завер-шена, для начала транскрипции РНК-полимераза IIдолжна освободиться от комплекса факторов транскрипции (рис. 2, а).
Ключевым в процессе инициациитранскрипции является присоединение фактора транскрипции TFIIH. Одна из его субъединиц, обладающаяпротеинкиназной активностью, фосфорилирует молекулу РНК-полимеразы II. Установлено на примере покрайней мере нескольких генов, что это фосфорилирование освобождает РНК-полимеразу II и позволяет начать транскрипцию (см. рис. 2, а).В состав комплексов общих факторов транскрипции и РНК-полимеразы II входит до 50 белков, иногда эти комплексы называют транскриптосомами(см. рис.
2, б). Две другие РНК-полимеразы (I и III),найденные у эукариот, также требуют для активирования набора общих факторов транскрипции. С ними невсе ясно. Установлено лишь, что белки TBP требуютсядля всех трех полимераз. Другие факторы отличаютсяот тех, что были описаны в комплексах с РНК-полимеразой II. Кроме промотора в контрольной зоне находятся регуляторные последовательности (см. рис. 2, в),с которыми связываются регуляторные белки, необходимые для контроля процесса образования белковогокомплекса на промоторе.ЭНХАНСЕРНЫЕ УЧАСТКИ ГЕНАВ 1979 году было установлено, что последовательностиДНК, расположенные в тысячах пар нуклеотидов отпромотора эукариотического типа, могут активироватьего транскрипцию.
Сейчас известно, что эти энхансерные (то есть усиливающие, от англ. enhance – усиливать)последовательности служат в качестве специфическихучастков (сайтов) связывания особых регуляторных белков, усиливающих или активирующих процесс транскрипции (см. также [1]). Этот тип контроля генной активности на расстоянии является скорее правилом, чемисключением.
Как эти белки могут действовать набольших расстояниях?Согласно самой простой модели, ДНК между энхансером и промотором образует петлю, в результатечего белки, связанные с энхансером, непосредственновзаимодействуют с одним из общих факторов транскрипции или с молекулой самой РНК-полимеразы. Одним из примеров энхансера может служить системаGAL4–UAS, обнаруженная у дрожжей. Ген GAL4 кодирует особый белок, имеющий два домена. Один из нихобладает сродством к ДНК, другой служит для активирования транскрипции (см.
рис. 2, б, г). Своим доменом, имеющим сродство к ДНК, белок GAL4 связывается с энхансерным участком ДНК, называемым UAS(upstream activator sequence – активирующая последовательность, расположенная выше точки начала транс-Ж И М УЛ Е В И . Ф . С О В Р Е М Е Н Н Ы Е П Р Е Д С ТА В Л Е Н И Я О С Т Р У К Т У Р Е Г Е Н А У Э У К А Р И О Т19БИОЛОГИЯТочка началатранскрипцииабхансерTATAAARЭнTFIIDHCTDTATAATAFTFIIBAETAFTBPSRBBFSWI/S11 SIN4NFLGARGR1Полимераза IITATAИнициаторTATAAРНКTFIIETFTFIIHIIFРН К - пол им еразаIIгUAS – сайт связываниябелка GAL4ДНКGAL4TATAAIBTFIIDTFITFIIH-активностьпротеинкиназыTATAГенTATAAP P PPНачалотранскрипцииРегуляторныебелкиционныекрипфанскторарыРегуляторныебелкиОбщиетврРН К -п олим еа заРегуляторныебелкиIITATAСпейсерПромоторГен ХРегуляторныепоследовательностиРНК-транскриптРис.
2. Процесс сборки (а), белковый состав (б ) и строение (в) регуляторных зон геновэукариот: а – образование комплекса из РНК-полимеразы II и общих факторов транскрипции: связывание с TATA доменом фактора TFIID, затем TFIIB, добавление факторов F, E и H,а также РНК-полимеразы II. В присутствии источника энергии – аденозинтрифосфата(АТФ), TFIIH фосфорилирует РНК-полимеразу II. Фосфорилирование происходит в зонедлинного полипептидного хвоста (CTD), в результате чего молекула полимеразы изменяетконформацию, становится готовой к транскрипции и освобождается от всех факторовтранскрипции, кроме TFIID (из [5, p.
421]); б – распределение белков в типичном промотореэукариот. Активаторы AR (изображены оранжевым цветом), связанные с энхансернымиэлементами в молекуле ДНК, стимулируют транскрипцию за счет белок-белковых взаимодействий между активирующими доменами (изогнутые концы активаторов), компонентамиTFIID и РНК-полимеразой II. TFIIA изображен (на рис. 2, б) в комплексе с TFIID, факторы TFIIB,E, F и H изображены в комплексе с РНК-полимеразой II (из [7]). GAL11, SIN4 и RGR1 – компоненты РНК-полимеразного комплекса. Их функции до конца не выяснены.
Длинный концевой хвост (C-terminal domain – CTD) РНК-полимеразы II изображен на рис. 2 в нефосфорилированном (свободном) состоянии; в – схема организации контролирующего районатипичного гена эукариот, состоящего из регуляторных последовательностей и промотора;г – модель действия активирующего белка GAL4. Белок GAL4 – активатор транскрипции удрожжей, связывающийся с регуляторной последовательностью UAS при контакте с промотором облегчает добавление к комплексу фактора транскрипции TFIIB.
Это усиливаетскорость транскрипции примерно в 1000 раз (из [5, p. 425])20С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 7 , 2 0 0 0БИОЛОГИЯкрипции), а с помощью второго домена взаимодействует с белками комплекса TFIIB и TFIID (см.
рис. 2, б ).Число общих факторов транскрипции невелико,хотя они обильно представлены в клетке, посколькусвязываются с промоторами всех генов, транскрибируемых РНК-полимеразой II. Кроме этого, в клетке существуют десятки различных других регуляторных белков, связывающихся с сайтами контролирующей зоны.Их наборы различаются в разных клетках и у разных генов. Каждый из этих белков представлен малым числом молекул.
Большинство из этих белков распознаютособую, специфическую только для них последовательность нуклеотидов в регуляторных сайтах генов. Спомощью белков-регуляторов каждый ген специфически включается или выключается.КОДИРУЮЩАЯ ЧАСТЬ ГЕНАИсследование процессов, происходящих при синтеземРНК, показало, что продукты транскрипции, синтезируемые на молекулах ДНК в ядрах эукариот (их называют про-мРНК), гораздо крупнее, чем образуемыеиз них, выходящие затем в цитоплазму и участвующиев трансляции матричные РНК (мРНК).Как выяснилось, структурная часть генов эукариотразделена на серию отрезков, при этом кодирующиебелок фрагменты (их называют экзонами) перемежаются некодирующими фрагментами – интронами (рис. 3).Такой тип организации обнаружен для множества эукариотических ядерных генов, то есть локализованныхв хромосомах, а также некоторых генов, локализованных в ДНК внутриклеточных органелл – пластид и митохондрий, некоторых генов у РНК- и ДНК-содержащих вирусов.
Интроны, по-видимому, отсутствуют вгенах бактерий и вирусов, поражающих бактерии, редко встречаются в генах митохондриальной ДНК.Во время транскрипции считывается вся протяженность гена, содержащая как экзоны, так и интроны.Затем в ходе созревания мРНК или, как говорят, процессинга (см. [3]) в молекуле РНК вырезаются и удаляются участки, считанные с интронов, а те фрагменты,что были считаны с экзонов, соединяются в одну общую последовательность (см.
также [1]). Происходитих сшивка или, как говорят, сплайсинг (рис. 3). Именно поэтому про-мРНК существенно длиннее, чем зрелая мРНК.Число, внутренняя локализация интронов и ихдлина характерны для каждого гена. На рис. 4, а показана частота встречаемости генов, содержащих то илииное число экзонов. Видно, что у низших эукариот, таких, как дрожжи, 95% генов содержат только один экзон, значит, они в подавляющей массе случаев не прерываются интронами.
У дрозофилы генов, не имеющихЭкзон 1Интрон 1Экзон 2Интрон 2Экзон 3ДНКСинтез РНКРНКСплайсингмРНКСинтез белкаБелокРис. 3. Процесс передачи информации от ДНК добелка, кодируемого расщепленным геном (из [6,p. 150])интронов, только 17%, а у млекопитающих – еще меньше, только 6%, причем число экзонов в некоторых генахможет достигать 60 (см. рис. 4, а). Экзоны, как правило,имеют небольшую длину, от 100 до 600 п.н. (рис.
4, б ),а длина интрона может варьировать в широких пределах – от нескольких десятков пар нуклеотидов до многих десятков тысяч (рис. 4, в). Общая длина всех интронов зачастую значительно превышает суммарнуюдлину экзонов. Например, из 7000 пар нуклеотидов гена овальбумина курицы на долю экзонов приходитсявсего 1872 п.н., то есть почти 75% длины ДНК составляют интроны. Интроны обычно отделяются от экзонов парой нуклеотидов, содержащих гуанин и тиминна 5'-конце и аденин–гуанин на 3'-конце.В некоторых клетках в мРНК сохраняются фрагменты, считанные не со всех экзонов данного гена, атолько с некоторых.
В клетках другого типа в мРНКсохраняется информация с другого набора экзонов. Врезультате с одного гена считывается более одного типамРНК. Эти разные мРНК образуются в результатеудаления фрагментов, соответствующих разным экзонам, и соответственно их сплайсинга, который в данном случае называется альтернативным (см.
также [1]).На рис. 5 представлена схема альтернативного сплайсинга в гене Broad-Complex у дрозофилы. Этот ген играет важную роль в развитии дрозофилы, в частности восуществлении превращения (метаморфоза) из личинки в муху. Метаморфоз контролируется действием гормона экдизона, который включает (и выключает) многочисленные батареи генов, функционирующих в самыхразнообразных органах. Это очень большой ген, он занимает около 120 т.п.н.
на карте ДНК. В пределах генавыявлены десять экзонов, за счет комбинаций которыхсинтезируется 15 различных мРНК. Часть из них показана на рис. 5. Каждая из этих мРНК транслируется вопределенной группе клеток, и в этих клетках синтезируется один из вариантов белка, в других клетках – другой набор экзонов и другой белок и т.д. Таким образом,Ж И М УЛ Е В И .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
