В.А. Гвоздев - Механизмы регуляции активности генов в процессе транскрипции (статья) (1117908)
Текст из файла
MECHANISMS OF GENEREGULATION ONTRANSCRIPTIONALLEVELМЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИАКТИВНОСТИ ГЕНОВВ ПРОЦЕССЕ ТРАНСКРИПЦИИV. A. GVOZDEVÇ. Ä. ÉÇéáÑÖÇCurrent views on transcriptional gene regulation are presented. Therole of dynamic changesof DNA helices in regulatory elements of genes, aswell as their interactionswith proteins are considered.© É‚ÓÁ‰Â‚ Ç.Ä., 1996àÁÎÓÊÂÌ˚ ÒÓ‚ÂÏÂÌÌ˚ÂÔ‰ÒÚ‡‚ÎÂÌËfl Ó Â„ÛÎflˆËË ‡ÍÚË‚ÌÓÒÚË „ÂÌÓ‚‚ ÔÓˆÂÒÒ ڇÌÒÍËÔˆËË, ÔË Ó·‡ÁÓ‚‡ÌËËËÌÙÓχˆËÓÌÌÓÈ êçä.éÚϘÂ̇ Óθ ËÁÏÂ̘˂ÓÒÚË ÒÚÛÍÚÛ˚ ÒÔˇÎË Ñçä ‚ „ÛÎflÚÓÌ˚ı ‡ÈÓ̇ı „ÂÌÓ‚, ‡ÒÒχÚË‚‡˛ÚÒfl Á‡ÍÓÌÓÏÂÌÓÒÚË ‚Á‡ËÏÓ‰ÂÈÒÚ‚Ëfl ·ÂÎÍÓ‚-„ÛÎflÚÓÓ‚Ò Ñçä.åÓÒÍÓ‚ÒÍËÈ „ÓÒÛ‰‡ÒÚ‚ÂÌÌ˚È ÛÌË‚ÂÒËÚÂÚËÏ.
å.Ç. ãÓÏÓÌÓÒÓ‚‡Участок ДНК, способный кодировать клеточные белки, называют геном. Ген должен быть доступен РНК-полимеразе – ферменту, осуществляющему на ДНК, как на матрице, полимеризациюрибонуклеозидтрифосфатов (РНТФ) с образованием информационной РНК:n молекул РНТФРНК ++ n молекул пирофосфата.Это процесс транскрипции. На информационной(матричной) РНК, согласно правилам генетического кода, в результате трансляции на рибосомах образуются белки.íêÄçëäêàèñàü ÉÖçéÇ Ç äãÖíäÄï ÅÄäíÖêàâРассмотрим сначала процесс синтеза информационной РНК в клетках бактерий.
Он осуществляется с помощью РНК-полимеразы, состоящей изнескольких отдельных взаимодействующих друг сдругом белков (полипептидных субъединиц). Однаиз них осуществляет основную реакцию полимеризации рибонуклеотидов, остальные помогают ей.РНК-полимераза присоединяется к определенномуучастку в начале гена, называемому промотором.В этом районе начинается синтез РНК. Промоторыгенов бактерий имеют определенную нуклеотидную последовательность (чередование нуклеотидов), “узнаваемую” РНК-полимеразой. Узнаваниебелками определенных участков ДНК основано наспецифичном нековалентном взаимодействии аминокислотных остатков с нуклеотидами.Для успешного специфичного взаимодействияРНК-полимеразы с ДНК-матрицей необходимабелковая субъединица сигма (σ). Когда синтез РНКначинается, сигма-субъединица уходит из комплекса (диссоциирует), она уже больше не нужна(рис.
1А). Для того чтобы началась транскрипциянекоторых генов, может понадобиться особый вариант сигма-субъединицы. Поэтому бактерия имеет несколько разных генов, кодирующих образование разных сигма-субъединиц, предназначенныхдля узнавания разных бактериальных генов. Когдабактерии испытывают стресс (шок), например тепловой, необходимо быстро синтезировать рядзащитных белков и, следовательно, транскрибировать соответствующие гены, кодирующие этибелки. Особый вариант сигма-белков необходимбактерии при образовании спор в условияхÉÇéáÑÖÇ Ç.Ä.
åÖïÄçàáåõ êÖÉìãüñàà ÄäíàÇçéëíà ÉÖçéÇ23недостатка пищи или воды. Субъединица сигма узнает определенную, характерную для промоторовбактериальных генов, последовательность нуклеотидов, взаимодействуя в основном с большойбороздкой двунитевой спирали ДНК. Сначала образуется “открытый” комплекс ДНК с РНК-полимеразой (рис. 1А), когда двунитевая структура ДНКраскрывается (“плавится”), а затем на одной изнитей ДНК, как на матрице, образуется РНК, последовательность нуклеотидов в которой комплементарна матричной нити ДНК. Синтез РНК заканчивается в определенной точке в конце гена.Участок остановки транскрипции часто представлен такой нуклеотидной последовательностью, гдесвязь рибонуклеотидов с комплементарной матричной нитью ДНК ослаблена.
Остановку синтезаРНК в определенной точке могут также осуществлять специальные белки.Существуют белки, которые в клетках бактерийпрепятствуют синтезу РНК (выключают ген) или,наоборот, необходимы для активной транскрипции вместе с РНК-полимеразой. Белки, выключающие гены, называют репрессорами, включающие ген, – активаторами. Механизм действиярепрессоров обусловлен их специфичным взаимодействием с участком ДНК, называемым оператором. Оператор может находиться в разных положениях относительно промотора. Иногда операторперекрывается с областью промотора, он можеттакже располагаться как перед промотором, так и заним. Молекулы репрессора, связанные с ДНК, либомешают “посадке” РНК-полимеразы, либо, взаимодействуя с полимеразой и ДНК, препятствуютначалу синтеза РНК (рис.
1В). Это негативная регуляция транскрипции. Так, транскрипция генов, кодирующих белки, необходимые для расщепления исбраживания сахаров, подавляется репрессором.Если появляется индуктор – молекула сахара, тоона взаимодействует с белковой молекулой репрессора, изменяет его пространственную белковуюструктуру (конформацию), после чего такой репрессор уже не способен связываться с ДНК и препятствовать взаимодействию промоторов с РНКполимеразой (рис.
1В). Начинают работать гены,обеспечивающие в конечном итоге расщеплениесахаров для сбраживания. Действительно, если вклетке много сахаров, то требуется их активное расщепление и сбраживание. Наряду с такой негативной регуляцией транскрипции с помощью репрессоров наблюдается и позитивная регуляция, когдамолекула-активатор связывается с белком-активатором, изменяя его структуру таким образом, что онприобретает свойство связываться с участком ДНК,отстоящим от промотора. В этом случае в основемеханизма активации лежит способность молекулыДНК изгибаться, благодаря чему белок-активаторвступает в контакт с молекулой РНК-полимеразы,обеспечивая эффективный синтез РНК (рис.
1Г ).Отметим следующую особенность регуляциитранскрипции в клетках бактерий. Эти клетки неимеют оформленного ядра, отделенного от цитоплазмы. В клетках высших организмов в ядре, огра-24ниченном мембранами, сосредоточена ДНК и осуществляется синтез РНК, тогда как синтез белкапроисходит с участием рибосом в цитоплазме.В клетках бактерий образующаяся молекула РНКможет сразу же связываться с рибосомами и транслироваться с образованием белка (рис.
1Б). Успешная трансляция способствует транскрипции. Рибосомы, перемещаясь по длине ДНК, как бы подталкивают РНК-полимеразу. “Голая” РНК без рибосомбеззащитна, и ее образование в отсутствие трансляции может быть приостановлено в результате взаимодействия со специальным белком, который “выдергивает” образующуюся РНК из комплексаДНК-полимераза. Действительно, зачем бактериисинтезировать информационную РНК, если нет условий для трансляции и образования кодируемогоею белка? В клетках, имеющих ядро, отделенноеПолимеразаσ“Открытый комплекс”σТранскрипцияМатричнаянить ДНКАРНКПолимеразаДНКРибосомыРНКБНовосинтезированныйбелокРНК-полимеразаСинтез РНКподавленРепрессорВИндукторАктиваторПромоторсвободенНе способенсвязываться с ДНКСинтез РНКГРис.
1. Взаимодействие РНК-полимеразы с промотором и начало синтеза РНК у бактерий.Области промотора зачернены.ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹1, 1996мембраной от цитоплазмы, синтезы РНК и белка разобщены. Поэтому способ регуляции транскрипциис участием рибосом, широко распространенный убактерий, здесь невозможен.êéãú èêéëíêÄçëíÇÖççéâ ëíêìäíìêõ(äéçîéêåÄñàà) åéãÖäìãõ Ñçä Ç èêéñÖëëÖíêÄçëäêàèñààСпособ воздействия белка-активатора на РНК-полимеразу показывает, что молекула ДНК – не “жесткая” палка, а достаточно гибкая структура. Способность изгибаться в определенных участкахможет определяться особенностями нуклеотиднойпоследовательности. Так, например, блоки следующих друг за другом пар оснований аденин – тимин,если расстояние между блоками составляет 10 нуклеотидных пар, обеспечивают самопроизвольныйизгиб ДНК, который можно наблюдать в электронный микроскоп.
ДНК изгибается и при взаимодействии с ней регуляторных белков – негативных регуляторов и активаторов (рис. 2).Особую роль в обеспечении процесса транскрипции, равно как и репликации (воспроизведения двойной спирали перед делением), играетсверхспирализация ДНК. Бактериальная хромосома представляет собой кольцо двунитевой спиралиДНК, закрепленное в клеточной мембране (рис. 2).Двойная спираль этого кольца может быть дополнительно изогнута в сверхспираль, при этом ДНКнаходится в напряженном состоянии, а первичнаядвойная спираль при уменьшении числа сверхвитков может быть в определенных участках расплетена и в целом “недокручена” (рис. 2). Сверхспирализацию ДНК можно иллюстрировать на моделискрученной резиновой трубки (рис.
2В ). Предполагается, что локальное частичное расплетание двойной спирали может облегчать взаимодействие этихучастков с регуляторными белками. Поэтому транскрипция более эффективно осуществляется насверхспирализованной ДНК.Перечисленные выше принципы регуляциитранскрипции (способ действия репрессоров и вособенности активаторов, изгибы ДНК) действуюти в клетках высших организмов.
Процесс сверхспирализации ДНК наблюдается и здесь, хотя у многоклеточных хромосомы не кольцевые, а палочковидные. Однако структура растянутой ДНК внеделящемся ядре, где хромосом не видно, представлена также отдельными петлями (доменами),закрепленными в так называемом матриксе, прилегающем к ядерной мембране (рис. 2). Поэтому отдельные участки хромосомы можно рассматриватькак кольцевые структуры, способные к сверхспирализации. В клетках бактерий кольцевая хромосоматакже может быть сложена в отдельные домены.Роль сверхспирализации, обеспечивающей транскрипцию и репликацию, велика.
Сверхспирализация обеспечивается специальными ферментами-топоизомеразами,способнымисоздаватьсверхспирализацию ДНК или, наоборот, уничтожать сверхвитки (рис. 2Б). В результате образуютсятопоизомеры, содержащие в молекулах ДНК большее или меньшее количество сверхвитков. Топоизомеразы способны как разрезать ДНК, так и зашивать образующийся разрыв. В течение тоговремени, пока разрыв существует, может происходить вращение концов спирали ДНК относительнодруг друга, что приводит либо к уменьшению, либок увеличению сверхспирализации.
Таким образом,пространственная структура ДНК достаточно подвижна и динамична, образуя изгибы, сверхвитки, атакже расплетенные участки. Образование этих динамичных, способных переходить одна в другуюструктур в значительной степени определяется удивительными свойствами самой ДНК, но сильно облегчается при взаимодействии со специфичнымирегуляторными белками. Поэтому схемы, иллюстрирующие на плоскости листа бумаги стадии транскрипции и ее регуляцию, на самом деле следовалобы представлять в виде трехмерных динамичныхмоделей.íêÄçëäêàèñàü Ç äãÖíäÄï éêÉÄçàáåéÇ,àåÖûôàï éîéêåãÖççéÖ üÑêé(ùìäÄêàéíõ), éíÑÖãÖççéÖ éÅéãéóäéâ éíñàíéèãÄáåõК эукариотам относятся не только все многоклеточные организмы, но и некоторые одноклеточныемикроорганизмы, например дрожжи. Клетки этихорганизмов имеют сложную мембранную цитоплазматическую сеть и клеточные органеллы.Здесь, по сравнению с бактериями, регуляциятранскрипции усложнена.
Велико число дополнительных белков, обеспечивающих работу РНК-полимераз. РНК-полимеразы состоят из большогочисла белковых субъединиц. РНК-полимеразы эукариот сами по себе не способны узнать промотор,им помогают в этом другие белки – многочисленные факторы транскрипции. Один из них, обеспечивающий сборку транскрипционного комплексана ДНК, способен “оседлать” ДНК-спираль такимобразом (рис. 3), что участки седла расположатся помалым бороздкам двунитевой спирали ДНК. Затемуже могут присоединиться другие факторы и,наконец, сама РНК-полимераза. Самое началотранскрипции в значительной степени зависит отхимической модификации отдельных субъединицполимеразы.
Например, отмечено интенсивное фосфорилирование одной из них с образованиемэфирной связи между гидроксилом аминокислот иостатками фосфорной кислоты. Только послефосфорилирования, придающего белкам дополнительно заряженные группы, весь комплекс, включающий собственно РНК-полимеразу и многочисленные дополнительные факторы, способенобеспечить активную транскрипцию гена.Перед участком взаимодействия полимеразы сДНК (собственно промотор) располагаются короткие нуклеотидные последовательности – “мотивы”(например, ГГГЦГГ, АТТТГЦАТ и другие – этопоследовательность нуклеотидов одной из комплементарных нитей, где Г – гуанин, Ц – цитидин,ÉÇéáÑÖÇ Ç.Ä.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
