В.А. Гвоздев - Регуляция активности генов при созревании клеточных РНК (статья) (1117913), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Затем интрон выщепляется и частично илиполностью деградирует, а экзоны сшиваются с образованием фосфодиэфирных связей. В основномблагодаря биохимическим исследованиям in vitroудалось выяснить, что представляет собой промежуточная структура при сплайсинге экзонов, в состав которой входят по крайней мере три типамяРНК: 2, 5 и 6. Молекула мяРНК 5 содержит петлюиз неспаренных нуклеотидов на ножке (стволике),где нуклеотиды образуют пары, создавая двойнуюРНК-спираль. Нуклеотиды петли, взаимодействуяза счет водородных связей с экзонами, удерживаютих вблизи друг от друга. Молекула мяРНК 2, сохраняя взаимодействие с интроном (A нуклеотид необразует пары!), “спаривается” другим своим участком с мяРНК 6.На рис. 2 показаны также так называемые неканонические взаимодействия двух G (гуанинов), находящихся по краям интрона.
Эти взаимодействияпомогают стягивать экзоны и осуществлять сплайсинг. Характер водородных связей функциональных групп гуанина отличается от классических, наблюдаемых в паре G–C Уотсона и Крика (см. [3]).Так, аминогруппа G, участвующая в установлениикомплементарных взаимодействий с С, здесь остается вне игры (рис. 2). Отметим, что мяРНК 6 только на определенном этапе сплайсинга становитсяспособной к изображенным на рис. 2 взаимодействиям, перед этим мяРНК 6 находилась в прочномкомплексе с мяРНК 4 (не показано на рис. 2) за счетпротяженного участка комплементарных нуклеотидных пар.
Другими словами, мяРНК 4 до поры довремени блокировала активность мяРНК 6.Таким образом, сплайсинг протекает в несколько этапов: начинается с взаимодействия пре-мРНК14с мяРНК 1, затем образуются лассо и сложная многокомпонентная структура, представленная на рис. 2.Пространственная структура взаимодействующихучастков молекул РНК обеспечивает каталитическиереакции разрыва одних межнуклеотидных связей ивозникновение новых. В основе катализа лежит способность РНК образовывать описанные структуры,обеспечивающие высокую реакционную способность определенных нуклеотидов, расположенныхпо длине молекул РНК. Возникновение такихструктур обеспечивает точность сплайсинга.
В рядеслучаев, например в транскриптах генов клеточныхорганелл (митохондрий или хлоропластов), образование сложной трехмерной структуры в районе интрона обеспечивает его вырезание и сшивание экзонов без участия белков. Такой процесс, не зависящийот белков, называют самосплайсингом.Обнаружение способности молекул РНК катализировать собственные химические превращенияили модификацию (созревание) других молекулРНК позволило назвать их рибозимами по аналогии с ферментами (энзимами) – хорошо изученными биологическими катализаторами. Необходимо отметить, что активность рибозимов сильноувеличивается, когда они находятся в комплексе сбелками.
В обоих случаях успешный ход катализаобеспечивается трехмерными структурами белкаили РНК–РНК-комплекса. Повреждение этихструктур останавливает реакцию. В случае рибозимов первостепенную роль играют комплементарные взаимодействия нуклеотидных пар. Заметим,однако, что белки ускоряют взаимодействия мяРНКс пре-мРНК. Присутствие белков показано на схеме(рис. 2) лишь в одном месте (вблизи AG нуклеотидов) ввиду того, что механизмы действия и районысвязывания других белков, способных специфически узнавать участки РНК, изучены недостаточно.В сплайсинге принимают участие белки, обладающие ферментативной активностью.
Для сборкикомплекса, катализирующего сплайсинг, необходимо потребление энергии в виде расщепляемых молекул АТФ, поэтому в его составе обнаруживаютсябелки, обладающие аденозинтрифосфатазной активностью. Кроме того, здесь функционируют иРНК-хеликазы – ферменты, способные расплетатьпри потреблении АТФ двойные спирали РНК-РНК.Эти ферменты подобны ДНК-хеликазам, расплетающим двунитевую спираль ДНК при репликации молекулы ДНК [3]. Хеликазы обеспечивают ход сплайсинга.
Они вовремя разрушают одни РНК-РНКвзаимодействия (например, мяРНК 4 – мяРНК 6),способствуя тем самым возникновению новых нековалентных связей между молекулами РНК. Такимобразом, последовательность событий, ведущих ксплайсингу экзонов, достаточно жестко определена,причем каждая последующая стадия (или реакция)обусловлена предыдущей. Реакции сплайсинга осуществляются в крупном рибонуклеопротеидномëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹12, 1996комплексе – тельце, содержащем несколько молекул РНК и десятки белков, необходимых для эффективного сплайсинга.
Эта структура получиланазвание сплайсосомы.Многокомпонентность машины сплайсингапозволяет ускорять или тормозить процесс созревания РНК, если изменять концентрацию отдельныхкомпонентов или вызывать их химическую модификацию. Например, наблюдали фосфорилирование белков сплайсинга, сопровождающееся активацией одних и инактивацией других белков.ÄãúíÖêçÄíàÇçõâ êÖÉìãàêìÖåõâëèãÄâëàçÉОказалось, что экзоны, если их несколько, могутсшиваться (сплайсироваться) в разных комбинациях.
Более того, нуклеотидная последовательность,выступающая как экзон в одном случае, ведет себякак интрон в другом. Эти возможности выбора путей сплайсинга молекулы РНК-предшественникапредставлены на рис. 3. Так, например, участок экзона 1а может вести себя как интрон. Другой случайдемонстрирует образование двух разных РНК, несущих участки, кодирующие разные белковые структуры. Так, если экзон 2 кодирует в молекуле белкаэлементы α-спирали, а экзон 3 – так называемойβ-структуры (укладка полипептидной цепи схематически показана на рис.
3), то РНК 1 будет кодировать белок, не включающий указанный участокβ-структуры, а РНК 2, напротив, служит матрицейпри образовании белка без участка α-спирали. В ре1а1Экзон 1 1а2111234Кодируемый белок24РНК1α-спираль в белке1α-спираль2Экзон 234РНК2β-структура в белкеβ-структураРис. 3. Разные пути сплайсинга РНК-предшественника (альтернативный сплайсинг) приводят кобразованию информационной РНК, кодирующейбелки с разными свойствами. Красные прямоугольники обозначают экзоны, используемые приобоих путях альтернативного сплайсинга. Зеленые и синие прямоугольники обозначают экзоны,которые при альтернативном сплайсинге могутвырезаться и, следовательно, ведут себя как интроны. Линии, соединяющие экзоны над прямоугольниками и под ними, указывают разные путисплайсинга.зультате образуются так называемые изоформыбелка.
Это наблюдаемое для многих генов явлениевыбора путей созревания мРНК получило названиеальтернативного сплайсинга. Многие гены содержат десяток и более экзонов. Поэтому число вариантов зрелых молекул иРНК, содержащих разныеэкзоны, потенциально может быть достаточнобольшим, приближаясь к величине 2n, где n – числоэкзонов. Таким образом, экзон-интронная структура оказывается чрезвычайно экономичной, обеспечивая большое разнообразие белков, кодируемыхразными мРНК, которые, однако, произошли изодного и того же РНК-предшественника в результате транскрипции одного гена.Случаи альтернативного сплайсинга имеют место в мышечной ткани, приводя к образованиюфункционально различающихся, но во многомсходных (содержат общие экзоны!) белков. Это жеявление широко распространено в нервной ткани,где, как известно, транскрибируется огромное множество генов, обеспечивая разнообразие белков.Так, например, разнообразие белков оболочки нервных волокон обусловлено альтернативным сплайсингом.
Альтернативный сплайсинг нередко используется при синтезе вариантов белков – “факторовтранскрипции“ [1], необходимых для включения(или выключения) гена и работы РНК-полимеразы.Наличие белка – фактора транскрипции может определять судьбу клетки, ее дифференцировку вклетку специализированной ткани: нервной, жировой, почечной и т.д. (о процессах дифференцировкисм. [4]). Альтернативный сплайсинг выполняет своюроль и при образовании вариантов белков клеточнойадгезии, которые отвечают за передвижение клеток иструктурирование тканей.
Бактерии, обладающие,как правило, генами без интронов, лишены этогоспособа регуляции работы (экспрессии) генов.Каким образом осуществляется выбор пути альтернативного сплайсинга, являющегося важным механизмом регуляции активности генов и клеточнойдифференцировки? Характер сплайсинга регулируется белками, способными связываться с молекулойРНК в районах интронов или пограничных участкахэкзон–интрон. Такие белки могут блокировать удаление одних интронов, в то же время активируя вырезание других. Рис.
2 показывает, что РНК-предшественник складывается в сложную трехмернуюструктуру, взаимодействуя с другими компонентамисплайсосомы. Поэтому нетрудно представить себетакие пространственные изменения этой структурыпри участии белков, регулирующих сплайсинг, которые исключат катализ объединения одной пары интронов и, напротив, будут эффективно способствовать сшиванию другой пары.Направленная регуляция путей сплайсинга может иметь громадные биологические последствия,например определять пол организма. Случай определения пола, основанный на регуляции сплайсинга,ÉÇéáÑÖÇ Ç.Ä. êÖÉìãüñàü ÄäíàÇçéëíà ÉÖçéÇ èêà ëéáêÖÇÄçàà äãÖíéóçõï êçä15достаточно хорошо изучен у плодовой мушки дрозофилы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
