В.А. Гвоздев - Регуляция активности генов при созревании клеточных РНК (статья) (1117913), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Успехи этих исследований основаны на работах генетиков, изучавших мутации, нарушающиестановление пола. Огромную роль здесь сыгралитакже работы, в которых в экспериментах in vitroбыли использованы “клонированные гены” (рекомбинантные ДНК). Полученные результаты суммированы на рис. 4.У дрозофилы (впрочем, как и у человека) естьдве половые хромосомы (X и Y). Две X-хромосомыимеют самки, тогда как самцы – единственную Xхромосому, а также Y-хромосому. Наличие двух Xхромосом у самок достаточно для включения“главного гена”, заставляющего включиться “нижележащие” гены, участвующие в определении пола. Главный ген (рис.
4) поначалу начинает работать (транскрибироваться) только у самок с двумяХ- хромосомами. В клетке срабатывают механизмы,подсчитывающие число Х-хромосом. Этот механизм основан на том, что у самок с двумя Х-хромосомами образуется достаточное количество белка,кодируемого генами Х-хромосомы, который активирует промотор главного гена (о промоторах см.[1]).
Транскрипция главного гена начинается с промотора 1 (на рис. 4 не показан). У самцов с одной Ххромосомой количество белка недостаточно, чтобызапустить главный ген. В результате сплайсингатранскрипта главного гена образуется РНК 1, содержащая экзоны 1, 4, 5, 6, 7 и 8. В этом случае потенциальные экзоны 2 и 3 не входят в состав мРНК.Эти события происходят на самых ранних стадияхразвития эмбриона. Немного позднее ген 1 начинает транскрибироваться как у самок, так и у самцов сиспользованием другого промотора 2, лежащего левее. В этом случае 5'-конец РНК-предшественникабудет удлинен, в результате чего экзон 1 сплайсируется иным путем и становится короче в РНК 1а и 1бпо сравнению с РНК 1. Белок 1, образующийся притрансляции РНК 1, является регуляторным белкомсплайсинга, отсутствующим у самцов. Этот белок направляет сплайсинг у самок с образованием зрелойРНК 1а, содержащей фрагмент экзона 1, к которомупришиваются последующие экзоны: 2-4-5-6-7-8.
Белок, определяющий такой характер альтернативного сплайсинга, отсутствует у самцов. В результате вядрах клеток развивающегося эмбриона, обладающего только одной Х-хромосомой, предшественник РНК созревает с образованием РНК 1б, включающей экзон 3 (рис. 4).Регуляторный белок 1 сплайсинга, образовавшийся у самок на РНК1, позволяет машине сплайсинга “узнавать” в клетках самок экзон 3 как интрон и удалять его с образованием РНК1 и РНК1а.Оказывается, экзон 3 содержит так называемыйстоп-кодон, который не кодирует аминокислоты иостанавливает рост полипептидной цепи белковоймолекулы.
В результате синтез белка на РНК 1б если и начнется, то быстро оборвется с образованием16Самки XX(две X-хромосомы)Самцы XY(одна X-хромосома)“Главный” генНе образуетсяРНК11 4 5 67 8Развитие эмбрионаНачинается синтезРНК с главного генау самцов1 2 3 4 5 6 7 8 РНК1бОчень короткий,распадающийсяфрагментБелок 1 меняетдальнейший сплайсинг,блокирует у самокобразование РНК1бРНК1а 1 2 4 5 6 7 8Белок 2 ведетсплайсинг РНК1по этому же путиОдин из генов,определяющих пол1 23 РНК2аНеактивный короткий,белковый фрагмент,отсутствует белок 3РНК2 1 2 3Белок 3 приводитк сплайсингу РНК,образованной притранскрипции гена“двойной пол”Ген “двойной пол”1 2 3 5 6 РНК3аБелок исключаетвозможность развитиясамкиРНК3 1 2 3 4Белок исключаетвозможность развитиясамцаРис. 4.
Регулируемый каскад следующих друг задругом альтернативных путей сплайсинга определяет становление пола на самых ранних стадиях развития дрозофилы. Прямая и волнообразнаястрелки обозначают соответственно начало и конец трансляции (образования белка). Экзоны,специфичные для самцов, выделены краснымцветом. В случае РНК 1б и 2а эти экзоны содержатстоп-кодон, останавливающий трансляцию.очень короткого, распадающегося белкового фрагмента. Таким образом, “самцовый” тип сплайсингаприводит фактически к инактивации гена, поскольку ген не способен кодировать образованиефункционирующей белковой молекулы.
Следовательно, результатом альтернативного сплайсингаможет быть не только образование изоформ белков,кодируемых одним геном, но и инактивация гена(“главного гена” у самцов). Белок 2, образующийсяу самок, не только постоянно направляет ход сплайсинга с образованием РНК 1а, но и регулирует созревание РНК 2, содержащей экзоны 1-2-3. Эта РНК 2образуется уже на другом гене, входящем в системуëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹12, 1996генов определения пола у дрозофилы. У самцов образуется несколько иной вариант РНК 2 - РНК 2а,включающая несколько увеличенный экзон 2.
Этотфрагмент экзона у самок узнается как интрон. Опять“самцовая” часть экзона 2 содержит стоп-кодон,останавливающий трансляцию, тогда как у самокобразуется активный белок 3, приводящий кобразованию мРНК 3 РНК 3, включающей экзоны1-2-3-4. При отсутствии белка 3 предшественникмРНК 3 РНК 3 в ядрах клеток самцов “сплайсируется” таким образом, что последовательность, соответствующая экзону 4 самок, выглядит как интрон,а к экзону 3 пришиваются экзоны 5 и 6.
На этот разРНК 3а (экзоны 1-2-3-5-6) у самцов, кодируемаягеном “двойной пол”, не содержит вредных стопкодонов, она кодирует функциональный белок.Мишенями действия регуляторных белков, синтезированных на матричных РНК 3 и 3а, являются гены, дальнейшая работа которых полностью исключает соответственно развитие самца или самки(рис. 4). Отметим, что, несмотря на вариации в характере сплайсинга, всегда по краям интроновдолжны находиться упомянутые выше канонические нуклеотидные последовательности, используемые при катализе того или иного пути сплайсинга.Мы проследили каскад регулируемых событийальтернативного сплайсинга. У самцов он дваждыприводил к образованию дефектной мРНК, не способной кодировать достаточно длинный и функционирующий белок. У самок наблюдается последовательное, поэтапное образование матриц РНК длякодирования белка, регулирующего транскрипциюи/или ход событий альтернативного сплайсинга.Примеры альтернативного сплайсинга новообразованной РНК показывают, как в конечном счетеокупаются затраты, в том числе энергетические,идущие на синтез избытка участков РНК, которыезатем удаляются и не используются для синтеза белка.
Альтернативный сплайсинг обеспечивает регуляцию работы гена, дифференцировку тканей иразвитие организма. Однако биологическая рольпрерывистой экзон-интронной структуры генов ироль интронных последовательностей на этом незаканчивается. Недавно было обнаружено, что вырезаемые интроны могут быть предшественникамиособых малых ядерных РНК, участвующих в созревании РНК рибосом.Заканчивая рассмотрение механизмов созревания РНК, необходимо отметить существованиепроцессов так называемого редактирования РНК. Вэтих случаях может происходить химическая модификация азотистых оснований нуклеотидов (например, превращение аденозина в инозин), чтоприводит к изменению информационного значения кодонов, кодирующих данную аминокислоту.Кроме того, внутрь последовательности мРНК могут вставляться уридиловые (U) нуклеотиды.
Формально этот процесс противоположен сплайсингу,когда удаляются нуклеотидные последовательностиинтронов. В результате подобных химических модификаций предшественника РНК будут образовываться белки, в которых положения отдельныхаминокислот будет определяться нуклеотиднымтриплетом РНК, отсутствующим в нуклеотиднойпоследовательности ДНК-матрицы (гена). Указанные способы модификации РНК-предшественникаполучили название редактирования по аналогии сработой редактора, меняющего в тексте отдельныеслова, а зачастую и смысл сказанного.Роль интронов в регуляции экспрессии генов неограничивается процессами созревания РНК.
Интроны, разделяющие экзоны гена, могут вести себякак регуляторные участки ДНК, присоединяющиебелки, активирующие или репрессирующие транскрипцию. Дальность расположения интрона и, например, усилителя транскрипции от старта транскрипции не является препятствием – ДНК можетбыть достаточно гибкой, чтобы белковый фактор,связанный с интроном, был способен контактировать с районом старта транскрипции (см. [1]).áÄäãûóÖçàÖ1.
Процесс “созревания” клеточных РНК сопровождается химическими модификациями РНКпредшественника и укорочением его размеров. Созревание представляет собой регулируемый многостадийный путь, по ходу которого осуществляетсявзаимодействие новообразованного предшественника РНК с белками и другими РНК, обеспечивающими в конце концов образование функциональноактивной молекулы РНК. Регуляция процесса созревания РНК – это способ регуляции активностигена, кодирующего данную молекулу РНК.2. При созревании информационной РНК имеетместо каталитический процесс удаления из РНКинтронов и объединения экзонов, кодирующих отдельные участки белка.
Совокупность этих химических реакций носит название сплайсинга. Сплайсингпроходит в специальной внутриядерной многокомпонентной структуре – сплайсосоме, включающейдесятки белков и набор так называемых малыхядерных РНК, обеспечивающих сплайсинг.3. Молекулярный механизм сплайсинга осуществляется благодаря комплементарным взаимодействиям нуклеотидов РНК-предшественника ималых ядерных РНК. Эти взаимодействия играютпервостепенную роль в катализе сплайсинга. Образующиеся сложные структуры определяют точностьсплайсинга. Кроме того, велика роль белков, способных специфично “узнавать” не только участки РНК,но и друг друга.
Сплайсинг определяется последовательными упорядоченными взаимодействиямикомпонентов машины сплайсинга с предшественниками РНК. Исследование молекулярных механизмов сплайсинга показывает, что каталитическаяÉÇéáÑÖÇ Ç.Ä. êÖÉìãüñàü ÄäíàÇçéëíà ÉÖçéÇ èêà ëéáêÖÇÄçàà äãÖíéóçõï êçä17активность, определяющая удаление интронов иобъединение экзонов, может иметь место и при отсутствии белков, то есть определяться взаимодействиями участков РНК, приводящих как к разрыву,так и к воссоединению межнуклеотидных связей.Нарушение точности сплайсинга при образованииинформационных РНК, вызванное мутацией, можетпрепятствовать трансляции и образованию белка.4. Многокомпонентность машины сплайсингапозволяет регулировать образование мРНК засчет изменения концентраций отдельных компонентов или химической модификации, меняющейбиологическую активность молекул, определяющих сплайсинг.5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
