Методичка по мол биологии (там не все)

Глава 5. РНК, ПРОЦЕССИНГ РНК

В результате транскрипции в клетке образуются различные виды РНК: информационные, транспортные, рибосомные и др. Их фундаментальной биологической функцией как в экариотических, так и в прокариотических клетках является реализация генетической информации. Кроме указанной функции РНК могут участвовать и в других процессах. Следует также отметить, что геномы некоторых вирусов представлены одноцепочечными или двухцепочечными РНК. В этом случае РНК являются хранителями генетической информации.

Первичные транскрипты, образующиеся в процессе синтеза РНК, часто подвергаются посттранскрипционным модификациям, или процессингу. В результате процессинга происходит созревание РНК. Только зрелые РНК способны выполнять возложенные на них задачи.

Далее рассмотрим основные виды РНК.

ИНФОРМАЦИОННАЯ РНК

иРНК (или матричные РНК) – это одноцепочечные молекулы. Они содержат информацию о первичной структуре белка и служат матрицами для биосинтеза полипептидных цепей.

В клетках присутствуют огромное число различных иРНК, обеспечивающих многообразие представленных в них белков. В то же время качественный и количественный состав иРНК в различных клетках неодинаков.

Молекула иРНК может кодировать одну или несколько полипептидных цепей. иРНК, кодирующая информацию об одной полипептидной цепи, называется моноцистронной, о двух или более –

полицистронной.

Информационная РНК прокариот

иРНК прокариот – это короткоживущие молекулы, их время полужизни составляет всего около 2 мин.

61

Большая часть генома прокариот кодирует иРНК, так у E.coli информацию о первичной структуре иРНК хранит 90 – 95 % хромосомы.

иРНК прокариот в большинстве случаев являются полицистронными, и только некоторые из них – моноцистронными. Полицистронные иРНК (рис. 5.1) содержат нетранслируемые межцистронные области, которые разделяют участки, кодирующие полипептидные цепи (цистроны). Со стороны 5’-конца иРНК располагается лидерная некодирующая последовательность, содержащая в своем составе последовательность Шайна-Дальгарно. Последняя комплементарна 16S рРНК и определяет правильную ориентацию иРНК на рибосоме в процессе трансляции. Со стороны 3’-конца располагается некодирующая концевая последовательность (трейлер). Кодирующие последовательности начинаются с инициирующего кодона (обычно АУГ, но может быть и ГУГ) и заканчиваются одним из терминирующих кодонов (УАА, УАГ или УГА). Межцистронные области имеют размер от 1 до 40 и более нуклеотидов. Иногда межцистронные области могут отсутствовать. Более того, последний нуклеотид одного цистрона может являться первым нуклеотидом следующего цистрона, например:

У Г А У Г.

Рис. 5.1. иРНК прокариот

иРНК эукариот

иРНК эукариот являются моноцистронными и составляют 2 – 6 % от всей РНК в клетке. На их 5’-конце имеется кэп. Кэп пред-

62

ставляет собой 7-метилгуанозин, связанный трифосфатной связью 5’-5’со следующим нуклеотидом. Присоединение кэпа происходит посттранскрипционно. Кроме того, остатки рибозы двух следующих за 7-метилгуанозином нуклеотидов также могут быть метилированы (рис.5.2). Кэп играет важную роль в инициации синтеза белка.

Рис. 5.2. Структура кэпа

На 3’-конце большинства иРНК эукариот имеется полиАпоследовательность. Некоторые иРНК эукариот не имеют полиАпоследовательности, например, иРНК гистонов. ПолиАпоследовательность не закодирована в генах, поэтому полиаденилирование осуществляется после транскрипции (в ядре) ферментом полиаденилатполимеразой. ПолиА-последовательность имеет размер около 50 – 400 нуклеотидов. В цитоплазме она постепенно укорачивается и определяет время жизни иРНК. Таким образом, эта последовательность защищает иРНК от деградации последовательности, кодирующей полипептидную цепь. Кроме того, она способствует транспорту иРНК из ядра в цитоплазму. На эффективность трансляции полиАпоследовательность влияния не оказывает. Кодирующая, или транслируемая, область иРНК начинается с инициирующего кодона и заканчивается одним из трех терминирующих кодонов. На 5’-и 3’- флангах иРНК располагаются нетранслируемые области (рис.5.3).

63

ет пептидилтрансферазную реакцию, в результате которой происходит образование пептидных связей в процессе синтеза белка на рибосомах. Рибосомные белки необходимы для поддержания определенной структуры рРНК.

Рис. 5.5. Состав рибосом

рРНК сосредоточена в центре частиц, в то время как рибосомные белки занимают периферическое положение (рис.5.6).

Рис. 5.6. Контуры субъединиц рибосом и изолированных рРНК в компактной форме

Приблизительно 2/3 молекулы рРНК образуют двуспиральные участки (рис. 5.7).

65

а) дигидроуридиловую ветвь, содержащую до 3 остатков дигидро-

уридина;

б) псевдоуридиловую ветвь, содержащую минорные азотистые ос-

нования псевдоуридина;

в) антикодоновую ветвь, в центре которой находится антикодон, ко-

торый комплементарен в антипаралельном направлении кодону иРНК;

г) дополнительную ветвь. Число составляющих ее нуклеотидов варь-

ирует от 3 до 20. В некоторых тРНК данная ветвь отсутствует;

д) акцепторную ветвь с универсальной 3'-концевой последовательно-

стью ЦЦА, служащей акцептором остатка аминокислоты. который присоединяется к 3’- или 2’-гироксильной группе остатка рибозы последнего нуклеотида (рис. 5.9).

На рис. 5.10 показана нуклеотидная последовательность и вторичная структура дрожжевой аланиновой тРНК.

67

laevis около 7 000, у человека – 1300.). Каждый ген тРНК может быть представлен в геноме десятками копий.

Гетероядерные РНК (гяРНК) представляют собой смесь транскриптов и находится в ядре. Некоторые из них являются первичными транскриптами, другие частично процессированными.

Малые ядерные РНК (мяРНК) – короткие молекулы, принимающие участие в созревании РНК. Их размер составляет от 65 до 1000 и более нуклеотидов.

ПРОЦЕССИНГ РНК

Процессингу подвергаются различные виды РНК: иРНК, рРНК, тРНК и др. Наиболее ярко постранскрипционные модификации РНК выражены у эукариот. У прокариот процессинг РНК необходим при образовании зрелых молекул рРНК и тРНК.

СПЛАЙСИНГ

Многие гены эукариот состоят из экзонов – кодирующих последовательностей и интронов – некодирующих последовательностей. При транскрипции таких генов считывается РНК, содержащая в своем составе как экзоны, так и интроны. Образовавшийся первичный транскрипт, подвергается процессингу, в результате которого интроны вырезаются, а экзоны, сшиваясь, образуют зрелую РНК (рис.5.12). Данный процесс получил название сплайсинг.

Рис. 5.12. Сплайсинг

69

Сплайсингу подвергаются предшественники различных эука-

риотических РНК: иРНК, тРНК, рРНК.

У эукариот в предшественниках иРНК (пре-РНК) интроны вы-

резаются в сплайсосомах – комплексах, состоящих из мяРНК и бел-

ков. Интроны на границах с экзонами имеют канонические последо-

вательности на 5’-конце – ГУ, на 3’-конце – АГ. Они также содержат последовательности, необходимые для удаления: акцепторный сайт,

донорный сайт и бранч-сайт (рис.5.13). мяРНК в соответствии с пра-

вилом комплементарности и белки, взаимодействуя с этими сайтами,

обеспечивают удаление интронов.

Рис. 5.13. Структура интрона

Процесс удаления интронов включает (рис. 5.14):

a)разрыв молекулы РНК на границе интрон-экзон со стороны

5’-конца интрона;

b)образование сложнофирных связей между фосфатной груп-

пой первого нуклеотида интрона (Г) и гидроксильной груп-

пой рибозы (у 2’ атома углерода) аденозина, входящего в со-

став бранч-сайта. Сформировавшаяся структура напоминает лассо;

c)удаление и последующее разрушение интрона;

d)воссоединение экзонов посредством образования фосфоди-

эфирных связей.

70