Транскрипция днк

Воспроизводство генетического материала обеспечивается репликацией ДНК, приводящей к ее самокопированию в виде двух идентичных дочерних молекул. Однако проблема химических основ наследственности включает и вопрос о том, каким образом осуществляется гетерокаталитическая функция ДНК, т.е. экспрессия генов.

Сформулированная Ф.Криком так называемая центральная догма молекулярной биологии утверждает, что перенос генетической информации осуществляется:

• от ДНК к ДНК (путем репликации);

• от ДНК через информационную, или матричную РНК (иРНК) к белку.

Несмотря на то, что в последнее десятилетие на примере РНК-содержащих вирусов была доказана возможность переноса генетической информации в направлении от РНК к ДНК с помощью процесса обратной транскрипции, основным путем экспрессии генов является их транскрипция, т.е. синтез одной цепи иРНК по матрице ДНК, и последующая трансляция этой иРНК на рибосомах, т.е. сборка аминокислот в полипептидную цепь на матрице иРНК. В клетках эукариот эти процессы отделены друг от друга в пространстве и во времени, поскольку первый происходит в окруженном ядерной мембраной ядре, откуда синтезированная иРНК поступает в цитоплазму, а затем начинает транслироваться на рибосомах. У прокариот с их плавающей в цитоплазме хромосомой (нуклеоидом) указанные процессы не разобщены и трансляция генных транскриптов, т.е. молекул иРНК, начинается до полного завершения их синтеза одновременно на многих рибосомах. Сопряженность транскрипции и трансляции у бактерий приводит к тому, что при 37⁰ С за 1 секунду синтезируется 15 кодонов (т.е. триплетов нуклеотидов в иРНК, кодирующих определенную аминокислоту), а за одну минуту- 2500 нуклеотидов. Это хорошо согласуется со скоростью синтеза белка, равного при 37⁰ С примерно 15 аминокислот в 1 с. С момента инициации экспрессии гена его иРНК появляется в клетке через 2,5 мин, а соответствующий белок - еще через 30 с.

Как правило, лишь одна цепь ДНК, называемая антикодирующей, служит матрицей для синтеза комплементарной молекулы иРНК, осуществляемого ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Противоположная ей цепь, последовательности нуклеотидов в которой совпадает с последовательностями иРНК, называется кодирующей. Подобно синтезу ДНК, синтез иРНК также идет в направлении 5-3, поэтому он всегда начинается с 3-конца антикодирующей цепи. Следует иметь в виду, что у двух разных генов, расположенных на одной молекуле ДНК в пределах одной хромосомы, даже если они сцеплены друг с другом, кодирующая цепь может не совпадать. Это означает то, что транскрипция молекулы ДНК, образующей ряд генов, происходит с переменой матрицы. Вместе с тем в каждом данном гене транскрибируется лишь одна цепь.

Существование иРНК было теоретически доказано Уотсоном и Криком при рассмотрении вопроса о том, каким образом заложенная в двуспиральной ДНК генетическая информация реализуется при синтезе белка. Экспериментально же это впервые доказано в работе Э. Волкина и Л. Астрахана (1962), исследовавших процесс синтеза белка в клетках E.coli, инфицированных фагом Т2. Они обнаружили, что при фаговой инфекции в бактериальных клетках резко усиливается синтез молекулы РНК, комплементарной по своему составу одной из цепей ДНК фага Т2, но не ДНК E.coli. Время полураспада этой РНК составляет всего несколько минут. Позднее in vitro было показано, что такие короткоживущие РНК направляют синтез специфических фаговых белков.

У эукариот прямые доказательства синтеза иРНК в ядре и ее последующего перехода в цитоплазму были получены с помощью импульсного мечения вновь синтезирующейся РНК ³Н-уридином и последующей ауторадиографии. Такие эксперименты были проведены, в частности, на клетках водорослей Tetrahymena.

Катализирующие синтез иРНК-полимеразы обычно представляют собой сложные белки. Так, один из наиболее изученных ферментов этого типа - РНК-полимераза E. сoli - имеет М_r 480 000 и состоит из 5 полипептидных цепей, из которых 4 (2, , ) образуют стержень, или кор-фермент. Способность РНК-полимеразы распознавать начало данного гена и присоединяться к специфическому для каждого гена сайту инициации транскрипции, или промотору, определяется пятым полипептидом  (сигма-фактор). У эукариот известно 3 типа РНК-полимераз, ответственных за синтез различных классов РНК. Наиболее активна РНК-полимераза I, обнаруженная в ядрышках. Она транскрибирует лишь гены, кодирующие рРНК (т.е. РНК, входящие в состав рибосом), что составляет 50-70 % от общего синтеза РНК. РНК-полимераза II локализована в нуклеоплазме и синтезирует 20-40 % всей клеточной РНК, в том числе РНК-предшественники иРНК в виде гетерогенной (состоящей из различных молекул) ядерной РНК. РНК-полимераза III также находится в нуклеоплазме и ответственна за синтез большей части мелких ядерных РНК и транспортных РНК.