ГЕНЕТИКА - Підручник - А.В. Сиволоб - 2008

РОЗДІЛ 2. Експресія генів

ЕКСПРЕСІЯ ГЕНІВ В ЕУКАРІОТІВ

На відміну від прокаріотів, еукаріотична мРНК синтезується під час транскрипції у клітинному ядрі, звідки транспортується до цитоплазми. Отже, білковий синтез, який відбувається в цитоплазмі, та транскрипція є окремими, розділеними у просторі й часі, етапами експресії гена Інша принципова відмінність полягає в мозаїчності

будови еукаріотичного гена (див. розділ 1): первинний транскрипт, що синтезується, не може бути використаним як матриця для білкового синтезу - принаймні тому, що в його складі є інтрони. Дозрівання пре-мРНК з утворенням функціональної матриці називають проце- сингом. Усі операції процесингу відбуваються під час транскрипції на РНК-полімеразному комплексі, тобто процесинг еукаріотичної мРНК є невід'ємною частиною транскрипції.

Ініціація транскрипції

В еукаріотичних клітинах функціонують РНК-полімерази трьох типів: РНК-полімераза І працює на кластерах генів рибосомної РНК і синтезує рРНК 18S, 28S та 5,8S; РНК-полімераза ІІ транскрибує білкові гени, гени маленьких ядерних РНК і деяких інших РНК, котрі не піддаються трансляції; РНК-полімераза ІІІ здійснює синтез тРНК, рибо- сомної РНК 5S і кількох інших низькомолекулярних РНК. Кожна з цих полімераз містить від 12 до 16 субодиниць. Загальна архітектура еука- ріотичних полімераз дуже схожа на таку прокаріотичної полімерази; спільними є й основні механізми роботи полімераз.

Кожна полімераза має свій набір базальних факторів транскрипції, які забезпечують точну посадку ферменту на промотор, вибір стартової точки (як і для прокаріотів, стартова точка транскрипції не збігається із стартовим кодоном для трансляції) та одного з ланцюгів ДНК як матричного. РНК-полімерази І та ІІІ є високоспеціалізованими - за допомогою своїх базальних факторів вони розпізнають 1-2 типи промоторів. РНК-полімераза ІІ працює на промоторах білкових генів, що відрізняються великим розмаїттям, і, крім базальних факторів, ініціація транскрипції РНК-полімеразою ІІ потребує специфічних факторів транскрипції, які розпізнають специфічні регуляторні елементи промоторів.

Промотор РНК-полімерази ІІ, узагальнену схему якого показано на рис. 2.11, може складатися з таких елементів послідовності (для конкретних промоторів спостерігаються численні варіації цієї схеми). Проксимальні (приблизно в зоні -50 ... -200 пар основ відносно старту транскрипції) і дистальні (будь-де відносно старту - на великій відстані, усередині кодуючої частини гена тощо) регуляторні елементи мають спорідненість до специфічних факторів транскрипції, взаємодія з якими активує / блокує зв'язування РНК-полімерази. Якщо дистальний елемент підсилює ефективність ініціації, його називають енхансером (enhancer - підсилювач), якщо навпаки - сайленсером (silencer - глушник). У зоні старту міститься так званий базальний промотор, на якому, власне, і відбувається ініціація.

Рис. 2.11. Приблизна узагальнена схема організації промотора РНК-полімерази ІІ та консенсусні послідовності основних елементів базального промотора

Базальний промотор може включати (але не обов'язково) три елементи: ТАТА-бокс (починається приблизно з -30 пари основ), ініціаторний елемент (Initiator, Inr) безпосередньо в зоні старту, DPE (Downstream Promoter Element) на відстані приблизно +30 пар основ від старту. Останні два елементи, Inr і DPE, як правило, присутні (якщо присутні) одночасно. Наприклад, близько 14 % промоторів дрозофіли містять усі три елементи, 29 % - тільки ТАТА-бокс, 26 % - тільки DPE разом з Inr, 31 % не мають жодного із трьох елементів. В останньому випадку промотор визначається іншими, більш специфічними елементами послідовності, що розпізнаються специфічними факторами, які, у свою чергу, взаємодіють із факторами базальними.

Для ініціації транскрипції є необхідним збирання на промоторі преініціаторного комплексу за участю РНК-полімерази ІІ й шести базальних (загальних) факторів транскрипції TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH. Послідовність його збирання може бути різною, але всі базальні фактори мають бути присутніми у складі преініціаторного комплексу для подальшого запуску транскрипції. Фактор TFIID здійснює впізнання стандартних елементів базального промотора. TFIIB взаємодіє з TFIID і РНК-полімеразою, виконуючи функції, які дещо нагадують такі прокаріотичного фактора о (див. вище). TFIIH забезпечує первинне плавлення подвійної спіралі при ініціації та здійснює фосфорилювання певних елементів РНК-полімерази, яке служить сигналом очищення промотора та початку елонгації. Інші базальні фактори додатково стабілізують комплекс і виконують допоміжну роль.

Ефективне збирання преініціаторного комплексу можливе лише за участі ще одного структурного модуля - медіатору, який містить понад 20 субодиниць. Цей мультибілковий комплекс здійснює лише білок-білкові взаємодії - із РНК-полімеразним комплексом та із специфічними факторами транскрипції, що зв'язані на проксимальних та дистальних елементах промотора (рис. 2.12). Отже, медіатор - це засіб передачі "активаційних сигналів» із регуляторних елементів послідовності на РНК-полімеразу: збільшення кількості взаємодій підсилює ефективність збирання преініціаторного комплексу.

Рис. 2.12. Схема збирання комплексу активації транскрипції

Більшість специфічних факторів транскрипції (далі позначатимуться як ТФ) мають у своїй структурі принаймні два домени: той, що взаємодіє з ДНК, і так званий активаційний (AD, Activation Domain), який використовується для взаємодії з іншими білками (рис. 2.12). Активаційні домени зв'язують білкові кофактори (коактиватори), у результаті на дистальних і проксимальних елементах промотора формується складний мультибілковий комплекс - енхансосома. Активаційні домени ТФ і коактиватори мають спорідненість до медіатору та базальних факторів транскрипції. Результатом такої взаємодії є ефективне збирання преініціаторного комплексу на базальному промоторі (рис. 2.12).

Після збирання преініціаторного комплексу відбувається локальне плавлення ДНК, матричний ланцюг занурюється в активний центр полімерази, де починається синтез короткого первинного транскрипту. Далі за рахунок активності TFIIH здійснюється фосфорилювання С-кінцевого домену (довгий невпорядкований поліпептидний хвіст) найбільшої із субодиниць РНК-полімерази, яке є точкою перемикання ініціації на елонгацію: відбувається очищення промотора, полімераза втрачає зв'язок із базальними факторами й продовжує синтез РНК.