Основы молекулярной биологии. Часть 2: Молекулярные генетические механизмы - А.Н. Огурцов 2011
Транскрипция ДНК
Альтернативный сплайсинг
Наличие в генах эукариот интронов позволяет синтезировать различные (но родственные) белки с одного гена посредством альтернативного сплайсинга. У высших эукариот альтернативный сплайсинг это важный механизм для синтеза различных форм белков, называемых изоформами, различными типами клеток.
Рассмотрим альтернативный сплайсинг на примере фибронектина, мультидоменного внеклеточного клейкого белка млекопитающих (рисунок 18).
Рисунок 18 - Альтернативный сплайсинг фибронектина в фибробластах и гепатоцитах. Нитроны в гене фибронектина (без масштаба) изображены двойными черными линиями
В фибробластах транскрибируется мРНК, которая включает экзоны ЕША и ЕШВ, эти экзоны кодируют аминокислотные последовательности доменов, которые связываются со специфическими белками плазматической мембраны фибробластов. Вследствие этого изоформа фибронектина "приклеивает" фибробласт к внеклеточному матриксу.
В результате альтернативного сплайсинга первичного транскрипта фибронектина в гепатоцитах (основных клетках печени) получается мРНК, в которой нет экзонов ЕША и ЕШВ. Поэтому секретируемый в кровь гепатоцитами фибронектин не связывается с клетками, позволяя им свободно циркулировать.
Были идентифицированы более 20 изоформ фибронектина, синтез которых кодировался различными мРНК, полученными альтернативным сплайсингом от одного первичного транскрипта с гена фибронектина.
Недавнее секвенирование (определение последовательности) большого числа мРНК, полученных из разных тканей человека, и сравнение их с геномной ДНК показали, что около 60% генов человека экспрессируются посредством альтернативного сплайсинга мРНК. Альтернативный сплайсинг во много раз увеличивает количество белков, которые закодированы в геноме высших многоклеточных организмов.
ВЫВОДЫ
Транскрипция ДНК осуществляется РНК-полимеразой, которая за один шаг присоединяет один рибонуклеотид к растущему 3'-концу цепи РНК. Последовательность нуклеиновых оснований в матричной цепи ДНК определяет порядок, в котором рибонуклеотиды полимеризуются, формируя нить РНК.
В ходе инициации транскрипции РНК-полимераза присоединяется к специфическому участку ДНК, который называется промотор, локально плавит (расплетает) двойную нить ДНК, открывая неспаренную матричную нить, и полимеризует несколько первых нуклеотидов.
В ходе элонгации РНК-полимераза движется вдоль ДНК, расплетая последовательно спираль ДНК и добавляя рибонуклеотиды к растущей цепи РНК.
Когда РНК-полимераза достигает терминатора, она прекращает транскрипцию, что приводит к освобождению завершенной РНК и диссоциации РНК-полимеразы с матричной ДНК.
В ДНК прокариот несколько генов, кодирующих белки, объединены в функциональный участок ДНК, называемый опероном, который транскрибируется с одного общего промотора в одну РНК, кодирующую синтез нескольких белков с родственными функциями. Трансляция бактериальной РНК может начаться ещё до завершения транскрипции РНК.
В ДНК эукариот каждый белок-кодирующий ген транскрибируется со своего собственного промотора. Первичный транскрипт зачастую содержит некодирующие участки (интроны), расположенные между кодирующими участками (экзонами).
Чтобы сформировалась функционально зрелая РНК, первичные транскрипты эукариот должны пройти процедуру процессинга. В ходе процессинга концы первичного транскрипта 5'-копируются и 3'-полиаденилируются. Транскрипты с генов, содержащих интроны, подвергаются сплайсингу, удаляющему интроны и соединяющему экзоны.
Индивидуальные домены мультдоменных белков высших эукариот зачастую кодируются индивидуальными экзонами или небольшим числом экзонов. Различные изоформы таких белков часто различным образом экспрессируются в различных типах клеток в результате альтернативного сплайсинга.
Вопросы для самоконтроля
1. Запишите определение гена.
2. Какой процесс называется транскрипцией ДНК?
3. Какую реакцию катализирует РНК-полимераза?
4. Почему полимеризация РНК при транскрипции идет в направлении 5'→3'?
5. Какова роль фермента пирофосфотаза в полимеризации нуклеотидов?
6. Что называется стартовой точкой транскрипции?
7. Перечислите и охарактеризуйте стадии транскрипции.
8. Что называется промотором?
9. Какой этап транскрипции называется абортивной инициацией и почему?
10. Что такое область транскрипции и сколько пар оснований она составляет?
11. Сколько пар нуклеиновых оснований входит в РНК-ДНК гибридную область в области транскрипции?
12. Что называется терминатором транскрипции?
13. В чем сходство и различие организации генов прокариот и эукариот?
14. Что такое оперон?
15. Чем отличаются гены прокариот и эукариот?
16. В чем сходство и различие нитронов и экзонов?
17. В чем сходство и различие про-РНК и мРНК?
18. Могут ли одновременно проходить процессы транскрипции и трансляции у прокариот, и почему?
19. Могут ли одновременно проходить процессы транскрипции и трансляции у эукариот, и почему?
20. Какой клеточный процесс называется процессингом РНК?
21. Есть ли процессинг РНК у прокариот? Ответ пояснить.
22. Перечислите основные виды процессинга РНК.
23. В чем заключается кэпирование мРНК?
24. В чем заключается полиаденилирование мРНК?
25. В чем заключается сплайсинг мРНК?
26. Что такое альтернативный сплайсинг?
27. Каким образом альтернативный сплайсинг позволяет варьировать синтез белков в клетке?