Основы молекулярной биологии. Часть 2: Молекулярные генетические механизмы - А.Н. Огурцов 2011
Транскрипция ДНК
Стадии транскрипции
Процесс транскрипции может быть представлен в виде последовательности стадий, на которых РНК-полимераза выполняет различные операции (рисунок 9).
В ходе инициации транскрипции РНК-полимераза распознает промотор - специфическую последовательность пар нуклеотидов в двойной спирали ДНК - и связывается с ним (рисунок 9(a)).
Для нахождения промотора и инициации трансляции ядерной РНК-полимеразой необходимо присутствие специфических белков, которые называются факторы транскрипции. После связывания с промотором РНК-полимераза расплетает ("плавит") ДНК для того, чтобы освободить нуклеиновые основания матричной цепи ДНК для спаривания с рНТФ (рисунок 9(6)). Всего РНК-полимераза "плавит" приблизительно 14 пар оснований ДНК вокруг стартовой точки транскрипции.
Первый рибонуклеотид входит в состав цепи, сохраняя свою трифосфатную группу, а последующие присоединяются к 3'-ОН-группе предыдущего с освобождением пирофосфата (рисунок 9(b)).
На стадии инициации РНК-продукт связан с матрицей и РНК-полимеразой непрочно и с высокой вероятностью может освобождаться из комплекса. В этом случае РНК-полимераза, не покидая промотора, снова инициирует синтез РНК.
Такой синтез ди-, три- и более длинных олигонуклеотидов называют абортивной инициацией, в противоположность продуктивной инициации, при которой происходит образование полноценного РНК-продукта.
Когда РНК-продукт достигает критической длины (от 3 до 9 нуклеотидов на разных промоторах), абортивная инициация полностью прекращается, транскрибирующий комплекс стабилизируется и уже не распадается до тех пор, пока синтез РНК не будет доведен до конца, а РНК-полимераза диссоциирует с промотора и начинает движение вдоль матричной ДНК. Этот момент считается концом инициации и началом элонгации.
Рисунок 9 - Стадии транскрипции: а,б,в - инициация; г - элонгация; д - терминация
На стадии элонгации РНК-полимераза перемещается по ДНК пошагово, на один нуклеотид за один шаг, расплетая спираль ДНК впереди по направлению движения, и восстанавливая двойную спираль ДНК сзади (рисунок 9(г)). За один шаг один рибонуклеотид присоединяется к З'-концу растущей (nascent) нити РНК. РНК-полимераза поддерживает в расплетенном состоянии область транскрипции (transcription bubble) - часть ДНК длиной приблизительно 14 пар оснований. Примерно 8 нуклеотидов на 3'-конце растущей РНК остаются спаренными с нуклеотидами матричной цепи ДНК в области транскрипции, образуя ДНК-РНК гибридную область.
Элонгационный комплекс, состоящий из РНК-полимеразы, матричной ДНК и растущей цепи РНК обладает чрезвычайной стабильностью. Для примера, РНК-полимераза транскрибирует за одну транскрипцию (без диссоциации с ДНК и освобождения растущей РНК) один из самых длинных из известных генов млекопитающих, состоящий из 2x106 пар оснований. Поскольку синтез РНК происходит со средней скоростью 1000 нуклеотидов в минуту при 37°С, элонгационный комплекс должен оставаться функциональным более чем 24 часа, чтобы завершить транскрипцию.
Последний этап транскрипции - терминация, - при котором синтезированная РНК, или первичный транскрипт (primary transcript), освобождается от РНК-полимеразы, а сама полимераза диссоциирует с матричной ДНК (рисунок 9(д)).
Определённая последовательность пар нуклеотидов ДНК - терминатор - сигнализирует полимеразе об окончании транскрипции. Освобожденная полимераза может сразу же приступать к транскрипции этого же или другого гена.
РНК-полимеразы прокариот и эукариот организованы подобным образом. Они состоят из двух относительно больших субъединиц (ß1 и ß), двух одинаковых малых субъединиц а и одной субъединицы ω, которая не участвует в транскрипции, но стабилизирует структуру фермента (рисунок 10).
РНК-полимеразы эукариот имеют несколько дополнительных малых субъединиц присоединенных к этому базовому комплексу, который называется "кор" (core - сердцевина).
На схематических диаграммах (рисунок 9) РНК-полимеразу изображают присоединенной к прямой молекуле ДНК. Однако, по современным представлениям о взаимодействии бактериальной РНК-полимеразы и промотора ДНК считается, что ДНК резко изогнута внутри РНК-полимеразы (рисунок 10).
Рисунок 10 - Модель кора бактериальной РНК-полимеразы, связанной с промотором. Номера указывают положения нуклеотидов ДНК по отношению к стартовой точке транскрипции