Факторы, необходимые для транскрипции

1. Матрица, которой является неспаренная цепь ДНК. В отличие от репликации транскрипция происходит на определенном фрагменте ДНК.

2. Субстраты. Для синтеза РНК необходимы четыре типа рибонуклеозид-5′-трифосфатов: АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ. Разрыв макроэргической связи между α и β-остатками фосфорной кислоты обеспечивает процесс синтеза энергией.

3. Транскрипция происходит с участием фермента ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Длясинтеза РНК, комплементарной одной из цепи ДНК, спиральная молекула ДНК расплетается на коротком участке с формированием транскрипционного «пузыря». Во время транскрипции у E.coli расплетенный фрагмент составляет около 17 пар нуклеотидов. Поскольку ДНК является двуспиральной молекулой, движение транскрипционного пузыря вызывает закручивание молекулы ДНК. Спирализация ДНК ограничивается ДНК-связывающими белками. В результате движения РНК-полимеразы образуются положительные супервитки впереди транскрипционного пузыря и отрицательные супервитки позади. Этот процесс наблюдается in vivo и in vitro у бактерий.

РНК-полимераза E.coli состоит из 5 субъединиц (a₂bb ′ ω, м.м. 390 000) и шестой s-субъединицы. Фермент, состоящий из 6 субъединиц, называется холоферментом. Установлено, что b-субъединица участвует в связывании рибонуклеозидтрифосфатов, b′-субъединица – в связывании фермента с ДНК-матрицей, a-субъединица участвует в инициации транскрипции; функция ω-субъединицы не известна. Структура фермента без s-субъединицы называется кор-ферментом. Этот фактор находит строго определенные последовательности нуклеотидов в промоторе, способствует более прочному связыванию полимеразы со специфической промоторной последовательностью ДНК и участвует в раскрывании двойной спирали ДНК, так чтобы одна из цепей могла служить матрицей. s-Субъединица не участвует в стадии элонгации. Различные s-субъединицы узнают различные последовательности нуклеотидов в промоторе. Большинство s-субъединиц являются s⁷⁰ (м.м. 70 000).

В эукариотических клетках присутствуют 3 ядерные РНК-полимеразы – I, II, III. РНК полимераза I находится в ядрышке и участвует главным образом в биосинтезе рРНК; РНК-полимераза II – осуществляет синтез мРНК, а РНК-полимераза III отвечает за синтез тРНК и 5S-рРНК.

Механизм транскрипции

Синтез РНК включает 3 стадии: инициации, элонгации и терминации.

1. На стадии инициации РНК-полимераза с помощью s-субъединицы через серию случайных актов ассоциации-диссоциации находит промотор и происходит присоединение всей молекулы РНК-полимеразы. После синтеза цепочки РНК примерно из 8 рибонуклеотидов s-субъединица отделяется от холофермента и присоединяется к другой молекуле РНК-полимеразы. Синтезируемые цепи РНК имеют на 5′-конце обычно остаток ГТФ или АТФ (рррА, либо рррГ). В отличие от синтеза ДНК затравка в этом случае не нужна. Следовательно, новообразованная цепь РНК имеет трифосфатную группу на 5′-конце и свободную ОН-группу на 3′-конце.

2. На стадии элонгации РНК полимераза синтезирует цепь РНК в направлении 5′®3′ антипараллельно матричной цепи ДНК (т.е. матричная ДНК копируется в направлении 3′®5′). В ходе транскрипции новосинтезированная цепь РНК временно образует короткие отрезки гибридной спирали ДНК-РНК. По мере того, как расплетается очередной участок ДНК, транскрибированный участок восстанавливает свою двуспиральную конформацию.

Максимальная скорость элонгации составляет примерно 50 нуклеотидов в секунду. В отличие от ДНК-полимеразы РНК-полимераза не проверяет правильности новообразованной полинуклеотидной цепи. В связи с этим надежность транскрипции значительно ниже, чем надежность репликации. Частота ошибок при синтезе РНК составляет примерно одну ошибку на 10⁴-10⁵ нуклеотидов, что в 10⁵ раз выше, чем при синтезе ДНК. Гораздо более низкую надежность синтеза РНК клетка обходит тем, что с одного гена синтезируется много копий РНК-транскриптов.

3. Сигнал терминации синтеза молекулы РНК представляет собой определенную последовательность нуклеотидов, расположенную в рамках кодирующей цепи ДНК. Процесс терминации у эукариот не достаточно изучен. У E.coli существует два механизма терминации: 1) с участием специфического белка, называемого r-фактором и 2) r-независимый механизм.

После терминации синтеза данной цепи РНК кор-фермент отделяется от ДНК-матрицы и, связавшись с новой молекулой s-фактора, может узнавать соответствующие промоторные участки и приступать к синтезу новой молекулы РНК. Одну и ту же кодирующую цепь могут одновременно считывать несколько молекул РНК-полимеразы, но процесс отрегулирован таким образом, что в каждый данный момент каждая молекула транскрибирует различные участки ДНК.