Особенности молекулярной организации и экспрессии генома эукариот (экзоны, интроны, сплайсинг)

Хранение информации. Генетическая информация закодирована в последовательности нуклеотидов ДНК (DNA), организованных в функциональные участки, называемые генами. [РНК (RNA) как носитель генетической информации используется только некоторыми вирусами.] Участки ДНК кодируют белки, т. е. они содержат информацию об аминокислотной последовательности белков. Каждый остаток представлен в ДНК своим кодовым словом (кодоном), состоящим из трех следующих друг за другом оснований. Так, ДНК-кодон для фенилаланина представлен тринуклеотидом ТТС (2) На уровне ДНК кодоны образуют ее некодирующую цепь [последовательность нуклеотидов которой соответствует последовательности мРНК (mRNA)].

Репликация. Во время деления клеток генетическая информация должна перейти в дочерние клетки. Для достижения этого вся ДНК клетки копируется в процессе репликации во время S-фазы клеточного цикла (см. с. 380), при этом каждая ее цепь служит матрицей для синтеза комплементарной последовательности (1, см. с. 238).

Транскрипция. Для экспрессии гена, т.е. синтеза закодированных в нем белков, последовательность нуклеотидов кодирующей цепи ДНК должна быть трансформирована в аминокислотную последовательность. Поскольку ДНК не принимает непосредственного участия в синтезе белка, информация, хранящаяся в ядре, должна быть перенесена на рибосомы, где собственно и осуществляется биосинтез белков. Для этого соответствующий участок кодирующей цепи ДНК считывается (транскрибируется) с образованием гетерогенной ядерной РНК [гяРНК (hnRNA)], т. е. последовательность этой РНК комплементарна кодирующей цепи ДНК (3; см. с. 90). Поскольку в РНК вместо тимина содержится урацил (см с. 86), AAG триплет ДНК трансформируется в UUC-кодон гяРНК.

Созревание РНК. У эукариот гяРНК, прежде, чем покинуть ядро в виде матричной РНК (мРНК, 4), претерпевает существенные изменения: из молекулы вырезаются избыточные (некодирующие) участки (интроны), а оба конца транскриптов модифицируются путем присоединения дополнительных нуклеотидов (см. с. 242).

Трансляция. Зрелая мРНК попадает в цитоплазму и связывается с рибосомами, преобразующими полученную информацию в аминокислотную последовательность. Рибосомы (см. с. 246) — это рибонуклеопротеидные комплексы, включающие несколько десятков белков и несколько молекул рибосомной РНК (рРНК (rRNA), см. с. 88). Рибосомные РНК выполняют функцию структурного элемента рибосом, а также принимают участие в связывании мРНК и образовании пептидных связей.

Механизм преобразования генетической информации основан на взаимодействии кодонов мРНК с транспортной РНК [тРНК (tRNA), см. с. 88], которая переносит на рибосому аминокислоты, связанные с 3'-концом тРНК, в соответствии с информацией, закодированной в мРНК. Примерно в середине цепи тРНК расположен триплет (например, GAA), называемый антикодоном и комплементарный соответствующему кодону а мРНК. Если транслируется кодон UUC, то с ним взаимодействует антикодон в составе Phe-тРНК (5), несущей на 3'-конце остаток фенилаланина. Таким образом, остаток аминокислоты занимает положение, в котором на него может быть перенесена растущая полипептидная цепь, связанная с соседней тРНК (6).

Активация аминокислот. Прежде чем связаться с рибосомой, транспортные РНК присоединяют соответствующую аминокислоту с помощью специфического «узнающего» фермента (7, схема на с. 244), обеспечивающего точный перенос (трансляцию) генетической информации с уровня нуклеиновых кислот на уровень белка.

Сплайсинг

Характерной особенностью эукариотических клеток является то, что первичный продукт транскрипции их структуных генов (пре-мРНК) подвергается ряду последуюших модификаций для получения функциональной матричной РНК. Из этих модификаций наиболее сложной и интересной является точное вырезание различных по длине внутренних участков (интронов) и сшивание оставшихся, несущих смысловую нагрузку для кодируемого белка - экзонов. Совокупность реакций, происходяших при этом называется сплайсингом. Этот процесс был обнаружен 1977 г.и получил название сплайсинга (от англ. splice - соединять концами). Удаление последовательностей интронов с помощью сплайсинга происходит в ядрах эукариот сразу после завершения синтеза пре- РНК. В сплайсинге участвуют рибонуклеопротеиновые (РНП)-частицы - малые ядерные РНП (мяРНП), в состав которых входят мяРНК U1-U6 и многочисленные белки. РНП-частицы на стыках интронов и экзонов образуют функциональный комплекс, получивший название сплайсомы. Интроны предшественников тРНК у эукариот удаляются с участием более простого набора ферментов, а для вырезания некоторых интронов не требуется никаких дополнительных компонентов, кроме самих предшественников РНК. Последний процесс получил название аутосплайсинга (self-splicing).

Разделяют две стадии этого процесса - разрыв 5' сайта сплайсинга с формированием лариата и разрыв 3' сайта сплайсинга со сшивкой экзонов, причем первая стадия всегда предшествует второй. Оба этапа сплайсинга имеют трансэстерификационный механизм. Реакция разрезания приводят к образованию 5' фосфата и 3' гидроксильной группы, требуют участия брэнч сайта и активного гуанозина.

Различают три типа пре-мРНК: группа I, группа II и ядерные пре-мРНК. Сплайсинг ядерных РНК, в отличие от аутосплайсинга происходит в сплайсосомах и требует участия специфических trans - факторов сплайсинга, производящих соответствующие конформационные и структурные изменения в РНК.

Эксперименты с мутантными РНК и регистрация значительного числа альтернативно-сплайсируемых РНК указыват на исключительное значение сплайсинга при процессинге для регуляции экспрессии генома.

На схеме стр. 92 изображен интрон, соединяющий два соседних экзона в предшественнике мРНК дрожжей. Такая же структура характерна и для пре-мРНК высших организмов. Места соединения интронов и экзонов, в которых происходит разрыв фосфодиэфирных связей пре-мРНК во время сплайсинга, в зависимости от их положения в интроне называют 5'- или 3'-концевыми сайтами сплайсинга. Полипиримидиновая последовательность (Py)n перед 3'- концевым сайтом сплайсинга существенна для правильного вырезания интронов. Остаток аденозина в консервативной последовательности нуклеотидов интрона, расположенный ближе к его 3'-концу, получил название точки разветвления (branch point). Именно с этим аденозином ковалентно соединяется 5'-конец интрона, освобождающийся на первом этапе сплайсинга с образованием структуры типа "лассо" (lariat). Первичная структура указанных сайтов мало консервативна в генах, кодирующих ядерные пре-мРНК, и может значительно варьировать даже у интронов одного и того же организма. В зависимости от механизма вырезания интронов и особенностей их пространственной структуры различают интроны групп I, II и III, интроны ядерных РНК, а также твинтроны - интроны, расположенные внутри интронов.

Интроны, входящие в гяРНК (hnRNA), имеют специфические последовательности на 3'- и 5'-концах (а). На первой стадии сплайсинга ОН-группа аденозилового остатка, расположенного в интроне, атакует (при участии мяРНП) и расщепляет фосфодиэфирную связь на 5'-конце интрона (б). Одновременно в интроне образуется новая связь, которая придает ему форму петли (в). На второй стадии терминальная ОН-группа 5'-концевого интрона атакует связь в 3'-конце интрона. В результате оба экзона соединяются, а интрон освобождается (г).

В этой реакции принимают участие пять различных мяРНП (U1, U2, U4, U5 и U6). В каждой из реакций задействованы несколько белковых молекул и одна молекула мяРНК (snRNA) (см. с. 88). Во время сплайсинга комплексы из гяРНК и мяРНП образуют сплайсому. Полагают, что мяРНК в сплайсоме образуют канонические пары друг с другом и с гяРНК и таким образом фиксируют и ориентируют их реакционные группы. Собственно катализ обусловлен

Экзон (ехоn): последовательность геномной ДНК, которая после транскрипции соответствует части матричной РНК

Гены транскрибируются как протяженные последовательности, но лишь некоторые сегменты этих транскриптов входят в состав образующихся молекул информационных РНК. Эти сегменты и назвали экзонами. Участки между экзонами называются интронами, и они удаляются аппаратом сплайсинга клетки из РНК перед образованием зрелой мРНК. Таким образом, экзон - это последовательность геномной ДНК, которая после транскрипции соответствует части информационной (матричной) РНК

Интроны (introns): гены транскрибируются как протяженные последовательности, но лишь некоторые сегменты этих транскриптов входят в состав образующихся молекул информационных РНК. Эти сегменты назвали экзонами. Участки между экзонами называются интронами, и они удаляются аппаратом сплайсинга клетки из РНК перед образованием зрелой мРНК; в результате последовательности, находящиеся по обе стороны от интрона (экзоны) обьединяются.