Транскрибация — перенос генетической информации¶
Транскрибация — это процесс синтеза молекулы РНК на матрице ДНК, первый этап реализации генетической информации в клетке. Слово происходит от латинского transcribere — «переписывать». В ходе транскрибации последовательность нуклеотидов ДНК копируется в комплементарную последовательность РНК, после чего РНК может использоваться как матрица для синтеза белка или выполнять собственные функции.
¶Общая характеристика
В отличие от репликации ДНК, при которой копируется вся молекула, транскрибация охватывает только определённые участки генома — гены. В клетке одновременно транскрибируются лишь те гены, продукты которых нужны в данный момент, что обеспечивает избирательность (селективную экспрессию) генов.
В роли фермента-катализатора выступает РНК-полимераза. В бактериях существует одна РНК-полимераза, способная считывать все типы генов. У эукариот три основных фермента: РНК-полимераза I синтезирует рРНК, РНК-полимераза II — мРНК и часть малых РНК, РНК-полимераза III — тРНК, 5S рРНК и некоторые другие малые РНК.
¶Основные типы РНК
В результате транскрибации образуются три главных класса рибонуклеиновых кислот:
- Матричная РНК (мРНК) — несёт информацию о последовательности аминокислот белка и служит матрицей для трансляции.
- Транспортная РНК (тРНК) — доставляет аминокислоты к рибосомам во время трансляции.
- Рибосомная РНК (рРНК) — входит в состав рибосом и обладает каталитической активностью пептидилтрансферазы.
Кроме того, существуют малые РНК (микроРНК, РНК интерференции), участвующие в регуляции экспрессии генов.
¶Механизм у прокариот
У бактерий процесс относительно прост. РНК-полимераза связывается с промотором — участком ДНК перед геном, — раскручивает двойную спираль и синтезирует РНК в направлении 5'→3', считывая шаблонную цепь ДНК в направлении 3'→5'. Синтез идёт без необходимости в дополнительных факторах инициации. Терминация происходит либо с участием белка rho, либо без него — за счёт образования шпильки-петли в транскрипте.
Полученная пре-мРНК у бактерий часто сразу готова к трансляции, поскольку транскрипция и трансляция могут идти одновременно в одной клеточной компартменте.
¶Механизм у эукариот
У эукариот процесс многоступенчатее. Транскрипция мРНК-генов РНК-полимеразой II требует участия множества транскрипционных факторов, формирующих преинициальный комплекс на промоторе. Далее следуют три этапа:
- Инициация — сборка транскрипционного комплекса на промоторе (чаще всего содержащем TATA-бокс).
- Элонгация — продвижение полимеразы вдоль гена и синтез первичного транскрипта (пре-мРНК).
- Терминация — отрыв полимеразы от матрицы.
Ключевое отличие эукариот — созревание пре-мРНК. Первичный транскрипт подвергается альтернативному сплайсингу (удалению интронов и соединению экзонов), 5'-кэпингу (присоединению 7-метилгуанозиновой шапочки) и 3'-полиаденилированию. Благодаря альтернативному сплайсингу один ген может кодировать несколько различных белков.
¶Регуляция транскрибации
Регуляция уровня транскрипции — основной механизм контроля активности генов. Ключевые элементы:
- Промотор — участок ДНК, определяющий начало транскрипции и её направление.
- Энхансеры и супрессоры — удалённые регуляторные последовательности, усиливающие или подавляющие транскрипцию.
- Транскрипционные факторы — белки, связывающиеся с регуляторными элементами и модулирующие активность РНК-полимеразы.
- Эпигенетические модификации — метилирование ДНК и модификации гистонов, влияющие на доступность хроматина.
У прокариот основной формой регуляции является оперон — группа генов с общей регуляторной областью (например, лактозный оперон у E. coli).
¶Транскрибация в медицине и биотехнологии
Понимание механизмов транскрибации лежит в основе ряда технологий. Метод обратной транскрипции (обратная транскриптаза РНК-зависимая ДНК-полимераза) позволяет получить кДНК на матрице мРНК — основа метода ПЦР, RT-ПЦР и современных тестов на вирусные инфекции. Технология CRISPR-Cas использует направляемую РНК для адресного редактирования генома. Методы РНК-вакцин основаны на введении в клетку синтетической мРНК, которая транслируется в клетке-хозяине.
¶История открытия
Процесс транскрибации был открыт в 1950-х годах. В 1955 году Северо Оchoa получил синтетическую РНК с помощью полинуклеотидфосфорилазы. В 1960 году Франсуа Жакоб и Жак Моно предположили существование нестабильной промежуточной РНК, передающей информацию от ДНК к рибосомам. В том же году Мэрили Чейз, Сидней Бреннер и Фрэнсис Крик экспериментально подтвердили существование мРНК. В 1976 году Роджер Коркоран и Чарльз Ричардсон очистили РНК-полимеразу из E. coli. Ричард Робертс и Филип Шарп в 1977 году открыли сплайсинг, за что получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 1993 году.
¶Источники
- Альбертс Б. и др. «Молекулярная биология клетки».
- Льюин Б. «Гены».
- Войтенко В. А., Марченко Н. Б., Сорокин В. А. «Молекулярная биология».
- Watson J. D. et al. «Molecular Biology of the Gene».