Строение и транскрипция генов эукариот 1 Введение

Строение и транскрипция генов эукариот

1. Введение В конце 50 -х годов ХХ века для гена утвердилось следующее определение: ген – это участок молекулы ДНК, в котором закодирована последовательность аминокислот одного белка. Потом выяснилось, что многие белки (гемоглобин, РНК-полимераза и др. ) состоят из нескольких полипептидных цепей. Поэтому определение было модифицировано: ген – это линей-ный участок ДНК, в котором закодирована одна полипептидная цепь молекулы белка. Многие белки закодированы несколькими генами. Считалось, что гены всех организмов устроены так же, как и гены бактерий. Коренные изменения в представлении о строении генов эукариот произошли в конце 70 -х годов, в результате развития молекулярно-генетических методов исследований нуклеиновых кислот.

2. Интроны и экзоны У эукариот многие гены содержат некодирующие участки ДНК. Такие участки были обнаружены с путём гибридизации одноцепочеченой ДНК отдельных генов с и. РНК, выделенной из полисом цитоплазмы. ДНК гена куриного овальбумина была выделена с помощью радиоактивного ДНК-зонда из общей ДНК ядра, разрезанной ферментами рестриктазами. Выделенную ДНК гена клонирова-ли для получения количества, достаточного для исследований. В этой ДНК путём плавления разрывали водородные связи и получали одноцепочечные нити, которые затем гибридизиро-вали с и. РНК, выделенной из полисом. Ожидалось, что одноцепочечная ДНК и и. РНК, транскрибированная с этого же гена, соединяться друг с другом коплементарно по всей длине. Но был получен иной результат: нить ДНК гена оказалась намного длиннее соответствующей и. РНК.

Рис. 1. 1 - Электронная фотография гибридных и. РНК и ДНК гена овальбумина; 2 - графическая схема того же изображения. На фотографиях, полученных с помощью электронного мик-роскопа, были видны отдельные участки плотно прилегающих ДНК и РНК, а между ними - большие петли, образованные нитью ДНК (рис. 1). В ДНК гена овальбумина было 7 таких петель. Когда же провели подобную гибридизацию ДНК и м. РНК, выделенной из ядра, то петель не образовалось. Полученные результаты указывают на то, что ДНК гена содержит не только кодирующие участки, но и такие, в которых не закодирован полипептид.

Аналогичные исследования других генов разных эукариотических организмов показали, что большинство из них имеют такое же мозаичное строение – состоят из чере-дующихся кодирующих и некодирующих участков. Например, структурный ген фактора свёртываемости крови VIII человека, дефект которого вызывает гемофилию, имеет длину 186 тысяч пар нуклеотидов. В его составе имеется 26 экзонов и 27 интронов, причём длина «смысловой» экзонной части составляет всего около 7 тысяч пар (3, 8% длины всего гена). У бактерий все исследованные структурные гены состоят только из кодирующей ДНК. Экзоны могут находиться в промоторной и терминаторной частях, т. е. вне структурного гена. Такие экзоны называются некодирующими. Они считываются РНК-полимеразами и остаются в матричной РНК, переходящей из ядра в цитоплазму. В этих РНК-экзонах содержатся участки, необходимые для связывания с рибосомами.

3. Транскрипция генов эукариот отличается от тран-скрипции прокариотических генов (рис. 2). В клетках эукариот имеются три различные РНКполимеразы - А, В и С, которые управляют синтезом соответственно р. РНК, м. РНК и т. РНК. Транскрипция у эукариот про-исходит в ядрах, что приводит к образованию м. РНКпредшественников (ядерных м. РНК). Роль матриц для трансляции м. РНК выполняют только в цитоплазме. При перемещении из ядра в цитоплазму через ядерную мембрану м. РНКпредшественники укорачиваются и превращаются в цитоплазматические м. РНК. Оба вида м. РНК на 5'-концах несут необычное осно-вание - 7 -метилгуанозин, соединенное с

Рис. 2. Экспрессия гена эукариот: а — принципиальная структура мозаичного гена (1, 3, 7, 9 -некодирующие экзоны; 2, 5, 8 — интроны; 4, 6 — кодирующие экзоны; Е — энхансер; р—промотор; t— терминатор транскрипции); б—ядерная м. РНК (7 м. Г - 7 -метилгуанозин; Аn — полиадениловая цепочка из n звеньев) ; в — цитоплазматическая м. РНК; г - белок-предшественник; д — активный белок

Кроме того, в м. РНК эукариот на 3'-концах находятся полиа-дениловые цепочки, состоящие приблизительно из 200 нуклео-тидов. Синтез этих цепочек обусловлен наличием в 3'-кон-цевых частях м. РНК последовательности 5'ААУААЗ'. Обе отмеченные особенно -сти м. РНК посттранскрипцион-ного происхождения. Разница в длинах ядерной и цитоплазма-тической м. РНК является след-ствием Рис. 3. 7–метилгуанин (А), соединённый 5'-5'–связью с первым нуклеотидом м. РНК (Б)

В ходе процессинга из РНК-транскрипта удаляются с помощью специфичных рестриктаз участки, соответствующие интронам; участки, соответствующие экзонам, соединяются друг с другом. Процесс соединения экзонных участков называется сплайсингом. Его механизм до конца неизвестен. Экзоны в цитоплазма-тической м. РНК объединяются в результате сплайсинга так, что в сохраняется правильная последовательность кодонов. Это до-стигается благодаря наличию на 5'- и 3'-концах интронов спе-цифических последовательностей нуклеотидов. Эти последовательности высококонсервативны для генов любого происхожде-ния - все интроны на 5'концах несут ГУ нуклеотиды, а на 3'-концах - АГ нуклеотиды.

Точность сплайсинга зависит и от видоспецифических последовательностей нуклеотидов, расположенных в интронах на расстоянии 20 -60 п. н. от 3'-концов. В генах человека, мыши, крысы это последовательность 5'ЦТГАЦЗ', дрозофилы - 5'ЦТААТ 3', дрожжей 5'ТАЦТААЦ 3'. Эти последовательно-сти определяют выбор динуклеотида АГ на 3'-конце интрона. Если динуклеотид АГ удалить, то сплайсинг происходит по следующему такому же динуклеотиду. Сайт связывания рибосом у эукариотической м. РНК не имеет фиксированной химической структуры, но активную роль в нем играет 7 -метилгуанозин (рис. 3). При экспериментах in vitro обнаружено, что присоединение этого необычного нуклеотида к 5'-концу прокариотических м. РНК обеспечивает их трансляцию с помощью эукариотических рибосом.

4. Регуляция транскрипции у эукариот Гены эукариот не группируются в опероны, поэтому каждый ген имеет собственные промотор и терминатор. В эукариотических промоторах различают ГЦ и AT богатые области. Первая располагается на участке с координатами -100. . . - 40 и служит, вероятно, для первичного контакта РНК-полимеразы В с промотором. Вторая находится на отметке около -30 и служит для точной ориентации РНКполимеразы относительно первого транскрибируемого нуклеотида. Вторая область имеет характерную последовательность нуклеотидов 5'ТАТА(А/Т)А(Т/А)3’. Наличие в ней АТ-пар облегчает плавление ДНК, необходимое для инициации транскрипции. В первой области и в других частях промоторов консервативные последовательности нуклеотидов отсутствуют.

Это объясняется тем, что у эукариотических генов функции регуляторных участков зависят не от порядка нуклеотидов в цепи, а от коллективных физических свойств пар нуклеотидов, составляющих эти участки. Для промоторов одним из таких свойств является, повидимому, профиль их стабильности, т. е. характерное распределение ГЦ- и АТ-пар вдоль промоторов при случайном порядке пуринов и пиримидинов. С промоторами эукариотических генов функционально связаны их специфические локусы — энхансеры (enhancer—усилитель) и регуляторные элементы. Энхансер увеличивает число посадок РНК-полимеразы на промотор ближайшего гена в десятки и сотни раз. Энхансер может находиться в любой ориентации по отношению к гену, располагаться с любой его стороны, внутри него (в интроне) и даже на расстоянии в несколько тысяч пар нуклеотидов. Данные свойства энхансера проявляются лишь в определенных тканях, т. е. энхансеры тканеспецифичны.

Энхансеры способгы действовать и на "чужие" гены. Напри-мер, энхансер вируса SV 40, располагаясь слева или справа от него на расстоянии до 3 т. п. н. , увеличивает эффективность транскрипции гена β-глобина кролика в 200 раз. Регуляторные элементы присутствуют у так называемых индуцибельных генов (гены интерферонов, металлотионеина и др. ), транскрибирующихся только при поступлении в клетку определенных биохимических веществ. В отличие от энхансе-ров, они тесно сцеплены с промоторами и располагаются непо-средственно слева от них, или перекрываются с ними. Таким образом, механизм регуляции транскрипции у эукари-от гораздо более гибкий, чем у прокариот.

Фиксированная химическая структура прокариотических про-моторов обусловливает регуляцию только по принципу "все или ничего", в то время как коллективные физические свойства эукариотических промоторов совместно со свойствами энхан-серов или регуляторных элементов позволяют осуществлять нюансированную регуляцию — от полной экспрессии до полной репрессии, что достигается путем локальной моди-фикации ДНК, изменением внутриклеточных условий и т. д. В терминаторах транскрипции генов эукариот, как и в про-моторах, имеются две характерные области. На расстоянии приблизительно 100 п. н. до сайта, где обрывается транскрип-ция, располагается последовательность, состоящая из 30— 40 тимидиновых остатков. Ее роль, по-видимому, заключается. в торможении движения РНК-полимеразы по ДНК в конце гена. На расстоянии. около 20 п. н. до указанного сайга находится последовательность 5'ААТАА 3'. Участие ее в терминации транскрипции не доказано, но выяснено, что