ДНК-дан РНК-ға транскрипцияланудың механизмдері және принциптері

ДНК-дан  РНК-ға транскрипцияланудың механизмдері және принциптері.

 

1. Транскрипцияның жалпы сипаттамасы.
2. Транскрипция факторлары.
1. ДНК молекуласының реттеуші учаскелермен байланысатын ақуыздар.
2. Транскрипцияның жалпы факторлары.
3. р–53 ақуызы–транскрипция факторы.
3. Транскрипция тетіктері(механизмдер).
4. Транскрипцияның алғашқы өнімдері.
5. Пре–РНК–лардың пісіп жетілуі–процессинг.

 

ДНК молекуласында генетикалық  ақпарат болатыны белгілі, ол:

• ағзаның барлық ақуыздары және РНК молекулалары туралы ақпарат;
• онтогенез барысында сол ақпараттың жүзеге асуының реті туралы ақпарат.

Адам ағзасының барлық дене жасушаларында хромосома жиынтығы барлық дене жасушаларында хромосома  жиынтығы бірдей болғандықтан олардың  бәрінде бірдей генетикалық ақпарат  болады.

Бұл жағдай, яғни генетикалық эквиваленттілік, диплоидты ағзаларды клондауға мүмкіндік береді.

Өзімізге белгілі ДНК  репликациясы нәтижесінде генетикалық ақпарат екі еселенеді және олар жаңадан түзілген жасушаларға тепе – тең мөлшерде беріледі.

Бұдан басқа, генетикалық  ақпарат экспрессияланады яғни әрі қарай жүзеге асады.

Белгілі бір ақуыз  молекуласының құрылымы туралы ақпараттың экспрессиялануы 2 кезеңнен тұрады: а) транскрипция – жасуша ядросында  аРНК түзілуі; б) трансляция – аРНК ақпараты негізінде рибосомаларда  ақуыз молекуласының синтезделуі.

 

1. Транскрипцияның жалпы сипаттамасы

 

Транскрипция дегеніміз – ДНК молекуласындағы генетикалық ақпараттың РНК молекуласына көшіріліп жазылуы, яғни РНК синтезделуі болып табылады.

Егер ДНК репликация жасушаның бөлінуіне байланысты болатын болса, яғни тек бөлінуші жасушаларда байқалатын болса, транскрипция үдерісі барлық ядролы жасушаларда, бөлінетін және бөлінбейтін байқала береді.

Бөлінетін жасушаларда  ол митоздық циклдың кез – келген уақытында жүреді және ДНК молекуласының  бір учаскесінің транскрипциялануы көп рет қайталанып жүруі мүмкін.

Транскрипция немесе РНК синтезі үшін құбылыс материалдары болып рибонуклеозидтрифосфаттар (рАТФ, рГТФ, рЦТФ, рУТФ) саналады. РНК тізбегіне  қосылған кезде олар 2 фосфат қалдығын пирофосфат күйінде бөліп шығарып, босаған энергияны нуклеотидтер арасындағы фосфодиэфирлік байланыстың түзілуіне жұмсайды.

Еркін рНТФ →рРНК  тізбегіндегі қалдығы + пирофосфат

РНК тізбегінің синтезделуі 5¹ ұшынан 3¹ ұшына қарай жүреді (5¹→3¹).

РНК синтезі проматорлық  учаскесін басталып терминаторлық учаскемен аяқталады. РНК синтезі жүруі үшін ДНК молекуласының кем дегенде 2 өрімінде ДНК жіпшелері бір – бірінен ажырасулары қажет, ширатылған күйінде транскрипция жүрмейді.

РНК синтезі ассиметриялық  құбылыс, яғни бір – бірінен ажырасқан ДНК жіпшелерінің тек біреуі ғана РНК синтезі үшін матрица (қалып) қызметін атқара алады.

РНК синтезі консервативтік құбылыс, яғни транскрипциясы аяқталғаннан кейін ДНК молекуласы ширатылып, бастапқы күйіне келеді.

РНК синтезін РНК –  полимераза – ферменті өз бетінше жүргізеді. Яғни ешқандай ұйытқының қажеті жоқ.

Транскрипция өнімі  болып жетілмеген РНК–лар:

пре–аРНК, прн–тРНК, пре–рРНК–лар саналады. Олар ядрода пісіп жетіледі (процессинг).

2. Транскрипция факторлары

Гендердің экспрессиялануына көптеген ақуыздар әсер етеді. Соңғы жылдары транскрипциялық фактор қасиетіне ие көптеген ақуыздар анықталды. Олар бір – бірімен, не ДНК молекуласының реттеуші учаскелерімен (промотор, энхансерлер), не басқа да заттармен (лиганда) әрекеттесіп гендердің белсенділігіне әсер етеді.

2.1. ДНК молекуласының  реттеуші учаскелермен байланысатын  ақуыздар.

ДНК–мен байланысатын ақуыздар саны көп. Құрылымдарына қарай оларды бірнеше топқа топтастырады:

А) «Ширатпа–бұрылым–ширатпа» мотивтері болатын ақуыздар.

Бұл ақуыздардың ДНК–танитын, онымен байланысатын учаскелері ілмек арқылы қосылған екі α – ширатпадан тұрады. Олардың біреуі белгілі бір нуклеотидтер бірізділігімен спецификалық әрекеттесіп, ДНК молекуласымен тікелей байланысады.

Б) Гомеодомендері болатын ақуыздар.

Бұларға эукариоттардың эмбриональдық дамуына жауапты  гомейотикалық гендердің өнімдері жатады. Осы ақуыздар арқылы кейбір гендерді іске қосып, кейбіреулерін  істен шығарып ағзалардың дамуы  реттелінеді.

Бұл ақуыздардың ерекшелігі – гомеодомендер деп аталатын біртипті домендердің болуы.

Гомеодомен, шамамен 60-тай аминқышқылдарынан құрылған, құрылысы жағынан прокариоттардың ақуыз – репрессорларына ұқсас болады.

В) «Мырыш саусақтары» болатын ақуыздар.

Бұл ақуыздардың саусақтәрізді  құрылымдары болады. Олар мырыш атомының 2 цистеин және 2 гистидин аминқышқылдарының қалдықтарымен 4 байланыс пайда ету арқылы тұрақтанады.

Саусақтың сыртқы бетінде  ДНК–ның белігілі бір нуклеотид  бірізділігін арнайы танитын α –  ширатпа орналасқан. Саусақтардың саны әртүрлі ақуыздарда түрліше болады.

Бұл топқа эукариоттардың көптеген реттеуші ақуыздары, атап айтқанда стероидтық гормондардың жасуаішілік  ақуыз–рецепторлары жатады.

Г) Лейцин «ілдіргіші» бар ақуыздар.

Бұл топқа бір –  бірімен Лейцин қалдықтары арасындағы гидрофобтық байланыстар арқылы қосылған 2 субъединицадан (бөлшектен) тұратын ақуыздар кіреді.

ДНК–мен байланысатын учаскеде негіздер қасиетіне ие аминқышқылдар  – аргинин және лизин көптеп кездеседі.

Бұл топқа эукариоттардың көптеген транскрипциялық факторлары кіреді.

 

2.2. Транскрипцияның  жалпы факторлары

Транскрипцияның жалпы  факторлары РНК полимераза ферментінің  промотормен байланысуын қамтамасыз ететін ақуыздар. Бұл ақуыздардың  өздері де промотормен байланысады.

Промоторлық учаскеде бокстар  деп аталатын ерекше нуклеотидтер бірізділігі кездеседі, мысалы эукариоттарда ТАТА бокс жиі кездеседі, сонымен бірге сиректеу ГЦ–, ЦТ–бокстары да белгілі. Әртүрлі промоторларда олардың орналасу реті түрліше; кейбір жағдайларда ГЦ–бокс, ТАТА–боксқа дейін орналасса, екінші біреулерінде керісінше.

Промоторлардың ТАТА–боксымен  алғаш ТВР–ақуыз байланысады. Бұл  бірнеше ТАF–ақуыздарының жалғануын инициациялайды.

Бұл ақуыздар – транскрипцияның  жалпы факторлары деп аталады, себебі олар барлық жасуашаларда кездеседі  және көптеген гендердің экспрессиялануы үшін міндетті түрде қажет. Осы ақуыздар кешенін ТF II Д деп те атайды.

Осы ақуыздар РНК–полимераза ІІ–нің промотормен байлансуы үшін қажет. ПРомотормен байланысқан  ақуыздар кешенін негізгі инициаторлық кешен деп атайды. ТFIIД – дан басқа ТFIIA, TFIIB, TFIIC, TFIIH деп аталатын транскрипцияның жалпы факторлары да белгілі. Олар әртүрлі промоторлармен байланысады.

р–53 ақуызы жасушаның  көптеген құбылыстарын реттеуге қатынасады және оның қызметі сан алуан:

1. Жасуша құрылымдарының бұзылыстарына жауап ретінде р–53, не оның гені активтенеді.

2. p–53 ақуызы 3 топ гендердің белсенділігін реттейді:

а) р–21, GADD 45 т.б. жасуша бөлінуін тоқтататын гендерді активтендереді;

б) апоптозды іске қосатын  ВАХ, Killer/ DR5, PIG т.б. гендерді активтендіреді;

в) апоптозды тежейтін BCL2, RELA гендерін репрессиялайды;

г) ангиогенезді тежейтін TSP1, BA11 т.б. гендерді активтендіреді яғни ақуыз р–53 көмегімен жасуша өз құрылымдарының бұзылыстарына төмендегідей жауап қайтарады:

– митоздық циклдің белгілі бір сатысында оның әрі қарай бөлінуін тоқтатып бұзылыстарды жөндеуге мүмкіндік жасайды;

– немесе әрі қарай бөлінуін мүлдем тоқтатып жасуша қартаю кезіңе өтеді;

– немесе апоптоз іске қосылады да жасуша өліп жойылады.

Р–53 молекуласы 392 аминқышқылдарынан құралған және көлемі, қызметтері әртүрлі 6 доменнен тұрады.

Орталық домен ең үлкен  домен ген нысананың энхансерлерін  танып білу қызметін атқарады және олармен байланысады.

Ақуыздың N ұшында N ұшы домені транскрипцияның жалпы факторларымен, яғни TFIID кешенімен әрекеттеседі.

Бұл байланысулар басқа  да көптеген факторлардың (домендердің) бақылауында болады.

N доменде ақуыз – ингибитор Mdm -2-мен байланысатын локус болады. Ол TFIID кешенін бастырмалайды. Осы жерде серин, трионин аминқышқылдары қалдықтары көптеп кездеседі және олар протеинкиназалармен фосфорланады. Бұл киназалар ДНК молекуласының құрылысы бұзылған кезде активтенеді де, Мdm 2 – ингибиторына әсер етіп, оны пассив күйіне көшіреді, нәтижеде N– домен TFIID кешенімен әрекеттесу қабілетіне ие болады.

Орталық доменнің энхансерлармен әрекеттесу де бақылауда болады, ол модификациялану арқылы жүзеге асады, бірақ бұл кезде орталық домен  емес С–ұшы–домені модификацияланады  және ол көптүрлі болып келеді: фосфорлану, ацетильдену, гликолиздену т.б.

Егер С–ұшы–домені модификацияланбаса, орталық домен ДНК–нысанымен әрекеттесе алмайды.

Жоғарыда айтылғандай  Р–53 ақуызы кейбір гендердің – ВСL2, RELA, әрекетін репрессиялайды. Бұл қызметі С–ұшы домені атқарады. Бұл кезде ол TFIID кешенімен байланысып, оның белсенділігін тежейді.

Р–53 ақуызының басқа да домендері белгілі: α-ширатпалы  домен С–доменге дейін орналасқан. Оның қызметі –Р–53 ақуызын тетраметрік кешен күйіне көшіріп оның белсенділігін қалыптастыру болып табылады.

Орталық және α-ширатпалы  домендер арасында линкерлік (байланыстырушы) учаске орналасқан. Ол енді ғана синтезделген Р–53 ақуызының цитоплазмадан ядроға өтуі үшін қажет.

 

 

 

 

3. Транскрипция  тетіктері (механизмдер)

Транскрипцияның ең алғашқы және маңызды кезеңі – оның инициациясы: РНК–полимеразаның промотормен байланысуы және алғашқы нуклеотидтераралық байланыстың түзілуі.

РНК полимераза мен промотордың  байланысуы қалайша жүзеге асады?

Бактерияларда РНК полимераза промотор құрамындағы белгілі бір нуклеотидтер жұптарының бірізділігін тікелей таниды. Мысалы: Прибнов боксын. Бактерияның РНК полимераза ферментінің коферменті 3 түрлі субъединацадан – α, β, β¹, құралған тетрамер болып табылады. Ол өздігінен промотормен байланыса алмайды, ал егер оған ерекше ақуыз – σ – фактор жалғанса онда σ – фактордың қатысуымен РНК – полимераза ферменті промотордың ПРибнов боксын танып, онымен байланысады да транскрипцияны бастайды.

Эукариоттарда промотормен  көптеген ақуыздар байланысады, мысалы: TFIID, TFIIA, TFIIE, TFIIC, TFIIH кешендері, сонымен қатар ген транскрипциясының инициациялауы үшін осы геннің энхансерлермен байланысатын басқа да транскрипция факторлары қажет.

РНК полимераза промотормен  байланысып, ДНК молекуласының локальды денатурациялануын, яғни ДНК тізбектерінің 1,5 – 2 ширатпа ұзындығында бір – бірінен ажырауын туғызады. Осылайша транскрипциялық «көзше» пайда болады және «көзшедегі» ДНК–ның матрицалық тізбегінде орналасқан нуклеотидтердің р → НМФ–тармен комплиментарлы жұптасуына мүмкіндік туады.

Жаңадан  синтезделуші РНК тізбегінде алғашқылардың бірі болып пуриндік нуклеотид – АТФ  не ГТФ қосылады және ол өзінің 3 фосфат қалдығын сақтап қалады. Содан кейін  екінші нуклеотидпен алғашқы 5¹-3¹-фосфаттық  байланыс түзіледі. Осыдан кейін бактерияларда б–фактор РНК– полимеразамен байланысын үзіп, түсіп қалады.

Инициациядан кейінгі  кезең – элонгация: синтезделуші пре–РНК тізбегінің жайлап ұзаруы терминациялық учаскеге дейін жалғасады. РНК синтезінде  1 секундта шамамен 30 нуклеотид жалғанады.

Жалпы алғанда транскрипция қателіксіз жүреді, себебі ол матрицалық, комплиментарлық принциптерге негізделінеді, бірақ кейде 2x10³ нуклеотидтен біреуі қате жұптасуы мүмкін. Бұл қателіктер мутацияға алып келеді, сондықтан олар дер кезінде эндонуклеазалар арқылы жөнделіп отырады.

Транскрипцияның соңғы  кезеңі терминация немесе транскрипцияның  аяқталуы. Терминацияға сигнал болып  геннің аяқ жағындағы ГЦ–ға бай  учаскелері саналады. Г–Ц байланысы (3 сутектік байланыс) мықты, берік болғандықтан ДНК–ның осындай учаскесінің локальды денатурациялануы қиындай түседі. Бұл РНК – полимераза ферментінің жылжуын баяулатады және транскрипцияның тоқталуына алып келеді.

 

4. Транскрипцияның алғашқы өнімдері

Транскрипция нәтижесінде  эукариоттарда жетілмеген пре –  РНК синтезделінеді, себебі эукариоттар генінің құрылысы бактерияларға қарағанда күрделірек, яғни ол экзон – интрондық құрылысқа ие болады және транскрипция кезінде пре – РНК–ларда экзондық–интрондық учаскелері түгел көшіріліп жазылады.

а) пре–аРНК жетілген а–РНК–ларға қарағанда әлдеқайда ұзын болады, себебі олардың құрамына спейсерлер (реттеуші, құрылымдық қызметтер атқаратын ДНК учаскелері), мағыналы ДНК учаскелері–экзондар, мағынасыз учаскелері–интрондар кіреді. Сондықтан да пре–РНК–ларды кейде гетерогендік ядролық РНК деп те атайды.

Пре а–РНК–лардың келесі ерекшелігі оның 5¹ ұшында «қалпақшаның», 3¹ ұшында–поли (А) – фрагменттің болмауы.