ПРОЦЕССИНГ ДНК И РНК

ПРОЦЕССИНГ ДНК И РНК
При жизни организма непрерывно происходят процессы обновления тканей, клеток
и т.д., которые неизбежно включают процессы копирования и передачи информации,
хранящейся в геноме. Направления передачи наследственной (генетической) информации
выделяют в четыре группы:
1. Репликация (от ДНК к
ДНК)
2. Транскрипция (от ДНК
к РНК)(
3. Трансляция (от РНК к
белку)
4. Обратная транскрипция
(от РНК к кДНК)
Долгое время считалось, что передача информации от РНК к ДНК невозможна,
однако, впоследствии выяснилось, что это не так. Некоторые вирусы способны встраивать
информацию со своей вирусной РНК в ДНК генома клетки-хозяина. Возможность
"обратного" направления информации в настоящее время все шире используется в
различных целях, от исследовательских до терапевтических. Так называемые энзимыреверс-транскриптазы- способны осуществлять синтез кДНК на матрице РНК. О
происходящих в клетках млекопитающих (эукариот) процессах передачи информации
известно достаточно много, но далеко не все, и изложение хотя бы известных на данный
момент времени сведений потребовалось бы слишком много места. Поэтому далее будут
изложены лишь самые основы протекающих в клетках простейших организмов
(прокариот) этапов передачи наследственной информации.
РЕПЛИКАЦИЯ
В процессе копирования информации происходит синтез дочерних молекул ДНК
на основе информации, "записанной" в родительской молекуле ДНК. Ясно, что дочерние
молекулы должны представлять собой точные копии родительской.
Репликация может осуществляться тремя способами:
а) консервативным;
б) полуконсервативным;
в) дисперсивным.
При консервативной репликации вновь синтезированные цепи ДНК находятся в
дочерней молекуле. При полуконсервативной репликации полученные молекулы состоят
из родительской и вновь синтезированной цепей. Дисперсивный способ репликации
означает наличие перемежающихся родительских и вновь синтезированных участков на
каждой из цепей образованных молекул ДНК. Для животных организмов и человека
ХАРАКТЕРЕН только ПОЛУКОНСЕРВАТИВНЫЙ путь РЕПЛИКАЦИИ ДНК.
В
процессе
репликации
участвует
целый
ряд
энзимов
(ферментов)
с
определенными функциями. Только синтезирующих ферментов в клетках прокариот
насчитывается три. Их называют ДНК- полимеразами I, II и III. Сведения о
функциональных особенностях ДНК-полимераз приведены в таблице.
ДНК- зависимые ДНК-полимеразы E. Coli
Полимераза
Проявляемая функция (активность)
Фрагмент
Pol I
Pol II
Pol III
Полимеразная 5'-3'
есть
есть
есть
есть
Экзонуклеазная 3'-5'
есть
есть
есть
есть
Экзонуклеазная 5'-3'
есть
нет
нет
нет
молекул в клетке
400
нет данных
10-20
нет
600
30
9000
-
производительность (нуклеотидов в
мин, 37 С, на 1 молекулу Pol)
Кленова
Фрагмент Кленова- результат частичного протеолиза ДНК-полимеразы I E.
Coli субтилизином. Основная функция полимеразы III- синтез цепи, полимеразы I- синтез
и исправление ошибочно вставленных нуклеотидов. Полимераза II осуществляет особые,
спе циализированные функции.
Репликация начинается с расплетания цепей ДНК специальными расплетающими
белками, которые называют ГЕЛИКАЗАМИ (или Rep-протеином). Геликазы используют
энергию АТФ в процессе расплетания цепей. Скорость расплетания составляет около 6000
мин-1. Для того, чтобы расплетенные цепи не могли вновь соединиться, имеются
специальные SSB-белки (single-strand binding proteins), которые присоединяются к
комплементарным цепям, удерживая их от ассоциации. По мере продвижения
репликационной вилки SSB-протеины передвигаются по цепи, диссоциируя с одного
места и присоединяясь на другом. Этот процесс не требует затрат энергии АТФ. После
освобождения достаточного места начинается синтез праймера- затравки, необходимой
для работы ДНК-полимеразы. Наличие затравки является необходимым условием
функционирования ДНК-полимераз (как и наличие комплементарной цепи). В качестве
затравки на каждой из разделенных цепей синтезируются маленькие отрезки молекул
РНК при помощи фермента ПРИМАЗЫ. Синтез новой цепи ДНК осуществляется всегда в
направлении 5'-3', поэтому если по одной матричной цепи возможен непрерывный синтез,
то по комплементарной ей цепи синтез осуществляется только участками. Эти участки
синтеза называют фрагментами Оказаки. Когда синтез на одном из фрагментов Оказаки
достигает праймера другого фрагмента, РНК-овый праймер удаляется имеющейся у
полимераз 5'-3' экзонуклеазной активностью и достраивается дезоксирибонуклеотидами.
После этого сахарофосфатный остов между фрагментами сшивается ковалентной связью
при помощи фермента ДНК-лигазы.
Частота возникновения ошибок при репликации и транскрипции НЕ ПРЕВЫШАЕТ
10-8-10-9, то есть возможна лишь одна ошибка на сотни миллионов нуклеотидов. Такая
точность не может быть обеспечена одним только лишь правилом комплементарности
нуклеотидов (обеспечивающим точность 1:10000-1:100000). Репликационный аппарат
имеет собственные механизмы "поддержания точности" копирования генетической
информации. Этими функциями обладают все ДНК-полимеразы. Модель структуры и
функциональных участков (на примере ДНК-полимеразы I) показана на рисунке. Она
имеет три зоны активности- полимеризующую в направлении 5'-3', и экозонуклеазные в
направлениях 5'-3' и 3'-5'. Области активности разделены пространственно. Вперед (по
ходу продвижения полимеразы по матричной цепи ДНК) обращена зона 5'-3'
экзонуклеазной активности. Она служит для удаления попадающихся на пути РНК-овых
праймеров (затравок). Далее идет собственно синтетическая зона и наконец, зона с
экзонуклеазной активностью в направлении 3'-5'. С этой зоной связана так называемая
PROOF-READING
активность
(способность
узнавать
неправильно
встроенные
нуклеотиды) и исправлять их вырезанием ряда уже встроенных нуклеотидов. Для этого
молекула ДНК-полимеразы смещается (не отсоединяясь от ДНК-овой матрицы) к месту
синтеза и последовательно вырезает нуклеотиды, после чего возобновляется нормальный
синтез.
В процессе репликации вновь синтезированные цепи получаются короче на
несколько десятков нуклеотидов вследствие того, что содержали РНК-овый праймер
(затравку), впоследствии удаленный. Однако, получение более коротких копий является
совершенно недопустимым в процессе репликации явлением. Положение исправляется
при
помощи
так
называемых
теломераз.
Теломераза,
содержащая
в
себе
последовательность нуклеотидов, за несколько приемов удлиняет укороченную цепь,
создавая пространство для работы примазы и ДНК-полимеразы, после чего избытки
нуклеотидов удаляются:
Воздействие на организм неблагоприятных факторов (химические соединения,
ультрафиолет и др.) приводит к постоянному накоплению ошибок в геноме, которые, в
конечном итоге, вызывают появление патологии, в частности, невыясненный до сих пор
механизм раковых заболеваний. Пока лишь существуют только предположения о том, что
причиной раковых заболеваний являются дефекты в носителях информации- ДНК.
ТРАНСКРИПЦИЯ
Транскрипция- синтез молекул РНК на основании информации, записанной в ДНК.
Осуществляется в ядрах при участии ДНК-зависимых РНК-полимераз, существующих в
типах I, II и III (в порядке выхода в гель-хроматографии).
РНК-полимеразы I синтезируют рибосомальные РНК в нуклеолях.
РНК-полимеразы II синтезируют матричные и вирусные РНК.
РНК-полимеразы III синтезируют транспортные РНК.
В поцессе транскрипции копируется не вся информация с ДНК, а только
выборочная, часто отрезками. Сигналом для присоединения полимеразы служат так
называемыепромотеры, в районе которого (35 нуклеотидных пар до и 10 пар после него) и
присоединяется РНК-полимераза. Происходит разделение цепей ДНК и начинается синтез
молекулы РНК в направлении 5'-3', только на одной из цепей. При этом по месту
тиминовых нуклеотидов комплементарной цепи встают уридиловые нуклеотиды. Весь
комплекс передвигается по молекуле ДНК, пока не будет закончен синтез требуемого
участка РНК. ДНК с "отсканированной" информацией репарирует, ассоциируя в
двунитевые молекулы.
РНК-полимераза II очень чувствительна к некоторым соединениям, изменяющим
ее активность. Так, сродство к альфа-аманитину (компонент грибного яда) составляет
KL=10-8-10-9 M. Таким образом, аманитин является сильнейшим ингибитором РНКполимеразы II, в результате при отравлении белой поганкой вначале развивается
расстройство желудочно-кишечного тракта, а через 48 часов наступает смерть в
результате тяжелого поражения печени, вследствие прекращения синтеза требуемых
белков (нет РНК). Терапия при этой патологии отсутствует, за исключением пересадки
печени.
Возбудитель туберкулеза Micobacterium tuberculosis (точнее, его РНК-полимераза)
весьма чувствителен к антибиотику РИФАМПИЦИНУ, в то время как человеческая РНКполимераза к нему мало чувствительна. На этом свойстве рифампицина основано его
использование в терапии туберкулеза.
Молекулы РНК очень часто претерпевают посттранскрипционную модификацию,
заключающуюся в удалении участков построенной цепи. Наглядно это можно проследить
на примере синтеза молекулы транспортной РНК: