ПЕРЕЛІК ДИСЦИПЛІН:
  • Адміністративне право
  • Арбітражний процес
  • Архітектура
  • Астрологія
  • Астрономія
  • Банківська справа
  • Безпека життєдіяльності
  • Біографії
  • Біологія
  • Біологія і хімія
  • Ботаніка та сільське гос-во
  • Бухгалтерський облік і аудит
  • Валютні відносини
  • Ветеринарія
  • Військова кафедра
  • Географія
  • Геодезія
  • Геологія
  • Етика
  • Держава і право
  • Цивільне право і процес
  • Діловодство
  • Гроші та кредит
  • Природничі науки
  • Журналістика
  • Екологія
  • Видавнича справа та поліграфія
  • Інвестиції
  • Іноземна мова
  • Інформатика
  • Інформатика, програмування
  • Юрист по наследству
  • Історичні особистості
  • Історія
  • Історія техніки
  • Кибернетика
  • Комунікації і зв'язок
  • Комп'ютерні науки
  • Косметологія
  • Короткий зміст творів
  • Криміналістика
  • Кримінологія
  • Криптология
  • Кулінарія
  • Культура і мистецтво
  • Культурологія
  • Російська література
  • Література і російська мова
  • Логіка
  • Логістика
  • Маркетинг
  • Математика
  • Медицина, здоров'я
  • Медичні науки
  • Міжнародне публічне право
  • Міжнародне приватне право
  • Міжнародні відносини
  • Менеджмент
  • Металургія
  • Москвоведение
  • Мовознавство
  • Музика
  • Муніципальне право
  • Податки, оподаткування
  •  
    Бесплатные рефераты
     

     

     

     

     

     

         
     
    Що і як закодовано в мРНК
         

     

    Біологія і хімія

    Що і як закодовано в мРНК

    Лев Павлович Овчинников, доктор біологічних наук

    Московський державний університет ім. М.В. Ломоносова

    КОРОТКА ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ мРНК

    В початку 50-х років Ф. Крик сформулював свою знамениту центральну догму молекулярної біології, згідно з якою генетична інформація від ДНК до білків передається через РНК за схемою ДНК РНК білок. Процес синтезу РНК на матриці ДНК називається транскрипцією, процес синтезу білка на матриці РНК - трансляцією.

    В 1956-1957 роках А.Н. Білозерський і А.С. Спірін показали, що при істотних відмінності в нуклеотидної складі ДНК з різних організмів нуклеотидних склад сумарних РНК дуже схожий. На підставі цих даних вони дійшли сенсаційного висновку про те, що сумарна РНК клітини не може виступати в як переносника генетичної інформації від ДНК до білків, оскільки не відповідає їй за своїм складом. Разом з тим вони помітили, що при значної зміни нуклеотидної складу ДНК при переході від організму до організму спостерігається деякий невеликий зсув нуклеотидної складу РНК в ту ж сторону. Це дозволило припустити існування мінорній фракції РНК, що повністю відповідає за своїм нуклеотидної складу ДНК і яка може бути правдивим переносником генетичної інформації від ДНК до білків. Цілеспрямований пошук такої РНК, зроблений відразу в кількох провідних лабораторіях світу, увінчався успіхом в 1961 році. У тому році С. Бреннер, Ф. Жакоб і М. Месельсон, з одного боку, і Ф. Гро і Дж. Уотсон зі співробітниками - з іншого, виявили ДНК-подібну РНК у бактерій. Протягом наступних двох-трьох років аналогічна РНК була знайдена в самих різних еукаріотичних організмах. Для її позначення був запропонований термін "інформаційна, або матрична, РНК (мРНК) ".

    ДЕЯКІ ВЛАСТИВОСТІ мРНК

    За своїми властивостями мРНК про-і еукаріотів істотно розрізняються. Бактеріальні мРНК дуже нестабільні. Період їх напіврозпаду становить всього кілька хвилин. Ці мРНК зазвичай не зазнають істотних модифікацій після синтезу і можуть починати транслюватиметься в білок ще до повного завершення їх транскрипції (рис. 1, а). Швидке залучення до білковий синтез, з одного боку, і нестабільність мРНК бактерій - з іншого, забезпечують оперативний контроль білкового синтезу на рівні транскрипції. Вміст мРНК в бактеріальної клітині становить всього 1-2% загальної кількості РНК в клітині.

    Еукаріотичні мРНК досить стабільні. Період їх напіврозпаду вимірюється годинами і навіть цілодобово. Їх транскрипція і трансляція просторово роз'єднані. Транскрипція протікає в ядрі, а трансляція - в цитоплазмі (рис. 1, б). Еукаріотичні мРНК синтезуються у вигляді попередників і проходять в своєму біогенезу стадію досить складного дозрівання, або процесингу. Процесинг включає в себе: 1) кепірованіе 5'-кінця, що полягає у приєднанні до цього кінця мРНК так званої шапочки (кеп-структури), 2) поліаденілірованіе 3'-кінця і, нарешті, 3) сплайсинг - вирізування протяжних внутрішніх ділянок мРНК, так званих інтронів, і ковалентного возз'єднання залишилися фрагментів (екзонів) через звичайну фосфодіефірную зв'язок (докладніше див у статті: Гвоздев В. А. Регулювання активності генів при дозріванні клітинних РНК// Соросівський Освітній Журнал. 1996. N 12. С. 11-18). Всі перераховані стадії дозрівання відбуваються в клітинному ядрі, і в цитоплазму надходять вже процессірованние, зрілі мРНК. Транспорт мРНК з ядра в цитоплазму здійснюється через ядерні пори. Всі стадії процесингу і транспорту - регульовані процеси. Час від початку синтезу мРНК до її виходу в цитоплазму становить не менше десяти хвилин. Висока стабільність мРНК і порівняно тривалий час від початку синтезу до виходу в цитоплазму роблять неможливою оперативну регуляцію білкового синтезу на рівні транскрипції. У зв'язку з цим в клітинах еукаріотів істотно зростає роль регуляції білкового синтезу на посттранскріпціонном рівні, а еукарiотичнi клітини містять значно більше мРНК, ніж бактеріальні. Частина таких мРНК може знаходитися в неактивному (репресоване або маскованих) стані.

    мРНК прокаріотів дуже часто є поліцістроннимі, тобто містять інформацію для декількох поліпептидних (білкових) ланцюгів. Зрілі Еукаріотичні мРНК, як правило, моноцістронни і кодують тільки одну поліпептидних ланцюг. Ті частини молекули мРНК, в яких закодовані білки, називаються трансльованими областями. Однак крім транслюються областей в мРНК є досить протяжні послідовності, не кодують білок. Загальна довжина цих нетрансліруемих областей часом може досягати або навіть перевищувати довжину трансльованих областей. Нетрансліруемие області знаходяться на обох кінцях молекул мРНК і відповідно називаються 5'-і 3'-НТО. У прокаріотів поліцістронних мРНК є також внутрішні межцістронние нетрансліруемие області, розташовані між трансльованими областями. Поряд з інформацією про послідовності амінокислот в білкові молекули мРНК містять інформацію, що визначає їх поведінку в клітці (активність і час життя, внутрішньоклітинний розподіл). Ця інформація знаходиться в основному в нетрансліруемих областях мРНК.

    ЗАГАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ ГЕНЕТИЧНОГО КОДА, кодове СЛОВНИК

    Проблема кодування в молекулярної біології була вперше поставлена Г. Гамовим ще в початку 50-х років, тобто задовго до відкриття найбільшої мРНК. Розмірковуючи над тим, як лінійна послідовність чотирьох різних нуклеотидів в нуклеїнової кислоті може визначати послідовність двадцяти різних амінокислот у білку, Гамов припустив, що генетичний код є тріплетним, то є три сусідніх підстави полінуклеотидних ланцюга (він оперував з ДНК) однозначно визначають включення однієї певної амінокислоти в білок. Він же поставив питання і про інших властивості генетичного коду: перекриваемості, ком між кодонами, виродженністю.

    В 1961 Ф. Крик і С. Бреннер експериментально показали, що делеції (вирізування) одного нуклеотиду, що дає мутантний фенотип, може бути скомпенсовано вставкою нуклеотиду поблизу делеції. Цей результат можна було пояснити припустивши, що при делеції нуклеотиду відбувається зсув рамки зчитування за місцем делеції, і це призводить до повної зміни змісту всього наступного інформації; при вставці одного нуклеотиду поблизу місця делеції відбувається відновлення первісної рамки зчитування і первинного сенсу закодованої інформації. Таким чином, описані експерименти довели, що генетичний код не містить ком. У дослідах з діяч і вставками Крик, Барнет, Бреннер і Уотс-Тобін (1961) також підтвердили, що код є тріплетним або кратний трьом, оскільки три делеції або три вставки нуклеотидів давали нормальний фенотип.

    Досліди Г. Віттманна із заміни поодиноких основ у РНК вірусу тютюнової мозаїки показали, що такі заміни можуть призводити до заміни тільки однієї амінокислоти в білку. Це однозначно свідчило на користь того, що генетичний код не перекривається. Іншими словами, кожна підстава РНК входить до складу лише одного триплету (кодону).

    Повна розшифровка генетичного коду, проведена М. Ніренбергом та С. Очоа, була закінчено до 1966 року. Вона показала, що 61 з 64 можливих кодонів мРНК кодують одну з двадцяти стандартних амінокислот, включаються до білок (рис. 2). Таким чином, генетичний код виявився сильно виродженим, і багато амінокислоти кодуються двома або більше кодонами. Три триплету, що не беруть участі в кодуванні амінокислот, - UAA, UAG і UGA - виявилися сигналами на закінчення синтезу білка (сигналами термінації).

    Перенесення генів з одних організмів в інші і їх подальша успішна експресія довели, що генетичний код майже завжди універсальний. Іншими словами, все живі організми від бактерій до ссавців користуються в основному одним і тим ж кодовою словником. (Щоправда, деякі порушення універсальності генетичного коду виявлені в мітохондріях.)

    Всі триплети в транслюється області мРНК, які кодують певну амінокислоту, пізнаються в рибосомах специфічними молекулами тРНК з приєднаними до них амінокислотами. Точність впізнавання досить велика за рахунок існування спеціальної системи корекції помилок. Термінірующіе кодони впізнаються спеціальними білками - факторами термінації. Надійність впізнавання цих кодонів не настільки висока, і іноді термінірующій триплет може прочитуватися як кодон амінокислоти. Для підвищення надійності процесу термінації термінірующіе кодони звичайно дублюються. Першим при цьому, як правило, виступає кодон UAA (основний термінірующій триплет), а слідом за ним на дуже близькій відстані в тій же рамці зчитування слід один із запасних термінірующіх кодонів - UAG або UGA.

    Після розшифровки генетичного коду в 1966 році питання про те, що і як закодовано в мРНК, здавалося, був повністю вичерпаний. З часом, однак, стало очевидно, що це далеко не так.

    перекодує СИГНАЛИ У мРНК АБО ДРУГИЙ ГЕНЕТИЧНИЙ КОД

    ініціює кодон пізнається тільки в певному контексті. Якщо ми поставимо питання, можна Чи, маючи перед собою послідовність нуклеотидів будь-якої мРНК, таблицю генетичного коду і знаючи, що трансляція мРНК йде в напрямку від 5'-к 3'-кінця, а білкова ланцюжок росте від N-кінця до C-кінця, написати послідовність амінокислот білка, закодованого в цій мРНК, то будемо змушені відповісти на поставлене питання негативно. Виходячи із зазначених відомостей не можна визначити, з якого місця мРНК ми повинні почати перекладати (транслювати) послідовність нуклеотидів в послідовність амінокислот.

    Рис. 2. Кодовий словник. Червоним кольором відмічені термінірующіе кодони

    Вже дуже давно стало ясно, що початок трансляції мРНК (ініціювання) не співпадає з початком самого мРНК. Свідченням цьому служать поліцістронние мРНК бактерій, в яких ініціація білкового синтезу відбувається на кожному цистрон, а також присутність в мРНК про-і еукаріотів 5'-кінцевих нетрансліруемих послідовностей. Разом з тим встановлено, що біосинтез білка як у про-, так і у еукаріотів завжди починається з однієї і тієї ж амінокислоти - метіоніну. Можна було б припустити, що трансляція інформації, закодованою мРНК, починається з перших від 5'-кінця метіонінового кодону, яким є триплет AUG. Для багатьох моноцістронних еукаріотичних мРНК це дійсно так, хоча бувають і винятки. Однак це зовсім не так для поліцістронних мРНК бактерій, де ініціація часто відбувається на триплету AUG, віддалених дуже далеко від початку мРНК. Цим триплету може передувати велика кількість інших AUG, на яких ініціації не відбувається. Більше того, виявилося, що перший метіонін в білку в деяких випадках включається не на метіоніновом кодоні AUG, а на кодоні GUG, який відповідає в таблиці генетичного коду амінокислоті валін.

    Іноді ініціація з метіоніну може відбуватися і на інших кодонах: AUA і AUU (кодонах Ізолейцин), UUG і, можливо, CUG (кодонах лейцину). Стало очевидним, що для пізнавання кодону як ініціювання важливий не тільки сам і, можливо, не стільки сам кодон, але якийсь контекст, який робить його ініціював. Виявилося, що у прокаріотів для ефективної ініціації кодон повинен знаходитися на вершині шпильковий структури, утвореною суміжними комплементарними ділянками мРНК, а передувати йому приблизно за 3-10 нуклеотидів повинна поліпуріновая послідовність (послідовність Шайна-Дальгарно, SD) (рис. 3, а). Ця послідовність комплементарна Хвороби і, очевидно, сприяє зв'язування рибосом в районі ініціюючого кодону. Вторинна структура мРНК в районі ініціюючого кодону і як наслідок - ступінь доступності ініціюючого кодону для ініціації може змінюватися в процесі трансляції сусідніх цистрон або при взаємодії мРНК із спеціальними регуляторними білками (див. нижче).

    У еукаріотів ініціація відбувається, як уже говорилося, частіше за все з перших AUG, однак тільки в тому випадку, якщо цей AUG знаходиться в оптимальному контексті: за два нуклеотиду до нього обов'язково повинен знаходитися пурин (A або G), а безпосередньо за ним повинен слідувати G. На ефективність ініціації у еукаріотів певний вплив можуть надавати також нуклеотиди і в інших положеннях поблизу ініціюючого кодону. Найбільш оптимальним для впізнання ініціюючого кодону у ссавців вважається наступне його оточення: GCCGCCA / GCCAUGGA/CU (ініціює триплет підкреслять, а обов'язкові для ініціації нуклеотиди виділені жирним шрифтом).

    Рис. 3. Деякі приклади відступи від загальних правил трансляції генетичної інформації: впізнавання ініціюючого кодону на мРНК бактерій (а); прочитування термінірующего кодону UGA як кодону амінокислоти селеноцістеіна (б); зсув рамки зчитування на -1 при трансляції ретровірусних РНК (в); зсув рамки зчитування на 1 при трансляції мРНК бактеріального фактора термінації трансляції RF-2 (г); стрибок рибосоми на 50 нуклеотидів при трансляції мРНК гена 60 бактеріофага Т4 (д). Рекодірующіе сигнали на мРНК позначені червоним кольором. Подальші пояснення див в тексті

    Якщо перший AUG в еукаріотичної мРНК знаходиться не в оптимальному контексті, він пропускається і ініціація починається з наступного AUG. Для такої ініціації дуже важливою є також наявність кеп-структури на 5'-кінці мРНК і, як не дивно, полі (А) послідовності на протилежному кінці молекули. Кеп-структура і полі (А) послідовність впізнаються специфічними білками, які також необхідні для ініціації. При такому способі ініціації трансляції у еукаріот послідовність мРНК як би проглядається (сканується) з початку мРНК (від її кеп-структури) для пошуку кодону AUG в оптимальному контексті. Така ініціація отримала назву "кеп-залежна ініціація по скануючому механізму ". Слід, однак, зазначити, що на деяких мРНК еукаріотів ініціація відбувається не шляхом сканування мРНК з 5'-кінця, а за рахунок безпосереднього впізнавання певного внутрішнього AUG. Для такого впізнавання потрібно досить тривала попередня послідовність мРНК. Ця послідовність впізнається особливими клітинними білками, які сприяють ініціації трансляції за механізмом "внутрішньої ініціації". За таким механізму ініціюється трансляція на багатьох вірусних РНК, а також на деяких клітинних мРНК, що кодують дуже важливі регуляторні білки, наприклад фактори росту фібробластів. Зміст цих білків зазвичай дуже мало, а збільшення їх кількості в клітині може супроводжуватися трансформацією клітин в ракові. Деякі віруси, генетична інформація яких зчитується за механізмом внутрішньої ініціації трансляції, здатні вимкнути ініціацію трансляції клітинних мРНК по скануючий механізм і, таким чином, перемикати белоксінтезірующій апарат клітини на синтез власних білків.

    Контекст може змінити значення кодону всередині цистрон. Довгий час вважали, що безпосередньо в білок включаються тільки двадцять стандартних амінокислот, наведених у таблиці генетичного коду (див. рис. 2). Інші численні мінорні амінокислотні залишки, які виявляються в білках, з'являються в них вже після синтезу білка в результаті так званих посттрансляційних модифікацій деяких з двадцяти стандартних амінокислот. Порівняно недавно, однак, було показано, що амінокислота селеноцістеін (дуже рідкісна, але функціонально дуже важлива амінокислота) безпосередньо включається в білок. Виникає закономірне питання, як же закодована ця амінокислота. Адже значення всіх 64 можливих кодонів вже чітко визначено, і всі вони використовуються в кодуванні двадцяти стандартних амінокислот і сигналів термінації.

    Дослідження показали, що селеноцістеін кодується UGA (термінірующім кодоном в таблиці генетичного коду), якщо за ним знаходиться особлива стимулююча послідовність. Ця послідовність може відстояти від UGA на дуже великій відстані - іноді вона може бути на відстані 200 нуклеотидів і перебувати в 3'-нетрансліруемой області мРНК (рис. 3, б).

    Деякі мРНК містять сигнали на зм?? ня рамки зчитування. Деякі мРНК містять у транслюється області термінірующіе кодони, але ці кодони успішно обходяться за рахунок зміни рамки зчитування перед ними або безпосередньо на них. Рамка може зсуватися на -1, 1 і + 2. Існують спеціальні сигнали в мРНК, змінюють рамку зчитування. Так, зрушення рамки трансляції на -1 на РНК ретровірусу відбувається на специфічної гептануклеотідной послідовності перед шпильковий структурою в мРНК (рис. 3, в). Для зсуву рамки на 1 на мРНК бактеріального фактора термінацінаціі RF-2 важливі нуклеотидних послідовність на місці зсуву (кодон UGA), наступний кодон, а також передує їм послідовність, комплементарна до 3'-кінцевий послідовності Хвороби (аналог послідовності Шайна-Дальгарно) (рис. 3, г).

    Зчитування мРНК в межах одного цистрон не завжди є безперервним. Спочатку вважалося, що послідовність нуклеотидів в мРНК завжди читається безперервно від ініціювання до термінірующего кодону. Однак виявилося, що при трансляції мРНК гена 60 фага Т4 послідовність значної довжини може пропускатися (рис. 3, д). При цьому рибосома вчиняє як би стрибок по мРНК з одного гліцінового кодону GGA, що знаходиться перед термінірующім кодоном UAG, на інший гліціновий кодон GGA, який відстає від першого на 50 нуклеотидів. Механізм цього явища поки що не дуже зрозумілий. Не виключено, що таке шунтування мРНК забезпечується її особливою просторовою структурою, наприклад випетліваніем тієї частини молекули мРНК, яка пропускається при трансляції.

    Всі наведені приклади порушення загальних правил кодування так чи інакше пов'язані з існуванням певного контексту в мРНК. Цей контекст або перекодує сигнали іноді називають другим генетичним кодом.

    БАГАТО мРНК МІСТЯТЬ СИГНАЛИ ПОЛІАДЕНІЛІРОВАНІЯ

    Близько половини мРНК еукаріотів поліаденіліруются на 3'-кінці під час процесингу в клітинному ядрі. Сигналом ядерного поліаденілірованія 3'-кінця служить послідовність AAUAAA, розташована за 10-20 нуклеотидів від цього кінця. У деяких випадках, наприклад у зрілих ооцитах амфібій або сухих, неактивних у білковому синтезі зародках пшениці, мРНК НЕ поліаденіліровани. Активація білкового синтезу в розвитку супроводжується поліаденілірованіем цих мРНК в цитоплазмі. Для цитоплазматичного поліаденілірованія мРНК повинні містити в 3'-нетрансліруемой області поряд з елементом ядерного поліаденілірованія додаткову послідовність - елемент цитоплазматичного поліаденілірованія. Такий послідовністю в амфібій є (U) 6AUAAAG. Полі (А)-хвіст на мРНК пізнається особливим полі (А)-зв'язує білком, який бере участь в ініціації трансляції мРНК з кеп-залежному механізму.

    СПЕЦИФІЧНІ Послідовність у мРНК відповідає за регуляцію ЇЇ Матричні АКТИВНОСТІ В Білковий синтез

    Матрична активність різних мРНК сильно відрізняється. Дуже активними (сильними) матрицями є фагів і вірусні РНК, а також клітинні мРНК для мажорних білків клітини, таких, наприклад, як глобіну. Навпаки, матриці для білків, присутніх в клітині в малих кількостях, як правило, є дуже слабкими. Сила матриці найчастіше визначається ефективністю процесу її ініціації. У еукаріотів крім контексту нуклеотидів в районі ініціюючого триплету (див. вище) ефективність матриці сильно падає при наявності в 5'-нетрансліруемой області розвиненою вторинної структури (освіту двуспіральних ділянок, таких, як шпильки), а також, мабуть, з збільшенням довжини 5'-НТО вище певної межі. Активність еукаріотичних мРНК в трансляції катастрофічно зменшується при їх декепірованіі або введенні в 5'-НТО кодонів AUG, в контексті, неоптимальному для ініціації. Прокаріотів мРНК погано транслюються, якщо ініціюють кодони знаходяться в подвійних спіралях.

    Виборче вплив на активність мРНК в трансляції надають специфічні регуляторні білки або спеціальні регуляторні РНК. Ці білки або РНК виявляють своє дію, пов'язану зі специфічними послідовностями або структурами в мРНК, які називаються регуляторними елементами. У більшості випадків регуляторні елементи розташовуються в 5'-НТО поблизу ініціюючого кодону. Однак у деяких випадках регулярні елементи можуть бути на значній відстані від ініціювання кодону, у тому числі в 3'-НТО. Зв'язуючись з мРНК поблизу ініціюючого кодону, регуляторні білки можуть створювати перешкоди для компонентів белоксінтезірующего апарату (заважати зв'язування з мРНК або її сканування). При зв'язуванні з мРНК на великій відстані від місця ініціації регуляторні білки можуть впливати на процес ініціації шляхом зміни загальної просторової структури мРНК, змінюючи таким чином доступність ініціюючого кодону або 5'-кінця мРНК для белоксінтезірующего апарату.

    регуляторними білками можуть бути спеціальні білки клітини, що виконують тільки цю функцію в організмі, а також білки, що мають в організмі інші функції та працюють у якості регуляторних білків "за сумісництвом". Досить часто в як білків, що регулюють активність певних мРНК, можуть виступати самі продукти їх трансляції (авторегуляції). Звернемося тепер до деяких конкретних прикладів.

    Трансляція мРНК треоніл-тРНК-синтетази у бактерій знаходиться під контролем її продукту (авторегуляції). Авторегуляції досягається за рахунок специфічної спорідненості треоніл-тРНК-синтетази до своєї матриці. Зв'язування синтетази з мРНК відбувається в її 5'-НТО зі специфічною послідовністю (регуляторним елементом), що складається у вторинну структуру, що нагадує окремі елементи вторинної структури треоніловой тРНК. При обмеженій кількості ферменту в клітці він асоціює головним чином зі своїм субстратом - треоніл-тРНК. У цих умовах мРНК треоніл-тРНК-синтетази може активно транслюватиметься. При збільшення кількості цього ферменту надлишковий фермент взаємодіє з регуляторним елементом в 5'-НТО своєї мРНК. Це призводить до переходу мРНК в таку конформацію, в якій ініціює триплет виявляється залученим в двуспіральную структуру. У результаті ініціація синтезу треоніл-тРНК-синтетази припиняється.

    Яскравий приклад регуляції трансляції мРНК в клітині отриманий при вивченні механізмів підтримки в клітинах рівня вільного заліза. Залізо входить до складу активних центрів дуже багатьох білків, таких, наприклад, як гемоглобін, міоглобін, цитохроми, однак іони вільного заліза токсичні для клітини і тому зв'язуються і переводяться в нетоксичну форму білком феритину. Синтез феритину в клітці, у свою чергу, залежить від рівня вільного заліза: у присутності заліза феритин синтезується, в той час як при його недоліку трансляція мРНК феритину зупиняється на стадії ініціації. З'ясувалося, що регуляція синтезу феритину цілком залежить від специфічної послідовності довжиною 26 нуклеотидів, що утворює шпилькових структуру в 5'-НТО мРНК феритину (рис. 4, а). Цей регуляторний елемент при відсутності заліза пов'язується зі специфічним білком, який перешкоджає скануванню 5'-НТО рибосомами і, таким чином, пригнічує трансляцію мРНК на стадії її ініціації. Цей білок-репресор має спорідненість до іонів заліза і при зв'язуванні з ними перестає зв'язуватися з феррітіновой мРНК. Після дисоціації білка мРНК стає активною в синтезі феритину.

    Рис. 4. Регулювання залізом трансляції мРНК феритину і стабільності мРНК рецептора трансферину

    Знову синтезований феритин забирає залізо у репресор. Втративши залізо, репресор знову набуває спорідненість до регуляторному елементу феррітіновой мРНК, зв'язується з ним і зупиняє синтез феритину. Великим сюрпризом стало те, що білок-репресор виявився добре відомим ферментом циклу Кребса - аконітазой.

    ОСОБЛИВІ СТРУКТУРНІ ЕЛЕМЕНТИ мРНК ВИЗНАЧАЮТЬ ЧАС ЖИТТЯ мРНК В КЛЕТКЕ

    Швидкість синтезу білка залежить від кількості відповідної мРНК в клітині. Зміст мРНК, у свою чергу, визначається швидкістю її синтезу та розпаду. Механізми регуляції транскрипції мРНК почали досліджувати ще на початку 60-х років, механізми регулювання процесу її деградації - значно пізніше, лише 5-10 років тому.

    Час життя різних мРНК в клітинах еукаріотів варіює в дуже широких межах. Період їх напіврозпаду становить від десятків хвилин до десяти діб. Найбільш стабільними є мРНК, на яких синтезуються білки, що забезпечують функціонування організму як цілого (наприклад, мРНК сироваткового альбуміну ). Деякі мРНК розпадаються на певних стадіях клітинного циклу або певних етапах процесу клітинної диференціювання. Час життя мРНК в клітці, так само як і момент їх деградації, запрограмовано специфічними послідовностями або структурами в мРНК, часто в їх 3'-нетрансліруемой області. Ці послідовності (структури) зазвичай впізнаються специфічними білками. Їх зв'язування з відповідними білками зазвичай призводить до стабілізації мРНК.

    Наприклад, за деградацію гістонових мРНК на певній стадії клітинного циклу відповідає особлива шпилькових структура в 3'-НТО - елемент нестабільності мРНК. Введення такої структури в 3'-НТО дуже стабільною глобіновой мРНК призводить до її деградації одночасно з гістонових мРНК. Для того щоб ця структура виконувала свою функцію елементу нестабільності, вона повинна перебувати на певному, досить близькій відстані від термінірующего кодону. Дестабілізуючим дією в мРНК онкобелка c-myc володіє AU-багата послідовність довжиною 60-80 нуклеотидів в 3'-НТО цієї мРНК. У цій послідовності було виявлено багато разів повторюється мотив AUUUA, який і є елементом нестабільності. Подібна послідовність була виявлена в 3'-НТО мРНК для іншого онкобелка - c-fos. Однак у цій мРНК є ще один елемент нестабільності, який знаходиться в транслюється області.

    Зміст вільного заліза в клітині залежить не тільки від кількості в клітці білка феритину, але і від швидкості його надходження в клітину. Швидкість надходження заліза в клітину зростає із збільшенням на поверхні клітини кількості рецепторів для білка трансферину. Останній виконує функцію переносника заліза. Виявилося, що синтез рецептора трансферину, так само як і феритину, регулюється залізом, але зовсім за іншим механізмом. У присутності заліза в клітці мРНК рецептора трансферину швидко деградує і синтез цього білка сповільнюється, в той час як при дефіциті заліза всередині клітини ця мРНК стабілізується, забезпечуючи високий рівень синтезу білка. Нестабільність мРНК рецептора трансферину у присутності заліза визначається п'ятьма шпилькових структурами в 3'-НТО (рис. 4, б). Ці шпилькові структури (елементи нестабільності мРНК рецептора трансферину) дуже схожі на регуляторний елемент в 5'-НТО мРНК феритину. Елементи нестабільності мРНК рецептора трансферину, так само як регуляторний елемент мРНК феритину, пов'язують аконітазу у формі, не містить заліза. У комплексі з аконітазой мРНК стабілізується і активно транслюється. У результаті на поверхні клітин збільшується кількість рецепторів трансферину і підвищується надходження заліза в клітини. При збільшенні змісту вільного заліза в клітинах воно пов'язується з аконітазой. Аконітаза дисоціюють з комплексу з мРНК. Молекула мРНК дестабілізується і швидко розпадається. Це веде до зниження швидкості синтезу рецептора трансферину, зменшення кількості рецепторів на поверхні клітини і уповільнення надходження заліза в клітину.

    Таким чином, один і той же клітинний білок - аконітаза виконує в клітині різні функції: у залізовмісний формі каталізує одну з реакцій циклу Кребса -- зворотне перетворення лимонної кислоти в ізолімонную, у формі без заліза зв'язується з регуляторним елементом в 5'-НТО мРНК феритину і репресує її трансляцію, а також з елементами нестабільності в 3'-НТО мРНК рецептора трансферину і захищає цю мРНК від деградації.

    СПЕЦИФІЧНІ Послідовність у мРНК ВІДПОВІДАЮТЬ ЗА ЇЇ внутрішньоклітинною локалізацією

    Різні мРНК в клітині розподіляються в них неоднаково, що особливо легко спостерігати у великих зародкових клітинах. Найбільш добре вивчено розподіл мРНК в ооцитах плодової мушки дрозофіли. Так, мРНК, синтезовані на генах oskar, nanos і bicoid, кілька разів змінюють положення в клітині після свого синтезу, що контролюється комплексом генів, поки, нарешті, не займуть свого остаточного положення: мРНК oskar і nanos на задньому, а мРНК bicoid на передньому кінці яйця. Правильне положення цих мРНК задається специфічними послідовностями в їх 3'-НТО. Цікаво, що сигнали внутрішньоклітинної локалізації в 3'-НТО дуже протяжні. Ймовірно, вони формують складні вторинні структури. За остаточну локалізацію мРНК oskar і bicoid відповідає білок - продукт гена staufen, що дізнався специфічну двухспіральную структуру в 3'-НТО цих мРНК. Цікаво, що активна трансляція мРНК oskar і bicoid відбувається тільки в місцях їх специфічної локалізації, а їх делокалізації приводить до придушення трансляційної активності за рахунок зв'язування зі специфічними репрессорнимі білками.

    Рис. 5. Схема розташування функціональних ділянок на молекулі мРНК

    Таким чином, на прикладі розвитку дрозофіли видно, що регулювання активності різних мРНКможет задаватися їх локалізацією в різних клітинних компартментах. Продукти трансляції цих мРНК, ймовірно, створюють у клітині білкові градієнти, і це, в свою чергу, лежить в основі диференціювання клітин і визначає черговість трансляції і активність різних мРНК в процесі розвитку. Процес, що визначає локалізацію мРНК в клітині, як правило, складається з декількох послідовних стадій, що забезпечують транспорт новосинтезованих молекул з ядра і потім "заякоріванню" їх в цитоплазмі. Так, транспорт мРНК гена ug1 дрозофіли після її виходу з ядра здійснюється шляхом взаємодії з Тубулін мікротрубочок, тоді як "заякоріванню" цієї мРНК відбувається в результаті її зв'язування з Актинові філаментах.

    ВИСНОВОК

    Таким чином, в молекулах мРНК міститься інформація не тільки про послідовність амінокислот для певного білка або білків, а також інформація про те, коли, в якій кількості, в якому місці клітини і за яких умов цей білок буде синтезований. Схема розташування відповідної інформації на молекулі мРНК показана на рис. 5. Послідовність амінокислот у білку закодована в вигляді лінійної послідовності нуклеотидів. Інша інформація в мРНК може міститися як у вигляді певних нуклеотидних послідовностей, так і в формі певних просторових структур, які утворює мРНК. Інформація про одне й те ж властивості мРНК може міститися в різних частинах молекули мРНК, іноді віддалених один від одного вздовж полінуклеотидних ланцюжка на значній відстані. Досить імовірно, однак, що ці ділянки молекули мРНК зближуються при формуванні її просторової структури. Функціональні сигнали в мРНК можуть дізнаватися рибосомами, молекулами РНК (тРНК, регуляторними РНК) або білками.

    Дякую моїх колег В.М. Євдокимову, Д.В. Нащокіна і П.В. Рузанова за цінні поради та допомога при підготовці статті.

    Список літератури

    1. Спірін А.С. Молекулярна біологія: Структура рибосоми і біосинтез білка. М.: Высш. шк., 1986.

    2. Спірін А.С. Регуляція трансляції мРНК-зв'язуючими факторами у вищих еукаріотів// Успехи биол. хімії. 1996. Т. 36. С. 3-48.

    3. Висоцька В.С., Гарбер М.Б. Регуляція експресії генів рибосомна білків Escherichia coli// Там же. 1995. Т. 35. С. 67-95.

    4. Gesteland R.F., Weiss R.B., Atkins J.F. Recoding: Reprogrammed Genetic Decoding// Science. 1992. Vol. 257. P. 1640-1641.

    5. Cleveland D.W., Yen T.J. Multiple Determinants of Eukaryotic mRNA Stability// New Biologist. 1989. Vol. 1. P. 121-126.

    Лев Павлович Овчинников, доктор біологічних наук, професор, зав. кафедрою молекулярної біології Пущинская філії МГУ, зам. директора Інституту білка РАН, академік РАН, лауреат Ленінської премії СРСР. Область наукових інтересів -- механізм і регуляція біосинтезу білка. Автор близько 100 наукових праць.

    Список літератури

    Для підготовки данної роботи були використані матеріали з сайту http://www.sbio.info

         
     
         
    Реферат Банк
     
    Рефераты
     
    Бесплатные рефераты
     

     

     

     

     

     

     

     
     
     
      Все права защищены. Reff.net.ua - українські реферати ! DMCA.com Protection Status