Транскрипция ДНК - ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ. ФУНКЦИИ ДНК. РЕАЛИЗАЦИЯ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ

Индивидуальное развитие организма происходит на основе генетической программы развития, полученной от родителей. Генетическая информация ДНК через различные виды РНК обеспечивает синтез в клетках разнообразных белков, которые управляют метаболизмом клеток и обеспечивают их дифференцировку и специализацию, формирование тканей и органов развивающегося организма. Структурной и функциональной единицей наследственности организмов является ген. Ген обладает следующими свойствами: способностью к репликации в составе ДНК, стабильностью, способностью мутировать, дискретностью, специфичностью, множественностью действия (плейотропией), дозированностью действия, способностью взаимодействовать с другими генами. Ген представляет собой участок (последовательность нуклеотидов) ДНК, обеспечивающий синтез определенного полипептида либо РНК. Гены определяют наследственные признаки организмов, передающиеся от родителей потомству при размножении. Экспрессия генов — это процесс, в ходе которого генетическая информация преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок. При синтезе белка экспрессия гена включает транскрипцию (синтез РНК), трансляцию (синтез полипептида) и (часто) посттрансляционную модификацию белка.

Транскрипцией называют синтез РНК по матрице одной (кодогенной) цепи полинуклеотидного участка молекулы ДНК (рис. 7.3). Молекулы РНК являются копиями не всей молекулы ДНК, а только части ее, одного гена или небольшой группы расположенных рядом генов.

Рис. 7.3. Транскрипция

Часть ДНК локально раскручивается, и вдоль одной из ее цепей движется фермент РНК-полимераза, который связывает между собой рибонуклеозидтрифосфаты, комплементарные нуклеотидам матричной (кодогенной) цепи ДНК

Транскрипция начинается после присоединения белков-факторов транскрипции и фермента РНК-полимеразы к промотору (нуклеотидной последовательности ДНК, находящейся в начале гена). РНК-полимераза раскручивает примерно один виток спирали ДНК, водородные связи между спаренными нуклеотидами разрушаются, и фермент движется по матричной (кодогенной) цепи ДНК, связывая между собой рибомононуклеотиды, комплементарные нуклеотидам цепи ДНК. Фермент продолжает присоединять нуклеотиды к растущей цепи РНК до тех пор, пока не встретит на своем пути еще одну специфическую нуклеотидную последовательность в цепи ДНК — терминатор. РНК-полимераза отсоединяется от цепи ДНК, и синтезировавшийся РНК-транскрипт (пре-РНК) отходит от ДНК. Образовавшаяся молекула состоит из участков (полинуклеотидных последовательностей), комплементарных как экзонам, так и нитронам кодогенной цепи ДНК, и функционально не активна. Затем в ходе процессинга пре-РНК превращаются в зрелую РНК. Процессинг включает модификацию концов молекулы иРНК, в ходе которой к концам молекулы присоединяются специфические короткие последовательности нуклеотидов, и сплайсинг — удаление нитронов и сшивание экзонов (рис. 7.4). Затем зрелые РНК транспортируются в цитоплазму к месту синтеза полипептидов.

Рис. 7.4. Процессинг включает модификацию концов молекулы иРНК. Сплайсинг — удаление нитронов и сшивание экзонов

Большинство генов эукариот содержат экзоны и нитроны. После транскрипции в процессе сплайсинга нитроны удаляются из пре-РНК. А вот экзоны могут включаться или не включаться в состав зрелой иРНК (рис. 7.5). Процесс, позволяющий одному гену производить несколько иРНК и, соответственно, белков, называют альтернативным сплайсингом. В результате альтернативного сплайсинга с одной матрицы может получиться несколько транскриптов, что позволяет индивидуальным генам кодировать белки с отличающимися функциями. Так, в геноме человека было обнаружено 20 — 25 тыс. генов. Однако белков, синтезируемых в клетках разных тканей тела человека, насчитывают около 100 тыс. Ген может кодировать не один, а два и более белка.

Рис. 7.5. Альтернативный сплайсинг

В результате сплайсинга образуются зрелые иРНК, различающиеся по своей первичной структуре. В результате в разных клетках из одного и того же предшественника получаются молекулы зрелых иРНК, которые объединяют в различных комбинациях последовательности экзонов транскрибированного гена

Опорные точки

• В структурных генах эукариот чередуются информативные участки ДНК — экзоны и неинформативные последовательности нуклеотидов — интроны. У бактерий и вирусов интронов в генах нет.

• Информативной части гена эукариотических организмов, как и у прокариотических организмов, предшествует промотор — место связывания РНК-полимеразы с ДНК.

• Число и внутреннее расположение интронов и экзонов специфичны для каждого гена.

• На границах экзонов и интронов расположены специфические метки — последовательности нуклеотидов.

• Транскрипцией называют процесс перевода информации из последовательности нуклеотидов (кодонов) ДНК в последовательность кодонов иРНК.

• Для начала процесса транскрипции эукариот необходимо, чтобы сформировался сложный транскрипционный комплекс регуляторов — белков и нуклеопротеидов.

• Факторами, обусловливающими сборку транскрипционного комплекса, могут выступать гормоны, факторы роста или другие внеклеточные вещества.