Генетический код мРНК

1-й нуклеотид (5'-конец)	2-й нуклеотид триплета	3-й нуклеотид триплета 3'-конец)
	А	Г	У	Ц
А	Лиз Лиз Асн Асн	Арг Арг Сер Сер	Иле Мет Иле Иле	Тре Тре Тре Тре	А Г У Ц
Г	Глу Глу Асп Асп	Гли Гли Гли Гли	Вал Вал Вал Вал	Ала Ала Ала Ала	А Г У ц
У	Стоп Стоп Тир Тир	Стоп Три Цис Цис	Лей Лей Фен Фен	Сер Сер Сер Сер	А Г У Ц
Ц	Глн Глн Гис Гис	Арг Арг Арг Арг	Лей Лей Лей Лей	Про Про Про Про	А Г У ц

Примечание: Ала — аланин, Арг — аргинин, Асн — аспарагин, Асп — аспарагиновая кислота, Вал — валин, Гис — гистидин, Гли — глицин, Глн — глутамин, Глу — глутаминовая кислота, Иле — изолейцин, Лей — лейцин, Лиз — лизин, Мет — метионин, Про — пролин, Сер — серин, Тир — тирозин, Тре — треонин, Три — триптофан, Фен — фенилаланин, Цис — цистеин.

 

Большинству из 20 аминокислот, входящих в состав белковых молекул, соответствует более чем один триплет, поэтому такой код стали обозначать термином «вырожденный», а различные триплеты для одной и той же аминокислоты называют триплетами-синонимами.

Наряду с 61 триплетом мРНК, содержащим информацию о той или иной аминокислоте, были обнаружены также три триплета (УАА, УАГ и УГА), которые не несут такой информации, но способны останавливать процесс считывания нуклеотидной последовательности во время синтеза полипептида. Эти триплеты были названы терминирующими, или «стоп»-триплетами. Из других свойств генетического кода можно выделить также неперекрываемость и непрерывность. Под неперекрываемостью кода понимают способность каждого нуклеотида мРНК входить в состав всего лишь одного информационного триплета. Непрерывность кода связана с тем, что между линейно расположенными триплетами, составляющими одну группу считывания информации в молекулах нуклеиновых кислот, т.е. кодирующими один полипептид, нет каких-либо физических интервалов, способных прервать процесс считывания.

Одной из принципиально важных особенностей генетического кода является его универсальность, которая проявляется в том, что все кодоны мРНК, определяющие аминокислотную последовательность полипептида, имеют одинаковый смысл для организмов разных уровней организации (от вирусов и бактерий до человека). В то же время известно, что генетический код ДНК митохондрий имеет некоторые структурные отличия от универсального кода хромосомной ДНК различных организмов.

Транскрипция является первым этапом переноса генетической информации и представляет собой процесс биосинтеза молекул РНК по программе ДНК. Смысл этого процесса состоит в том, что информация структурного гена (либо нескольких расположенных рядом генов), записанная в форме нуклеотидной последовательности кодирующей нити ДНК в ориентации 3'-5', переписывается (транскрибируется) в нуклеотидную последовательность молекулы РНК, синтезируемой в направлении 5'-3' на основе комплементарного соответствия дезоксирибонуклеотидов матричной нити ДНК рибонуклеотидам РНК (А-У, Г-Ц, Т-А, Ц-Г). Благодаря транскрипции происходит образование всех типов молекул РНК, участвующих в биосинтезе белков в клетке: мРНК, рРНК, тРНК, гетерогенные ядерные РНК (гяРНК) и малые ядерные РНК (мяРНК).

Начало транскрипции обеспечивается комплексным действием ряда ферментов, к числу которых относится РНК-полимераза, представляющая собой сложный белок, состоящий из нескольких субъединиц и способный выполнять несколько функций. В отличие от прокариот (бактерий), в клетках которых имеется РНК-полимераза лишь одного типа, обеспечивающая синтез разных молекул РНК, у эукариот установлено наличие ядерных РНК-полимераз трех типов (I, II, III), а также РНК-полимераз клеточных органелл, содержащих ДНК (митохондрий, пластид). РНК-полимераза I находится в ядрышке и участвует в синтезе большинства молекул рРНК, РНК-полимераза II обеспечивает синтез мРНК и мяРНК, а РНК-полимераза III осуществляет синтез тРНК и одного варианта молекул рРНК.

Инициация транскрипции зависит от предварительного специфического связывания РНК-полимеразы с узнаваемой ею короткой нуклеотидной последовательностью в участке молекулы ДНК (промоторе), расположенном перед стартовой точкой структурного гена, с которой начинается синтез РНК. Промоторы разных структурных генов могут быть идентичными либо содержат отличающиеся друг от друга последовательности нуклеотидов, что, вероятно, определяет эффективность транскрибирования отдельных генов и возможности регуляции самого процесса транскрипции. Промоторы многих генов прокариот имеют в своем составе универсальную последовательность 5'-ТАТААТ-3' (блок Прибнова), которая располагается перед стартовой точкой на расстоянии порядка 10 нуклеотидов и распознается РНК-полимеразой. Другая относительно часто встречающаяся узнаваемая последовательность (5'-ТТГАЦА-3') обычно обнаруживается на расстоянии примерно 35 нуклеотидов от стартовой точки. В геномах эукариот функцию узнавания для РНК-полимеразы II могут выполнять универсальные последовательности ТАТА (блок Хогнесса), ЦААТ и состоящие из повторяющихся нуклеотидов Г и Ц (ГЦ-мотивы). При этом та или иная промоторная область может содержать либо одну из указанных последовательностей либо комбинацию двух или трех таких последовательностей.

Специфическое прочное связывание РНК-полимеразы с тем или иным узнаваемым ею участком промоторной области позволяет начать процесс расплетания молекулы ДНК вплоть до стартовой точки, с которой она начинает осуществлять полимеризацию рибонуклеотидов с использованием в качестве матрицы одной нити 3'-5 '-фрагмента ДНК.

Дальнейшее расплетание ДНК структурного гена сопровождается удлинением синтезируемого полирибонуклеотида (элонгацией нити РНК), продолжающимся вплоть до достижения РНК-полимеразой области терминатора. Последний представляет собой нуклеотидную последовательность ДНК, которая узнается РНК-полимеразой при участии других белковых факторов терминации, что приводит к окончанию синтеза транскрипта и его отсоединению от матрицы. В большинстве случаев терминатор находится в конце структурного гена, обеспечивая синтез одной моногенной молекулы мРНК. При этом у прокариот возможен синтез полигенной молекулы мРНК, кодирующей синтез двух и более полипептидных цепочек. Происходит непрерывное транскрибирование нескольких расположенных рядом друг с другом структурных генов, имеющих один общий терминатор. Полигенная мРНК может содержать в своем составе нетранслируемые межгенные области (спейсеры), разделяющие кодирующие участки для отдельных полипептидов, что, вероятно, обеспечивает последующее разделение и самих синтезируемых полипептидов.

Поскольку структурные гены эукариот имеют прерывистое (мозаичное) строение, то их транскрипция имеет специфические особенности, отличающие ее от транскрипции у прокариот. В случае эукариотического гена, кодирующего синтез полипептида, этот процесс начинается с транскрибирования всей нуклеотидной последовательности, содержащей как экзонные, так и интронные участки ДНК. Образовавшаяся при этом молекула мРНК, отражающая структуру всего мозаичного гена, которую называют гяРНК либо про-матричной РНК (про-мРНК), претерпевает затем процесс созревания (процессинг мРНК).

Процессинг состоит в ферментативном разрезании первичного транскрипта (гяРНК) с последующим удалением его интронных участков и воссоединением (сплайсингом) экзонных участков, эрмирующих непрерывную кодирующую последовательность зрелой мРНК, которая в дальнейшем участвует в трансляции готической информации (рис.7). В процессинге принимают участие и короткие молекулы мяРНК, состоящие примерно из 100 нуклеотидов, которые представляют собой последовательности, являющиеся комплементарными последовательностям на концах интронных участков гяРНК. Спаривание комплементарных нуклеотидов мяРНК и гяРНК способствует сворачиванию в петлю интронных участков и сближению соответствующих экзонных участков гяРНК, что в свою очередь делает их доступными разрезающему действию ферментов (нуклеаз). Следовательно, молекулы мяРНК обеспечивают вырезание интронов из гяРНК.

Во время процессинга происходит также модификация 5'-3'-концов формирующейся зрелой молекулы мРНК. Принципиальный смысл этого процесса можно рассмотреть на схемах процессинга гена ß-глобина человека и полной нуклеотидной последовательности зрелой мРНК, образующейся в результате этого процесса. На 5'-конце последовательности имеется короткий нетранслируемый (лидирующий) участок, состоящий из 17 триплетов, которые маркированы цифрами со знаком «минус». Этот участок кодируется транскрибируемой (но нетранслируемой) областью первого экзона (ß-гена).

Модификация этого участка состоит в образовании 5'-концевого кэпа (от англ. cap — колпачок, шапочка), представляющего собой остаток 7-метилгуанозина, присоединенный к соседнему нуклеотиду необычным способом (с помощью трифосфатной связи). Предполагается, что основная функция кэпа связана с узнаванием специфической последовательности молекулы рРНК, входящей в состав рибосомы, что обеспечивает точное прикрепление всего лидирующего участка молекулы мРНК к определенному участку этой рибосомы и инициацию процесса трансляции. Возможно также, что кэп предохраняет зрелую мРНК от преждевременного ферментативного разрушения во время ее транспортировки из ядра в цитоплазму клетки.

Модификация 3'-конца мРНК ß-глобина имеет короткую нетранслируемую последовательность, связанную с образованием полиаденилового (поли А) «хвоста» молекулы, состоящего из 100-200 последовательно соединенных остатков адениловой кислоты. Для действия фермента, осуществляющего полиаденилирование, не нужна матрица, но требуется присутствие на 3'-конце мРНК сигнальной последовательности ААУААА (рис. 8). Предполагается, что полиадениловый «хвост» обеспечивает транспорт зрелой мРНК к рибосоме, защищая ее от ферментативного разрушения, но сам постепенно разрушается ферментами цитоплазмы, отщепляющими один за другим концевые нуклеотиды.

 

Трансляция как очередной этап реализации генетической информации заключается в синтезе полипептида на рибосоме, при котором в качестве матрицы используется молекула мРНК (считывание информации в направлении 5'→3'). Следует отметить, что в клетках прокариот, не имеющих настоящего ядра с оболочкой, хромосомный генетический материал (ДНК) практически находится в цитоплазме, что определяет непрерывный характер взаимосвязи процессов транскрипции и трансляции. Иными словами, образовавшийся лидирующий 5'-конец молекулы мРНК, синтез которой еще не завершен, уже способен вступать в контакт с рибосомой, инициируя синтез полипептида, т.е. транскрипция и трансляция идут одновременно. Что касается эукариот, то процессы транскрипции их ядерной генетической информации и ее трансляции должны быть разделены во времени в связи с процессингом молекул РНК и необходимостью их последующей упаковки и транспортировки из кариоплазмы в цитоплазму с участием специальных транспортных белков.

Как и в случае транскрипции, процесс трансляции можно условно подразделить на три основные стадии — инициацию, элонгацию и терминацию.

Для инициации трансляции принципиальное значение имеет специфичность структурной организации группы идентичных рибосом (полирибосомы, или полисомы), которая может участвовать в синтезе первичной структуры определенной белковой молекулы (полипептида), кодируемой соответствующей мРНК. Известно, что отдельная рибосома представляет собой клеточную органеллу, состоящую из молекул рРНК, которые определяют ее специфичность. В состав рибосомы входят две структурные субъединицы (большая и малая). При определенных условиях в клетке может происходить разделение (диссоциация) этих двух субъединиц либо их объединение (ассоциация).

Рибосомы прокариот, а также митохондрий и хлоропластов состоят из большой и малой субъединиц с разными коэффициентами седиментации, имеющими величины 50S и 30S соответственно. У эукариот эти субъединицы имеют большие размеры: 60S и 40S.

В процессе трансляции участвуют также молекулы тРНК, функции которых состоят в транспортировке аминокислот из цитозоля (цитоплазматического раствора) к рибосомам. Молекула тРНК, имеющая вторичную структуру в форме «клеверного листа», содержит в своем составе тройку нуклеотидов (антикодон), которая обеспечивает ее комплементарное соединение с соответствующим кодоном (триплетом) молекулы мРНК, кодирующей синтез полипептида на рибосоме, и акцепторный участок (на 3'-конце молекулы), к которому присоединяется определенная аминокислота. Процесс присоединения каждой из 20 аминокислот к акцепторному концу соответствующей тРНК связан с ее активацией определенным вариантом фермента аминоацил-тРНК-синтетазы с использованием энергии аденозинтрифосфатов (молекул АТФ). Образовавшийся при этом специфический комплекс РНК и аминокислоты (аминоацил-РНК) перемещается затем к рибосоме и участвует в синтезе полипептида.

Инициация трансляции обеспечивается точным соединением кодирующего 5'-конца молекулы мРНК с определенной областью малой субъединицы диссоциированной рибосомы таким образом, что в «недостроенном» Р-участке оказывается стартовый (инициирующий) кодон АУТ этой молекулы (рис. 9).

Функциональная особенность а-участка состоит в том, что он может быть занят только инициирующей аминоацил-тРНК с антикодоном УАЦ, которая у эукариот несет аминокислоту метионин, у бактерий – формилметионин. После образования инициирующего комплекса в «недостроенном» Р-участке становится возможным воссоединение малой и большой субъединиц рибосомы, что приводит к «достраиванию» Р- и а-участков. Лишь после этого следующая аминоацил-тРНК может занимать а-участок на основе принципа комплементарности ее антикодона соответствующему кодону мРНК, находящемуся в этом участке (рис. 9).

Процесс элонгации начинается с образования пептидной связи между инициирующей (первой в цепочке) и последующей (второй) аминокислотами. Затем происходит перемещение рибосомы на один триплет мРНК в направлении 5'→3', что сопровождается отсоединением инициирующей тРНК от матрицы (мРНК) и выходом ее в цитоплазму. При этом вторая по счету аминоацил-тРНК передвигается из а-участка в р-участок, а освободившийся а-участок занимается следующей (третьей по счету) аминоацил-тРНК. Процесс последовательного передвижения рибосомы «триплетными шагами» по нити мРНК повторяется, сопровождаясь освобождением тРНК, поступающей в Р-участок, и наращиванием аминокислотной последовательности синтезируемого полипептида.

Терминация трансляции связана с вхождением одного из трех известных стоп-триплетов мРНК в а-участок рибосомы. Поскольку такой триплет не несет информации о какой-либо аминокислоте, но узнается соответствующими белками терминации, то процесс синтеза полипептида прекращается и он отсоединяется от матрицы (мРНК).

Посттрансляционная модификация полипептида является завершающим этапом реализации генетической информации в клетке и заключается в превращении синтезированного полипептида в функционально активную молекулу белка. Первичный полипептид при этом претерпевает процессинг, состоящий в ферментативном удалении инициирующих аминокислот, отщеплении ненужных аминокислотных остатков и в химической модификации отдельных аминокислот. Затем происходит процесс сворачивания линейной структуры полипептида за счет образования дополнительных связей между отдельными аминокислотами, что приводит к формированию вторичной структуры белковой молекулы (рис.10). В дальнейшем формируется еще более сложная третичная структура молекулы.

Если белковые молекулы состоят более чем из одного полипептида, объединение их третичных структур приводит к образованию комплексной четвертичной структуры. В качестве примера можно рассмотреть модель молекулы гемоглобина человека, состоящей из двух a-цепочек и двух β-цепочек, которые формируют стабильную тетрамерную структуру с помощью водородных связей. Каждая из глобиновых цепочек содержит также молекулу гема, который в комплексе с железом способен связывать молекулы кислорода, обеспечивая их транспортировку эритроцитами (рис.11).

 

1.4. Регуляция активности генов

Существуют различные системы регуляции активности (экспрессии) генов, которые функционируют на разных этапах реализации генетической информации. Первая модель генетического контроля биосинтеза белков была предложена французскими учеными Ф.Жакобом и Ж. Моно (F.Jacob, J.Monod, 1961). Авторы ввели понятие об опероне как единице координированной экспрессии генов (единице генетической регуляции).

На примере регуляции синтеза ферментов, необходимых для использования углевода лактозы, было установлено, что клетками кишечной палочки (Escherichia coli) оперон регулирует активность структурных генов на этапе транскрипции генетической информации.

В лактозном опероне Е.соli находятся структурные гены (обозначены символами А,В,С), которые кодируют синтез трех различных белков-ферментов, участвующих в утилизации лактозы. Так, фермент ß-галактозидаза расщепляет молекулу лактозы с образованием двух моносахаридов (глюкозы и галактозы); галактозидпермеаза обеспечивает активный транспорт лактозы в бактериальную клетку из окружающей среды. Роль же третьего фермента (трансацетилазы) еще точно не установлена.

Помимо указанных генов в структуре оперона выделяются акцепторные участки (специфические нуклеотидные последовательности ДНК), к которым прикрепляются РНК-полимеразы (промотор), белок-активатор (инициатор), белок-регулятор, или репрессор, (оператор) и участок, обеспечивающий прекращение синтеза мРНК—терминатор.

Функционирование лактозного оперона Е.соli основано на принципе негативной индукции. Данное название было получено вследствие того, что регулирующий белок (репрессор) оказывает отрицательный эффект, блокируя при связывании с опероном транскрипцию структурных генов. Лактоза же выступает в качестве индуктора этого процесса, связывая белок-репрессор, активируя ген-оператор, что сопровождается синтезом соответствующих ферментов (рис.12).

При отсутствии лактозы в бактериальной клетке синтезируется активный белок-репрессор под контролем гена-регулятора, который принципиально не отличается от обычного структурного гена, обладая собственным промотором и терминатором. Активный репрессор, представляющий собой сложный аллостерический тетрамерный белок, соединяется с нуклеотидной последовательностью оператора, блокируя инициацию транскрипции.

Появление лактозы в среде обитания бактерий может сопровождаться проникновением небольших ее количеств в бактериальную клетку. При этом лактоза начинает выступать в роли эффектора. Она присоединяется к определенному участку молекулы белка-репрессора, тем самым изменяя конфигурацию этой молекулы и ее инактивируя (аллостерический эффект). Неактивный репрессор теряет способность соединяться с оператором, что делает возможным инициацию транскрипции с последующим синтезом полигенной молекулы мРНК. На этапе трансляции генетической информации осуществляется синтез трех указанных ферментов, необходимых для усвоения бактериальной клеткой лактоз. Транскрипция вновь будет заблокирована непрерывно синтезируемым репрессором после расщепления всей лактозы, имеющейся в клетке и при ее отсутствии в окружающей среде.

Таким образом, можно заключить, что работа лактозного оперона (как и других изученных бактериальных оперонов) осуществляется по принципу саморегуляции на основе обратной связи. Согласно данному принципу время синтеза и количество синтезируемого белка-фермента определяются его необходимостью для обеспечения того или иного метаболического процесса, связанного с жизнедеятельностью клетки.

При дальнейшем изучении работы лактозного и других оперонов бактерий было выявлено, что помимо негативного (репрессорного) механизма регуляции транскрипции в этих оперонах имеется также позитивный механизм, приводящий белки через определенные активации к транскрипции. Так, в случае лактозного оперона установлено существование такого белка, который активируется путем связывания с циклическим аденозинмонофосфатом (АМФ). Затем белок-активатор соединяется со специфическим участком в начале промоторной части и обеспечивает нормальное прикрепление и дальнейшее функционирование РНК-полимеразы.

Было установлено также, что такой белок, активированный цАМФ, является фактором позитивной регуляции транскрипции не только лактозного оперона, но и нескольких других катаболизирующих оперонов Е. сoli. Если в клетке имеется достаточное количество глюкозы либо другого легко усваиваемого моносахарида, то активируется работа соответствующего оперона, тем самым происходит утилизация углеводов. При снижении концентрации цАМФ происходит репрессия группы оперонов, включая лактозный. Если в клетке нет достаточного количества глюкозы и других моносахаридов, то концентрация синтезируемого цАМФ возрастает. В связи с этим при наличии лактозы становится возможной активация paботы лактозного оперона с помощью белка-активатора, обеспечивающего нормальное функционирование РНК-полимеразы в этом опероне, т.е. бактерии начинают использовать менее выгодный, чем глюкоза, источник углерода.

Если говорить об эукариотах, включая человека, то внутриклеточная регуляция биосинтеза белков у этих организмов является гораздо более сложной и менее изученной, чем у бактерий и вирусов, что связано, в первую очередь, с особенностями организации их геномов (рис.13). Инициация транскрипции эукариот тесно связана с наличием тех или иных специфических последовательностей в составе промоторной области отдельных генов, которые должны узнаваться соответствующей РНК-полимеразой. При этом для РНК-полимераз разных типов (I, II, III и др.) должны существовать отличающиеся друг от друга последовательности. Как и в случае прокариот, такие последовательности должны распознаваться соответствующими специфическими белками-активаторами (факторами транскрипции), с помощью которых осуществляется правильное прикрепление и активация определенной РНК-полимеразы, что является обязательным условием для инициации транскрипции. Стадии элонгации и терминации транскрипции у эукариот также обеспечиваются участием белковых факторов, регулирующих эти процессы.

Как известно, к числу особенностей эукариот относится прерывистая (мозаичная) структура их генов и связанный с этим процессинг РНК. Так, например, если при типичном варианте сплайсинга мРНК, состоящей из 5 экзонных участков, происходит их соединение в последовательности 1—2—3—4—5, то при альтернативном сплайсинге возможны иные варианты (2—3—1—4—5, 3—4—2—1—5 и др.). В результате на основе одной и той же нуклеотидной последовательности конкретного гена могут формироваться разные варианты белковых молекул, которые будут представлять собой структуры, состоящие из разных сочетаний одних и тех же аминокислотных блоков. Следовательно, в этом случае проявляется принцип достаточно экономного использования имеющейся генетической информации эукариотического организма в разные периоды его жизнедеятельности. У эукариот наблюдается также групповая регуляция активности генов на этапе транскрипции, связанная с особенностями организации гетерохроматиновых и эухроматиновых участков их хромосом.

В настоящее время известны механизмы регуляции активности генов, которые действуют и на этапе трансляции генетической информации в клетке. У бактерий имеется не менее трех белковых факторов, участвующих в регуляции инициации трансляции, которые обозначаются символами IF- 1, IF- 2, IF- 3 (от англ. initiation factor — фактор инициации).

При образовании инициирующего комплекса фактор IF-3 связывается с 30S-субъединицей рибосомы, препятствуя преждевременному объединению малой и большой субъединиц. Фактор инициации IF-1 соединяется с инициирующей аминоацил-тРНК, несущей формилметионин, и при участии IF-2 обеспечивает ее правильное прикрепление к а-участку малой субъединицы рибосомы, завершая формирование инициирующего комплекса. Инициация заканчивается объединением рибосомных субъединиц 30S и 50S, которое сопровождается освобождением всех трех факторов инициации, покидающих рибосому. У эукариот имеется другой набор инициации трансляции, механизм действия которого является менее изученным. Стадии элонгации и терминации трансляции также регулируются соответствующими белковыми факторами как у прокариот, так и у эукариот. Как уже отмечалось, завершение трансляции связано с вступлением в а-участок рибосомы одного из терминирующих кодонов мРНК (УАА, УАГ, УГА). Эти кодоны узнаются соответствующими белковыми факторами терминации, которые обеспечивают разрушение связи между последней тРНК и мРНК в р-участке рибосомы и освобождение синтезированного полипептида, а также диссоциацию рибосомных субъединиц.

Можно полагать, что регуляция экспрессии генов осуществляется и на этапе посттрансляционной модификации полипептидов, однако механизмы такой регуляции исследованы недостаточно. Оценивая особенности генетической регуляции биосинтеза белков у эукариот, необходимо отметить, что в случае многоклеточных организмов, включая человека, ее механизмы являются исключительно сложными и имеют многоуровневый характер, не ограничиваясь лишь процессами, происходящими в рамках одной клетки.