Транскрипция — это процесс синтеза РНК на матрице ДНК, обеспечивающий перенос генетической информации из ядра к рибосомам для последующего синтеза белка. Процесс начинается с инициации, продолжается элонгацией и завершается терминацией.
Инициация транскрипции происходит на промоторах — специфических последовательностях ДНК, распознаваемых РНК-полимеразой. У прокариот промотор включает -10 (Pribnow box) и -35 элементы, у эукариот — более сложный набор мотивов, включая TATA-бокс, инициаторные элементы и сайты связывания факторов транскрипции. РНК-полимераза вместе с транскрипционными факторами формирует инициационный комплекс, который открывает локальный участок ДНК, создавая транскрипционный пузырь.
Элонгация РНК осуществляется движением РНК-полимеразы вдоль матричной цепи ДНК с 3’→5’ направлением синтеза цепи РНК. Нуклеотиды присоединяются к растущей цепи через образование фосфодиэфирной связи, высвобождая пирофосфат. Элонгация сопровождается высокоэффективной проверкой точности, обеспечиваемой структурой активного центра полимеразы.
Терминация транскрипции различается у прокариот и эукариот. У прокариот встречаются ρ-зависимые и ρ-независимые механизмы, основанные на образовании шпилек в РНК или взаимодействии с белком ρ. У эукариот процесс включает полимеразу II, распознающую сигналы полиаденилирования, а окончание транскрипции связано с отсечкой РНК и удалением РНК-полимеразы с ДНК.
После синтеза первичной транскрипционной копии (пре-мРНК) у эукариот происходит обширный процессинг, включающий сплайсинг, модификацию концов и редактирование.
Капирование 5’-конца заключается в добавлении 7-метилгуанозинового остатка на первый нуклеотид пре-мРНК. Это защищает РНК от деградации, обеспечивает транспорт из ядра и служит сигналом для связывания рибосомы.
Сплайсинг удаляет интроны и соединяет экзоны с помощью сплайсосомы, крупного рибонуклеопротеинового комплекса. Механизм включает образование лупинга с промежуточным лариатом, расщепление фосфодиэфирной связи на границах интронов и лигирование экзонов. Сплайсинг регулируется сигнальными последовательностями 5’-GU, 3’-AG и ветвевой аденин, а также многочисленными регуляторными белками, влияющими на альтернативное включение экзонов.
Полиаденилирование 3’-конца формирует поли(A)-хвост, увеличивающий стабильность мРНК, способствующий её экспорту и контролю трансляции. Процесс инициируется распознаванием сигнала AAUAAA, разрезом РНК и добавлением ~200 адениновых нуклеотидов.
Редактирование РНК включает изменение отдельных нуклеотидов, например, дезаминирование аденозина в инозин (A→I), что может изменять кодон и влиять на экспрессию белка.
Процессинг рРНК и тРНК начинается в ядрышке. рРНК транскрибируется как большой пре-рРНК, затем расщепляется на функциональные субчастицы рибосомы. тРНК проходят сплайсинг, химическую модификацию оснований и добавление CCA на 3’-конце, что критично для аминокислотного присоединения.
Регуляция осуществляется множеством уровней:
Взаимодействие этих механизмов обеспечивает точную и адаптивную регуляцию экспрессии генов, позволяя клетке реагировать на внутренние и внешние сигналы.
Транскрипция и процессинг РНК формируют основу потока генетической информации, соединяя структуру ДНК с функциональной активностью белков и регулируя биологические процессы на уровне экспрессии генов.