Транскрипция генетической информации

Молекулярные основы транскрипции

Транскрипция представляет собой процесс синтеза РНК на матрице ДНК, в ходе которого происходит перенос генетической информации из ДНК в РНК. Этот этап является первым звеном реализации генетического кода и определяет синтез белков и регуляцию экспрессии генов. Процесс транскрипции является универсальным для всех живых организмов и осуществляется с участием фермента РНК-полимеразы, обладающего высокой специфичностью к участкам ДНК — промоторам.

Матрица и направление синтеза

Синтез РНК происходит по принципу комплементарности: последовательность нуклеотидов вновь синтезируемой РНК соответствует последовательности одной из цепей ДНК — матричной. При этом в РНК вместо тимина используется урацил, комплементарный аденину. Транскрипция протекает в направлении от 5′ к 3′ концу растущей цепи, что означает считывание матричной цепи ДНК в направлении 3′→5′.

РНК-полимераза и её функции

РНК-полимераза — это фермент, катализирующий полимеризацию рибонуклеотидов. В прокариотических клетках она состоит из нескольких субъединиц: α, β, β′, ω и σ. Основной фермент (core-фермент) осуществляет каталитическую функцию, а σ-субъединица обеспечивает распознавание промотора и связывание фермента с ДНК.

У эукариот существуют три основных типа РНК-полимераз:

РНК-полимераза I синтезирует предшественники рРНК;
РНК-полимераза II отвечает за синтез мРНК и некоторых малых ядерных РНК;
РНК-полимераза III катализирует синтез тРНК и малых структурных РНК.

Каждая из них взаимодействует с набором транскрипционных факторов, которые определяют специфичность связывания с промоторами и регулируют интенсивность транскрипции.

Этапы транскрипции

Процесс транскрипции делится на три основных стадии: инициацию, элонгацию и терминацию.

Инициация. На этапе инициации РНК-полимераза связывается с промотором — специфической последовательностью ДНК, находящейся перед кодирующей областью гена. В прокариотах промотор содержит участки −35 и −10 (последний известен как бокс Пробнау), распознаваемые σ-фактором. После связывания фермента с промотором происходит локальное расплетание ДНК и формирование открытого комплекса, в котором одна из цепей служит матрицей.
Элонгация. После присоединения первых рибонуклеотидов σ-фактор отделяется, и начинается удлинение РНК-цепи. РНК-полимераза движется вдоль ДНК, добавляя нуклеотиды к 3′-концу растущей молекулы. За счёт энергетически выгодного разрыва фосфоангидридных связей в рибонуклеозидтрифосфатах (НТФ) обеспечивается полимеризация РНК. Образующаяся РНК выходит из комплекса, а позади фермента ДНК вновь спирализуется.
Терминация. Завершение транскрипции происходит при достижении терминатора — специфической последовательности, сигнализирующей окончание гена. В прокариотах различают два типа терминации:
- ρ-независимая терминация основана на образовании шпильки в структуре РНК вследствие комплементарности последовательностей и последующего отделения РНК от матрицы;
- ρ-зависимая терминация требует участия белка ρ (ро-фактора), обладающего АТФазной активностью и способного разрывать комплекс РНК–ДНК.

Особенности транскрипции у эукариот

У эукариот процесс транскрипции более сложен и пространственно разделён. Он осуществляется в ядре, а синтезированные РНК подвергаются посттранскрипционным модификациям до выхода в цитоплазму. Промоторы эукариот содержат элементы, такие как ТАТА-бокс, CAAT-бокс и GC-бокс, которые распознаются различными транскрипционными факторами.

Инициация требует образования преинициаторного комплекса, включающего РНК-полимеразу II и более десяти белков — общих транскрипционных факторов (TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, TFIIH и др.). TFIID, содержащий белок TBP (TATA-binding protein), связывается с ТАТА-боксом, вызывая изгиб ДНК и создавая условия для присоединения остальных компонентов.

Элонгация сопровождается модификацией С-концевого домена (CTD) β-субъединицы РНК-полимеразы II посредством фосфорилирования, что позволяет ферменту покинуть промотор и синтезировать РНК с высокой скоростью.

Терминация транскрипции у эукариот не всегда совпадает с концом кодирующей последовательности; процесс завершается после распознавания сигнала полиаденилирования (AAUAAA) и отрезания цепи РНК специальными эндонуклеазами.

Посттранскрипционные модификации

Первичный транскрипт (пре-мРНК) подвергается ряду модификаций, обеспечивающих его стабильность и готовность к трансляции:

Кэпирование 5′-конца. Присоединение метилгуанозинового остатка (m⁷G) защищает РНК от деградации и способствует распознаванию рибосомой.
Полиаденилирование 3′-конца. Добавление цепочки адениловых остатков (поли(А)-хвоста) стабилизирует мРНК и регулирует её транспорт из ядра.
Сплайсинг. Удаление некодирующих участков (интронов) и соединение экзонов осуществляется сплайсосомным комплексом, включающим малые ядерные РНК (мяРНК) и белки. Этот процесс позволяет из одного гена образовывать различные варианты мРНК в результате альтернативного сплайсинга.

Регуляция транскрипции

Контроль транскрипции осуществляется на уровне взаимодействия белков-регуляторов с ДНК. Регуляторные белки могут действовать как активаторы или репрессоры, связываясь с усилителями (энхансерами) или подавляющими элементами (сайленсерами). У эукариот пространственная организация хроматина также играет ключевую роль: ацетилирование гистонов способствует активации транскрипции, а метилирование ДНК — её подавлению.

Комбинация множества факторов, включая наличие сигнальных молекул, модификации белков и взаимодействие с другими регуляторными комплексами, обеспечивает тонкую настройку экспрессии генов и адаптацию клетки к изменениям внешней среды.

Значение транскрипции в клеточном метаболизме

Транскрипция является центральным процессом молекулярной биологии, обеспечивающим реализацию генетической программы клетки. С её помощью информация, зашифрованная в нуклеотидной последовательности ДНК, превращается в функциональные РНК, которые далее участвуют в биосинтезе белков или выполняют собственные структурные и регуляторные функции. Точность и согласованность транскрипционных процессов определяют стабильность генетической информации и эффективность функционирования живых систем.