Процессинг, сплайсинг. Роль РНК в процессе реализации наследственной информации

Созревание мРНК называется процессингом. Биологическое значение процессинга в эукариотической клетке заключается в возможности получения различных комбинаций экзонов гена, а значит, получения большего разнообразия белков, кодируемых одной нуклеотидной последовательностью ДНК.

Кроме того модификация 3’- и 5’-концов мРНК служит для регуляции ее экспорта из ядра, поддержания стабильности в цитоплазме и для улучшения взаимодействия с рибосомами.

Еще до завершения транскрипции происходит полиадени- лирование З’-конца (разд. 6.3). К 5"-концу мРНК посредством трифосфатного моста присоединяется 7-метилгуанозин, соединяющийся в необычной позиции 5"^5", и происходит метилирование рибоз двух первых нуклеотидов. Этот процесс называется кэпированием.

Процесс вырезания определенных нуклеотидных последовательностей из молекул РНК и соединения последовательностей, сохраняющихся в «зрелой» молекуле, в ходе процессинга РНК, называется сплайсингом. В ходе сплайсинга из мРНК участки, не кодирующие белок (интроны), удаляются, а экзоны - участки, кодирующие аминокислотную последовательность, соединяются друг с другом, и незрелая пре-мРНК превращается в зрелую мРНК, с которой синтезируются (транслируются) белки клетки.

Для сплайсинга необходимо наличие специальных 3"- и 5"- последовательностей. Сплайсинг катализируется состоящим из РНК и белков большим комплексом, который называется сплайсосомой. Сплайсосома включает пять малых ядерных ри- бонуклеопротеидов (мяРНП) - и1, и2, и4, и5 и иб. РНК, входящая в состав мяРНП, взаимодействует с интроном и, возможно, участвует в катализе. Она принимает участие в сплайсинге интронов, содержащих в 5" сайте ГУ, и АГ в 3" сплайсинг-сайте.

Иногда мРНК в процессе созревания могут подвергаться альтернативному сплайсингу, который заключается в том, что имеющиеся в составе пре-мРНК интроны вырезаются в разных альтернативных комбинациях, при которых вырезаются и некоторые экзоны. Некоторые из продуктов альтернативного сплайсинга пре-мРНК нефункциональны, как например, при определении пола у плодовой мушки дрозофилы, однако часто в результате альтернативного сплайсинга пре-мРНК одного гена образуются многочисленные мРНК и их белковые продукты.

В настоящее время известно, что у человека 94 % генов подвержено альтернативному сплайсингу (остальные б % генов не содержат интронов). Альтернативный сплайсинг у многоклеточных эукариот является ключевым механизмом увеличения разнообразия белков, не создавая избыточных копий гена, а также позволяет осуществлять тканеспецифическую и стадиеспецифическую регуляцию экспрессии (проявления) генов.

Введение

Биосинтез белка можно разделить на стадии транскрипции , процессинга и трансляции . Во время транскрипции происходит считывание генетической информации, зашифрованной в молекулах ДНК, и запись этой информации в молекулы мРНК. В ходе ряда последовательных стадий процессинга из мРНК удаляются некоторые фрагменты, ненужные в последующих стадиях, и происходит редактирование нуклеотидных последовательностей. После транспортировки кода из ядра к рибосомам происходит собственно синтез белковых молекул, путем присоединения отдельных аминокислотных остатков к растущей полипептидной цепи.

Процессинг

Между транскрипцией и трансляцией молекула мРНК претерпевает ряд последовательных изменений, которые обеспечивают созревание функционирующей матрицы для синтеза полипептидной цепочки. С появлением процессинга в эукариотической клетке стало возможено комбинирование экзонов гена для получения большего разнообразия белков, кодируемым единой последовательностью нуклеотидов ДНК.

Кэпирование

Химическая структура кэпа

При кэпировании происходит присоединение к 5"-концу транскрипта 7-метилгуанозина посредстом трифосфатного моста, соединяющего их в необычной позиции 5"-5", а также метилирование рибоз двух первых нуклеотидов. Процесс кэпирования начинается еще до окончания транскрипции молекулы пре-мРНК.

Функции кэп-группы:

регулирование экспорта мРНК из ядра;
защита 5"-конца транскрипта от экзонуклеаз;
участие в инициации трансляции

Полиаденилирование

Полиаденилирование заключается в присоединении к 3"-концу транскрипта от 100 до 200 остатков адениловой кислоты, осуществляемом специальным ферментом poly(A)-полимераза.

Сплайсинг

После полиаденилирования мРНК подвергается удалению интронов. Процесс катализируется сплайсосомой и называется сплайсингом.

Трансляция

Готовая белковая молекула затем отщепляется от рибосомы и транспортируется в нужное место клетки . Для достижения своего активного состояния некоторые белки требуют дополнительной посттрансляционной модификации .

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Процессинг (биология)" в других словарях:

У этого термина существуют и другие значения, см. Процессинг (биология). Процессинг деятельность, включающая в себя обработку и хранение информации, необходимой при осуществлении платежей. Термин часто используется в отрасли банковских… … Википедия

Доставка малых РНК, содержащих шпильки, при помощи вектора на основе лентивируса и механизм РНК интерференции в клетках млекопитающих РНК интерференция (а … Википедия

Пре мРНК со стеблем петлёй. Атомы азота в основаниях выделены голубым, кислорода в фосфатном остове молекулы красным Рибонуклеиновые кислоты (РНК) нуклеиновые кислоты, полимеры нуклеотидов, в состав которых входят остаток… … Википедия

Центральная догма молекулярной биологии обобщающее наблюдаемое в природе правило реализации генетической информации: информация передаётся от нуклеиновых кислот к белку, но не в обратном направлении. Правило было сформулировано Френсисом… … Википедия

Пре мРНК со стеблем петлёй. Атомы азота в основаниях выделены голубым, кислорода в фосфатном остове молекулы красным Рибонуклеиновая кислота (РНК) одна из трёх основных макромолекул (две другие … Википедия

Схема синтеза белка рибосомой Биосинтез белка сложный многостадийный процесс синтеза полипептидной цепи из … Википедия

Кэпирование и полиаденилирование иРНК называется процессингом (посттранскрип-ционной модификацией).

Кэпирование:

К 5 " концу всех эукариотических иРНК присоединяется во время процессинга остаток 7-метилгуанозина с образованием уникальной 5 "à 5 " фосфодиэфирной связи . Этот дополнительный нуклеотид получил название кэп или колпачек.

Функции кэпа:

1. он защищает РНК от экзонуклеаз

2. помогает связыванию молекулы мРНК с рибосомой.

Полиаденилирование:

3"-конец также модифицируется сразу после завершения транскрипции. Специальный фермент – полиаденилат-полимераза присоединяет к 3"-концу каждого РНК-транскрипта от 20 до 250 остатков адениловой кислоты (поли(А)). Полиаденилатполимераза узнает специфическую последовательность AAУAAA, отщепляет от первичного транскрипта небольшой фрагмент в 11-30 нуклеотидов и затем присоединяет поли(А) последовательность. Принято считать, что такой "хвост" способствует последующему процессингу РНК и экспорту зрелых молекул мРНК из ядра.

По мере участия иРНК в процессах трансляции, длина полиА фрагмента уменьшается. Критическим для стабильности считается 30 адениловых нуклеотидов.

Вся совокупность ядерных транскриптов РНК-полимеразы II известна как гетерогенная ядерная РНК (гяРНК).

Все 3 класса РНК транскрибируются с генов, которые содержат интроны (неинформативные участки)и экзоны (участки ДНК, несущие информацию). Последовательности, кодируемые интронами ДНК, должны быть удалены из первичного транскрипта до того, как РНК станет биологически активной. Процесс удаления копий интронных последовательностей получил название сплайсинга РНК .

Сплайсинг РНК катализируется комплексами белков с РНК , известными как «малые ядерные рибонуклеопротеидные частицы» (мяРНП, англ. small nuclear ribonucleic particles, snRNP ).Такие каталитические РНК носят название рибозимов.

Функции интронов:

· защищают функционально активную часть генома клетки от повреждающего действия химических или физических (лучевых) факторов

· позволяет при помощи так называемого альтернативного сплайсинга увеличить генетическое разнообразие генома без увеличения числа генов.

Альтернативный сплайсинг:

В результате изменения распределение экзонов одного транскрипта во время сплайсинга возникают различные РНК и следовательно различные белки.

Известны уже более 40 генов, транскрипты которых подвергаются альтернативному сплайсингу. Например, транскрипт гена кальцитонина, в результате альтернативного сплайсинга дает РНК, которая служит матрицей для синтеза кальцитонина (в щитовидной железе) или специфического белка, отвечающего за вкусовое восприятие (в мозге). Еще более сложному альтернативному сплайсингу подвергается транскрипт гена -тропомиозина. Были идентифицированы по крайней мере 8 различных тропомиозиновых иРНК, полученных из одного транскрипта (см рис)

33 . Общая схема биосинтеза белка - необходимые предпосылки:

Информационный поток - схема передачи информации (центральная догма молекулярной биологии). Репликация и транскрипция ДНК - ферменты, механизм. Обратная транскрипция, роль ревертаз. Процессинг и сплайсинг иРНК. Характеристика генетического кода, кодон, антикодон.

Отличие биосинтеза белка от биосинтеза других молекул:

· Нет соответствия между числом мономеров матрицы и в продукте реакции (4 нуклеотида--20 аминокислот)

· Между мРНК (матрица) и пептидной цепью белка (продукт) нет комплементарности.

Общая схема биосинтеза белка - необходимые предпосылки:

· информационный поток (передача информации от ДНК на РНК и на белок)

· пластический поток (аминокислоты, мРНК, тРНК, ферменты)

· энергетический поток (макроэрги АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ)

Процессинг у эукариот затрагивает все виды первичных транскриптов эукариотических генов.

Процессинг у эукариот

Кэпирование представляет собой образование на 5"-конце мРНК особой структуры - кэпа (шапочки). Кэпирование происходит еще до полного завершения транскрипции и защищает 5"-конец РНК от действия нуклеаз. Кэпирование РНК осуществляется с участием GTP(гуанозинтрифосфата ), из состава которого GMP переносится на 5"-дифосфат первого нуклеотида мРНК.

Полиаденилирование осуществляется, ферментом поли(А)-полимеразой и приводит к образованию на З"-конце олиго(А)-фрагмента, содержащего 100 - 200 остатков адениловой кислоты подряд и называемого также «поли(А)-хвостом». Эта поли (А)-последовательность добавляется к РНК после присоединения кэпа . Сначала 3"-конец РНК отщепляется ферментами в точке, отстоящей на 10-35 рибонуклеотидов от консервативной последовательности ААUААА, а затем происходит полиаденилирование этого конца молекулы РНК. Поли(А)-хвост находят практически у всех мРНКэукариотических ороганизмов, за исключением транскриптов гистоновых генов. Последовательность ААUААА встречается не во всех эукариотических РНК-транскриптах. По-видимому, это связано с мутациями, препятствующими полиаденилированию. В отсутствие 3"- хвоста РНК-транскрипты быстро деградируют под действием ферментов.

Т.о. 5"-кэп и 3"-хвост чрезвычайно важны для дальнейшего процессинга и транспортировки мРНК в цитоплазму. Поли(А)-хвост определяет стабильность мРНК и время ее жизни в клетке. Кроме того, способствует выходу мРНК из ядра в цитоплазму, а также существенен для регуляции трансляции.

Механизмы сплайсинга: автокатализ РНК (Клаг,400)

Для разных типов ядерной РНК, а также для РНК мтх и хлп существуют свои собственные механизмы сплайсинга.

В зависимости от специфичности механизма сплайсинга, интроны можно разделить на несколько групп. К первой группе относятся интроны, входящие в состав первичного рРНК-транскрипта, для удаления которых не требуется дополнительных компонентов. Эти интроны сами обладают ферментативной активностью, необходимой для их вырезания. Впервые этот факт был обнаружен в 1982 г (Томас Чех с сотр.) у жгутикового простейшего тетрахимены (Tetrachymena). Из-за автокаталитических свойств самосплайсирующиеся РНК иногда называют рибозимами .

Процесс самовырезания (автоэсцизия) (рис. 145_Коничев)

(рис.12-12, Клаг) представляет собой две нуклеофильные реакции, или реакции трансэтерификации, в которых гуанозин взаимодействует с первичным итранскриптом и действует как кофактор. При этом З"-гидроксильная группа гуанозина переносится на нуклеотид, примыкающий к 5"-концу интрона. Во второй реакции эта гидроксильная группа взаимодействуетс фосфатной группой на З"-конце правого интрона, в результате интрон вырезается, а концы двух соседних экзонов соединяются с образованием зрелой мРНК.

Интрон 26S рРНК тетрахимены - IVS, состоит из 413 нуклеотидов. В результате реакции трансэтерификации без дополнительных затрат энергии осуществляется лигирование двух экзонов с образованием зрелой 26S рРНК. Вырезанный интрон затем циклизуется. Из его состава путем двухэтапного ауторасщепления освобождается фрагмент, содержащий 19 нуклеотидов, в результате чего образуя РНК длиной 376 нуклеотидов (L -19 IVS), которая и представляет собой истинный РНК-фермент (рибозим ), обладающий каталитическими свойствами. Этот рибозим обладает устойчивой структурой, имеет эндонуклеазную активность, расщепляя длинные одноцепочечные РНК, и проявляет специфичность, распознавая в о составе атакуемого субстрата тетрануклеотиды CUCU . В структуре интронов типа I выявлены характерные внутренние олигопуриновые последовательности (у тетрахимены это последовательность GGAGGG), называемые адапторными последовательностями , которые участвуют в образовании активного центра РНК-ферментов и выполняют важнейшую роль в каталитическом расщеплении РНК.

Такое самовырезание интронов характерно для пре-рРНК других простейших. Этот механизм, по-видимому, действует и при удалении интронов из первичных транскриптов иРНК и тРНК в митохондриях и хлоропластах , которые относятся к группе II .

Для вырезания интроноввторой группы также необходимы две автокаталитические реакции, но гуанозин не требуется.

Дальнейшие исследования позволили установить, что каталитической активностью обладают не только крупные РНК (~400 нуклеотидов у тетрахимены и РНКазы Р), но и короткие 13 -20-членные олигонуклеотиды, которые могут быть синтезированы in vitro. Такие рибозимы стали называть минизимами . Одна из детально исследованных моделей функционирования таких рибозимов получила название «головка молотка » (рис. 146). Третичная структура «головки молотка» стабилизируется ионами двухвалентных металлов, которые нейтрализуют отрицательно заряженные атомы кислорода фосфодиэфирных связей и одновременно соединяют фосфатные группы ковалентными связями, что существенно для образования стабильного переходного состояния (фермент-субстратного комплекса). Как и в случае катализа, осуществляемого ферментами белковой природы, рибозимы и атакуемый субстрат

(природные или синтетически полученные молекулы РНК) образуют фермент-субстратный комплекс, а затем - фермент-продуктный комплекс (см. рис. 146).

Механизмы сплайсинга: сплайсосома. (Процессинг мРНК у эукариот)

В ядерных пре-мРНК интроны могут достигать в длину 20 000 нуклеотидов. Поэтому их удаление требует более сложного механизма, чем самовырезание (автоэксцизия). (рис.12-13). Нуклеотидные последовательности на концах интронов в этих молекулах сходны: на 5"-концах часто находится динуклеотид (GU) ГУ, а на З"-конце – динуклеотид (AG) АГ. C этими последовательностями связываются молекулы специальных белков, которые формируют комплекс, называемый сплайсомой . Основной компонент сплайсосом – малые ядерные рибонуклеопротеины, или мяРНП , которые найдены только в ядре и обогащены остатками уридина. Поэтому малые ядРНК часто обозначают U1 , U2 …U6.

[Коничев, с.292. В сплайсинге пре-мРНК

у высших эукариот задействован ряд белков, а также РНК особого вида – малые ядерные РНК (мяРНК). Малые ядерные РНК имеют последовательности протяженностью от 65 до 1000 и более нуклеотидов (10S -90S), богатые уридиловыми нуклеотидами, и поэтому называются также uPHK (Ul, U2 и т.д.). У дрожжей выявлено 25 различных мяРНК, у позвоночных животных - 15. У шпорцевых лягушек Xenopus laevis ряд мяРНК (U3, U8, U14 и U22) участвуют в процессинге рибосомальных РНК, связываясь с пограничными участками спейсерных последовательностей (см. рис. 143). Малые ядерные РНК выявлены не только у позвоночных животных и дрожжей, но также у насекомых и архибактерий. Они представляют собой, вероятно, очень древнюю группу молекул. Нуклеотидная последовательность всех соответствующих uPHK

эукариот совпадает более чем на 90 %, что, в частности, относится к U1 человека и дрозофилы. Высокий консерватизм структуры uPHK говорит о том, что сплайсинг представляет собой очень древний процесс, начавшийся с аутосплайсинга (см. выше) и трансформировавшийся в сплайсинг с участием особых рибонуклеопротеидных частиц - мяРНП. Гены мяРНК транскрибируются РНК-полимеразой II и имеют различную локализацию в геноме: часть из них представляет собой дискретные независимые гены,

не имеющие интронов, тогда как гены других мяРНК располагаются внутри интронов генов, кодирующих белки. Так, у Xenopus U13 кодируется тремя уникальными последовательностями, находящимися

в интронах 5, 6 и 8 генов белков теплового шока, а ген U16 находится внутри интрона рибосомального белка L1. Последнее обстоятельство имеет важное значение, так как показывает, что процессинг рРНК и процессинг мРНК белков рибосом может быть скоординирован при участии мяРНК. Кроме того,

предполагают, что мяРНК способны служить РНК-шаперонами, участвуя в фолдингерРНК, т.е. помогая ей принять необходимую структуру в пространстве. Малые ядерные РНК присутствуют в ядрах в комплексах с белками, получившими название малыерибонуклеопротеиновые частицы (мяРНП). Стабильным компонентом мяРНП является белок фибрилларин - очень консервативный по структуре белок с молекулярной массой 34 кДа, локализованный в ядрышках. Комплекс, состоящий из множества мяРНП, который катализирует сплайсинг ядерных про-мРНК, носит название сплайсингосомы .]

Известно, мяРНК типа U 1, содержит нуклеотидную последовательность, гомологичную 5"-концу интрона. Спаривание этих последовательностей дает начало сплайсоме. Затем к ней присоединяется мяРНК типа U2 , U4 , U5 и U6 начинается сплайсинг. Как и в случае интронов первой группы происходит две реакции трансэтерификации. Сначала З"- гидроксильная группа аденина (А), локализованного в интроне, взаимодействует с 5"-сайтом сплайсинга, разрезая цепь РНК. Затем несколько мяРНП формируют промежуточный комплекс и начинается вторая реакция: свободный 5"-конец интрона соединяется с остатком аденина. В результате формируется характерная петлеобразная структура типа лассо, содержащая удаленный интрон. Затем концы экзонов лигируют и комплекс мяРНК освобождает транскрипт.

[ Коничев, с.294. Взаимодействие разных мяРНК, входящих в состав сплайсингосомы, со сплайсируемой пре-мРНК в 5"- и З"-сайтах сообщает интрону петлеобразную структуру. При этом сближаются концы экзонов, чему способствует образование неканонических (отличающихся от уотсон-криковских пар) водородных связей между двумя гуанинами, содержащимися в 5"- и З"-сайтах сплайсинга (см. рис. 148). Сближение экзонов создает условие для атаки З"-конца интрона адениловым нуклеотидом, расположенным вблизи З"-конца. В результате разрыва фосфодиэфирной связи между экзоном 1 и 5"-концом интрона последний взаимодействует с адениловым нуклеотидом и образованием в интроне петли типа «лассо» (см. рис. 148_Коничев). Вслед за этим освободившийся З"-ОН-конец экзона 1 разрезает З"-сайт сплайсинга, выщепляет интрон и, соединяясь с экзоном 2, образует в итоге зрелую (сплайсированную) молекулу мРНК]

Сразу после синтеза первичные транскрипты РНК по разным причинам еще не имеют активности, являются "незрелыми" и в дальнейшем претерпевают ряд изменений, которые называются процессинг . У эукариот процессингу подвергаются все виды пре-РНК, у прокариот – только предшественники рРНК и тРНК.

Процессинг предшественника матричной РНК

При транскрипции участков ДНК, несущих информацию о белках, образуются гетерогенные ядерные РНК, по размеру намного превосходящие мРНК. Дело в том, что из-за мозаичной структуры генов эти гетерогенные РНК включают в себя информативные (экзоны ) и неинформативные (интроны ) участки.

1. Сплайсинг (англ. splice – склеивать встык) – особый процесс, в котором при участии малых ядерных РНК происходит удаление интронов и сохранение экзонов.

Последовательность событий сплайсинга

2. Кэпирование (англ. cap – шапка) – происходит еще во время транскрипции. Процесс состоит в присоединении к 5"-трифосфату концевого нуклеотида пре-мРНК 5"-углерода N 7 -метил-гуанозина.

"Кэп" необходим для защиты молекулы РНК от экзонуклеаз, работающих с 5"-конца, а также для связывания мРНК с рибосомой и для начала трансляции.

3. Полиаденилирование – при помощи полиаденилат-полимеразы с использованием молекул АТФ происходит присоединение к 3"-концу РНК от 100 до 200 адениловых нуклеотидов, формирующих полиадениловый фрагмент – поли(А)-хвост. Поли(А)-хвост необходим для защиты молекулы РНК от экзонуклеаз, работающих с 3"-конца.

Схематичное представление матричной РНК после процессинга

Процессинг предшественника рибосомальной РНК

Предшественники рРНК являются более крупными молекулами по сравнению со зрелыми рРНК. Их созревание сводится к разрезанию прерибосомной РНК на более мелкие формы, которые уже непосредственно участвуют в формировании рибосомы. У эукариот существуют четыре типа рРНК – 5S-, 5,8S-, 18S- и 28S-рРНК . При этом 5S-рРНК синтезируется отдельно, а большая прерибосомная 45S-РНК расщепляется специфичными нуклеазами с образованием 5,8S-рРНК, 18S-рРНК и 28S-рРНК.

У прокариот молекулы рибосомальной РНК совсем иные по своим свойствам (5S-, 16S-, 23S-рРНК), что является основой изобретения и использования ряда антибиотиков в медицине.

Процессинг предшественника транспортной РНК

1. Модификация нуклеотидов в молекуле путем дезаминирования, метилирования, восстановления.
Например, образование псевдоуридина и дигидроуридина.

Строение модифицированных уридиловых нуклеотидов

2. Формирование антикодоновой петли происходит путем сплайсинга