Obrada, spajanje. Uloga RNK u procesu realizacije nasljednih informacija

Sazrijevanje mRNA naziva se procesiranje. Biološki značaj obrade u eukariotskoj ćeliji leži u mogućnosti dobijanja različitih kombinacija egzona gena, a samim tim i dobijanja veće raznolikosti proteina kodiranih jednom sekvencom nukleotida DNK.

Pored toga, modifikacija 3' i 5' krajeva mRNA služi za regulaciju njenog izvoza iz jezgra, održavanje stabilnosti u citoplazmi i poboljšanje interakcije sa ribosomima.

Čak i prije nego što je transkripcija završena, dolazi do poliadenilacije 3’-kraja (Odjeljak 6.3). 7-metilgvanozin se dodaje na 5" kraj mRNA preko trifosfatnog mosta, spajajući se na neobičnoj poziciji 5"^5", a riboze prva dva nukleotida su metilirane. Ovaj proces se naziva zatvaranje.

Proces rezanja specifičnih nukleotidnih sekvenci iz RNA molekula i spajanja sekvenci zadržanih u "zrelom" molekulu tokom obrade RNK naziva se spajanje. Tokom spajanja, dijelovi mRNA koji ne kodiraju proteine (introne) se uklanjaju, a egzoni, dijelovi koji kodiraju sekvencu aminokiselina, se spajaju jedan s drugim, a nezrela pre-mRNA se pretvara u zrelu mRNA iz koje ćelijski proteini se sintetišu (prevode).

Za spajanje je potrebno prisustvo posebnih sekvenci od 3" i 5". Spajanje katalizira veliki kompleks RNK i proteina koji se naziva spliceosom. Spliceosom uključuje pet malih nuklearnih ribonukleoproteina (snRNP) - u1, u2, u4, u5 i ub. RNK koja je dio snRNP interagira sa intronom i može biti uključena u katalizu. Učestvuje u spajanju introna koji sadrže GU na 5" mjestu i AG na 3" mjestu spajanja.

Ponekad, tokom procesa sazrijevanja, mRNA mogu biti podvrgnute alternativnom spajanju, koje se sastoji u tome da se introni prisutni u pre-mRNK izrezuju u različitim alternativnim kombinacijama, pri čemu se izrezuju i neki egzoni. Neki od proizvoda alternativnog spajanja pre-mRNA su nefunkcionalni, kao što je određivanje spola kod voćne mušice Drosophila, ali često alternativno spajanje pre-mRNA jednog gena proizvodi više mRNA i njihovih proteinskih proizvoda.

Trenutno je poznato da je kod ljudi 94% gena podložno alternativnom spajanju (preostalih 6% gena ne sadrži introne). Alternativno spajanje kod višećelijskih eukariota je ključni mehanizam za povećanje proteinske raznolikosti bez stvaranja suvišnih kopija gena, a također omogućava tkivno-specifičnu i stadijsku regulaciju genske ekspresije (manifestacije).

Uvod

Biosinteza proteina se može podijeliti na faze transkripcije, procesiranja i translacije. Tokom transkripcije čitaju se genetske informacije šifrirane u molekulima DNK i te informacije se upisuju u molekule mRNA. Tokom niza uzastopnih faza obrade, neki fragmenti koji su nepotrebni u narednim fazama uklanjaju se iz mRNA, a nukleotidne sekvence se uređuju. Nakon što se kod transportuje od jezgre do ribozoma, dolazi do stvarne sinteze proteinskih molekula vezivanjem pojedinačnih aminokiselinskih ostataka na rastući polipeptidni lanac.

Obrada

Između transkripcije i translacije, molekul mRNA prolazi kroz niz uzastopnih promjena koje osiguravaju sazrijevanje funkcionalnog matriksa za sintezu polipeptidnog lanca. Pojavom procesiranja u eukariotskoj ćeliji, postalo je moguće kombinovati egzone gena kako bi se dobio veći izbor proteina kodiranih jednom sekvencom nukleotida DNK.

Cappping

Hemijska struktura kapice

Kada dođe do zatvaranja, 7-metilgvanozin se dodaje na 5" kraj transkripta preko trifosfatnog mosta koji ih povezuje na neobičnom položaju 5"-5", kao i metilacija riboze prva dva nukleotida. Proces zatvaranja počinje čak i prije završetak transkripcije pre-mRNA molekula.

Funkcije grupe kapica:

regulacija izvoza mRNA iz jezgra;
zaštita 5" kraja transkripta od egzonukleaza;
učešće u pokretanju emitovanja

Poliadenilacija

Poliadenilacija uključuje dodavanje 100 do 200 ostataka adenilne kiseline na 3-inčni kraj transkripta, što se izvodi pomoću posebnog enzima poli(A) polimeraze.

Spajanje

Nakon poliadenilacije, mRNA se podvrgava uklanjanju introna. Proces katalizira spliceosom i naziva se spajanje.

Broadcast

Gotovi proteinski molekuli se zatim odvajaju od ribozoma i transportuju do željene lokacije u ćeliji. Neki proteini zahtijevaju dodatnu posttranslacijsku modifikaciju da bi postigli svoje aktivno stanje.

Wikimedia fondacija. 2010.

Pogledajte šta je “Obrada (biologija)” u drugim rječnicima:

Ovaj izraz ima druga značenja, pogledajte Obrada (biologija). Aktivnost obrade, koja uključuje obradu i čuvanje informacija potrebnih za plaćanje. Termin se često koristi u bankarskoj industriji... ... Wikipedia

Isporuka malih RNK koji sadrže ukosnice pomoću vektora baziranog na lentivirusu i mehanizma interferencije RNK u stanicama sisara Interferencija RNA (... Wikipedia

Pre mRNA sa petljom stabla. Atomi dušika u bazama su istaknuti plavom bojom, atomi kisika u fosfatnoj kičmi molekula crvenom bojom Ribonukleinske kiseline (RNA) su nukleinske kiseline, polimeri nukleotida koji sadrže ostatke ... ... Wikipedia.

Centralna dogma molekularne biologije generalizira pravilo za implementaciju genetskih informacija uočenih u prirodi: informacije se prenose od nukleinskih kiselina do proteina, ali ne u suprotnom smjeru. Pravilo je formulisao Francis... ... Wikipedia

Pre mRNA sa petljom stabla. Atomi dušika u bazama su istaknuti plavom bojom, atomi kisika u fosfatnoj kičmi molekula crvenom bojom Ribonukleinska kiselina (RNA) je jedna od tri glavna makromolekula (druga dva su ... Wikipedia.

Centralna dogma molekularne biologije generalizira pravilo realizacije genetske informacije uočene u prirodi: informacije se prenose od nukleinskih kiselina do proteina, ali ne u suprotnom smjeru. Pravilo je formulisao Francis Crick... ... Wikipedia

Šema sinteze proteina ribosomom Biosinteza proteina je složen višestepeni proces sinteze polipeptidnog lanca iz ... Wikipedia

Zatvaranje i poliadenilacija mRNA se naziva obrada ( post-transkripciona modifikacija).

zatvaranje:

Ostatak se dodaje na 5" kraj svih eukariotskih mRNA tokom obrade. 7-metilgvanozin sa obrazovanjem jedinstvena fosfodiesterska veza od 5" do 5".. Ovaj dodatni nukleotid se zove kapa ili kapa.

Funkcije kapa :

1. štiti RNK od egzonukleaza

2. pomaže vezivanje mRNA molekula za ribozom.

poliadenilacija:

Kraj od 3" se također modificira odmah nakon što se transkripcija završi. Poseban enzim je poliadenilat polimeraza veže od 20 do 250 ostataka adenilne kiseline (poli(A)) na 3" kraj svakog RNA transkripta. Poliadenilat polimeraza prepoznaje specifičnu sekvencu AAUAAA, odcjepljuje mali fragment od 11-30 nukleotida iz primarnog transkripta i zatim vezuje poli(A) sekvencu. Općenito je prihvaćeno da takav “rep” doprinosi naknadnoj obradi RNK i izvozu zrelih mRNA molekula iz jezgra.

Kako mRNA učestvuje u procesima translacije, dužina poliA fragmenta se smanjuje. 30 adenil nukleotida se smatra kritičnim za stabilnost.

Cijeli skup nuklearnih transkripata RNA polimeraze II je poznat kao heterogena nuklearna RNK(hnRNA).

Sve 3 klase RNK su transkribovane iz gena koji sadrže introni(neinformativna područja) i egzoni(dijelovi DNK koji nose informacije). Sekvence kodirane intronima DNK moraju se ukloniti iz primarnog transkripta prije nego što RNK postane biološki aktivna. Proces uklanjanja kopija introničkih sekvenci se zove RNA spajanje.

RNA spajanje je katalizirano kompleksa proteina sa RNK, poznat kao "male nuklearne ribonukleoproteinske čestice"(snRNP, engleske male nuklearne ribonukleinske čestice, snRNP Takve katalitičke RNK se nazivaju ribozimi.

Funkcije introna:

štite funkcionalno aktivni dio ćelijskog genoma od štetnog djelovanja kemijskih ili fizičkih (radijacijskih) faktora

· omogućava korištenje tzv alternativno spajanje povećati genetsku raznolikost genoma bez povećanja broja gena.

Alternativno spajanje:

Kao rezultat promjena u distribuciji egzona jednog transkripta tokom spajanja, nastaju različite RNK, a time i različiti proteini.

Već je poznato više od 40 gena čiji su transkripti podložni alternativnom spajanju. Na primjer, transkript gena za kalcitonin, kao rezultat alternativnog spajanja, proizvodi RNK, koja služi kao šablon za sintezu kalcitonina (u štitnoj žlijezdi) ili specifičnog proteina odgovornog za percepciju okusa (u mozgu). Transkript gena α-tropomiozina prolazi kroz još složenije alternativno spajanje. Identificirano je najmanje 8 različitih mRNA tropomiozina izvedenih iz jednog transkripta (vidi sliku)

33. Opća shema biosinteze proteina - neophodni preduslovi:

Protok informacija je šema za prenošenje informacija (centralna dogma molekularne biologije). Replikacija i transkripcija DNK - enzimi, mehanizam. Reverzna transkripcija, uloga revertaza. Obrada i spajanje mRNA. Karakteristike genetskog koda, kodona, antikodona.

Razlika između biosinteze proteina i biosinteze drugih molekula:

· Ne postoji korespondencija između broja monomera u matriksu i u produktu reakcije (4 nukleotida - 20 aminokiselina)

· Ne postoji komplementarnost između mRNA (template) i peptidnog lanca proteina (proizvoda).

Opća shema biosinteze proteina - neophodni preduslovi:

· protok informacija(prijenos informacija sa DNK na RNK do proteina)

· plastični protok(aminokiseline, mRNA, tRNA, enzimi)

· protok energije(makroergije ATP, GTP, UTP, CTP)

Obrada kod eukariota utiče na sve tipove primarnih transkripata eukariotskih gena.

Obrada kod eukariota

Cappping predstavlja formiranje na 5" kraju mRNA posebne strukture - kape (cap). Kapa se javlja i prije potpunog završetka transkripcije i štiti 5" kraj RNK od djelovanja nukleaza. RNA capping se provodi uz učešće GTP (gvanozin trifosfat), iz koje se GMP prenosi na 5"-difosfat prvog nukleotida mRNA.

Poliadenilacija provodi enzim poli(A) polimeraza i dovodi do formiranja na kraju od 3" oligo(A) fragmenta koji sadrži 100 - 200 ostataka adenilne kiseline u nizu i koji se također naziva "poli(A) rep". poli(A) -podsekvenca dodati RNK nakon što je kapa pričvršćena. Prvo, 3" kraj RNK se cijepa enzimima u tački udaljenoj 10-35 ribonukleotida od konzervativne sekvence AAUAAA, a zatim dolazi do poliadenilacije ovog kraja RNK molekula. Poli(A) rep se nalazi u gotovo svim mRNA eukariotski organizmi, sa izuzetkom transkripta histonskih gena, AAUAAA sekvenca se ne nalazi u svim eukariotskim RNA transkriptima, očigledno zbog mutacija koje sprečavaju poliadenilaciju.

To. Kapica od 5" i rep od 3" su izuzetno važni za dalju obradu i transport mRNA u citoplazmu. Poli(A) rep određuje stabilnost mRNA i njen životni vijek u ćeliji. Osim toga, potiče oslobađanje mRNA iz jezgra u citoplazmu i također je od suštinskog značaja za regulaciju translacije.

Mehanizmi spajanja: RNA autokataliza (Klag, 400)

Različiti tipovi nuklearne RNK, kao i mtx i chlp RNA, imaju svoje mehanizme spajanja.

U zavisnosti od specifičnosti mehanizma spajanja, introni se mogu podeliti u nekoliko grupa. Prvoj grupi To uključuje introne koji su dio primarnog rRNA transkripta, za čije uklanjanje nisu potrebne dodatne komponente. Ovi introni sami po sebi imaju enzimsku aktivnost neophodnu za njihovo izdvajanje. Ova činjenica je prvi put otkrivena 1982. godine (Tomas Cech et al.) kod bičastih protozoa Tetrachymena. Zbog svojih autokatalitičkih svojstava, RNK se ponekad nazivaju i samo-splajsajuće ribozimi .

Proces samorezivanja (autoescizija) (Sl. 145_Koničev)

(Sl. 12-12, Klag) predstavlja dvije nukleofilne reakcije, odnosno reakcije transesterifikacija, u kojem gvanozin stupa u interakciju s primarnim transkriptom i djeluje kao kofaktor. U ovom slučaju, 3"-hidroksilna grupa gvanozina se prenosi na nukleotid pored 5" kraja introna. U drugoj reakciji, ova hidroksilna grupa stupa u interakciju sa fosfatnom grupom na 3" kraju desnog introna, što rezultira izrezivanjem introna i spajanjem krajeva dva susjedna egzona kako bi se formirala zrela mRNA.

26S rRNA intron Tetrahimene, IVS, sastoji se od 413 nukleotida. Kao rezultat reakcije transesterifikacija bez dodatnog utroška energije, dva egzona su vezana kako bi se formirala zrela 26S rRNA. Izrezani intron se zatim ciklizira. Iz svog sastava, fragment koji sadrži 19 nukleotida oslobađa se autocepanjem u dva koraka, što rezultira formiranjem RNK dužine 376 nukleotida (L-19 IVS), što je pravi RNA enzim (ribozim), koji ima katalitička svojstva. Ovaj ribozim ima stabilnu strukturu, ima endonukleaznu aktivnost, cijepa dugu jednolančanu RNK i pokazuje specifičnost, prepoznajući CUCU tetranukleotide u sastavu napadnutog supstrata. U strukturi introni tipa I Identifikovane su karakteristične unutrašnje oligopurinske sekvence (u Tetrahymeni je to sekvenca GGAGGG), tzv. sekvence adaptera , koji učestvuju u formiranju aktivnog centra RNA enzima i igraju ključnu ulogu u katalitičkom cijepanju RNK.

Ova samoekscizija introna je karakteristična za pre-rRNA drugih protozoa. Ovaj mehanizam očigledno takođe funkcioniše tokom uklanjanja introna iz primarnih transkripata mRNA i tRNA u mitohondrije i hloroplaste, koji se odnose na grupa II.

Da izrežem introne druga grupa dvije autokatalitičke reakcije su također potrebne, ali gvanozin nije potreban.

Dalja istraživanja su otkrila da katalitičku aktivnost imaju ne samo velike RNK (~400 nukleotida u Tetrahimeni i RNazi P), već i kratki oligonukleotidi od 13-20 mera koji se mogu sintetizirati in vitro. Takvi ribozimi su se nazvali miniwinters . Jedan od modela funkcioniranja takvih ribozima koji je detaljno proučavan tzv "glava čekića (Sl. 146). Tercijarna struktura „glave čekića“ stabilizovana je jonima dvovalentnih metala, koji neutrališu negativno nabijene atome kiseonika fosfodiestarskih veza i istovremeno povezuju fosfatne grupe sa kovalentnim vezama, što je neophodno za formiranje stabilnog prelaznog stanja (enzim-supstrat). kompleks). Kao iu slučaju katalize koju provode proteinski enzimi, ribozimi i supstrat koji se napada

(prirodni ili sintetički proizvedeni RNA molekuli) formiraju kompleks enzim-supstrat, a zatim kompleks enzim-proizvod (vidi sliku 146).

Mehanizmi spajanja: spliceosom. (MRNA obrada kod eukariota)

U nuklearnim pre-mRNA, introni mogu biti dugi do 20.000 nukleotida. Stoga njihovo uklanjanje zahtijeva složeniji mehanizam od samoekscizije (autoekscizije). (Sl. 12-13). Nukleotidni nizovi na krajevima introna u ovim molekulima su slični: na krajevima od 5" često se nalazi dinukleotid (GU) GU, a na kraju od 3" nalazi se dinukleotid (AG) AG. Molekuli posebnih proteina vezuju se za ove sekvence i formiraju kompleks tzv splicome. Glavna komponenta spliceosoma je mali nuklearni ribonukleoproteini, ili snRNP, koji se nalaze samo u jezgru i obogaćeni su ostacima uridina. Stoga se male nuklearne RNK često označavaju U1, U2...U6.

[Koničev, str.292. U pre-mRNA spajanju

Kod viših eukariota uključen je niz proteina, kao i posebna vrsta RNK - mala nuklearna RNA (snRNA). Male nuklearne RNK imaju sekvence u rasponu od 65 do 1000 ili više nukleotida (10S-90S), bogate uridil nukleotidima, pa se stoga nazivaju i uRNA (Ul, U2, itd.). U kvascu je identifikovano 25 različitih snRNA, u kralježnjacima - 15. Kod kandžastih žaba Xenopus laevis, određeni broj snRNA (U3, U8, U14 i U22) uključen je u procesiranje ribosomskih RNK, vezujući se za granične regije razmakne sekvence (vidi sliku 143). Male nuklearne RNK su identificirane ne samo kod kralježnjaka i kvasca, već i kod insekata i arhibakterija. Vjerovatno su vrlo drevna grupa molekula. Nukleotidna sekvenca svih odgovarajućih uRNA

eukarioti se poklapaju za više od 90%, što se posebno odnosi na čovjeka i Drosophila U1. Visoka konzervativnost strukture uRNA sugerira da je spajanje vrlo drevni proces koji je započeo autospajsingom (vidi gore) i transformirao se u spajanje uz sudjelovanje posebnih ribonukleoproteinskih čestica - snRNP. SnRNA geni se transkribiraju pomoću RNA polimeraze II i imaju različite lokalizacije u genomu: neki od njih su diskretni nezavisni geni,

nemaju introne, dok se geni drugih snRNA nalaze unutar introna gena koji kodiraju proteine. Dakle, u Xenopusu U13 je kodiran sa tri jedinstvene sekvence koje se nalaze

introni 5, 6 i 8 gena proteina toplotnog šoka, a gen U16 se nalazi unutar introna ribosomalnog proteina L1. Ova posljednja okolnost je važna, jer pokazuje da se procesiranje rRNA i procesiranje mRNK ribosomalnih proteina može koordinirati uz učešće snRNK. osim toga,

sugeriraju da su snRNA sposobne da služe kao RNA pratioci, učestvujući u savijanju RNK, tj. pomažući joj da prihvati potrebnu strukturu u prostoru. Male nuklearne RNK prisutne su u jezgri u kompleksima s proteinima koji se nazivaju male ribonukleoproteinske čestice (snRNP). Stabilna komponenta snRNP je protein fibrilarin, vrlo strukturno konzervativan protein sa molekulskom težinom od 34 kDa, lokalizovan u nukleolima. Kompleks koji se sastoji od više snRNP-ova koji katalizuju spajanje nuklearnih pro-mRNA naziva se splicingosomes .]

Poznato je da snRNA tipa U 1 sadrži nukleotidnu sekvencu homolognu 5" kraju introna. Uparivanje ovih sekvenci dovodi do spajanja. Zatim joj se pridružuje snRNA tipova U2, U4, U5 i U6 i počinje spajanje. Kao iu slučaju introna prve grupe, dvije reakcije transesterifikacije. Z"- hidroksilna grupa adenina (A), lokalizovana u intronu, stupa u interakciju sa 5" mestom spajanja, presijecajući RNA lanac. Zatim nekoliko snRNP-ova formira međukompleks i počinje druga reakcija: slobodni kraj od 5" introna se povezuje sa adeninski ostatak. Kao rezultat, formira se karakteristična struktura laso tipa petlje koja sadrži izbrisani intron. Krajevi egzona se zatim ligiraju i snRNA kompleks oslobađa transkript .

[ Koničev, str.294. Interakcija različitih snRNA koje su dio spojenogosoma sa spojenom pre-mRNA na mjestima od 5" i 3" daje intronu strukturu nalik petlji. U ovom slučaju, krajevi egzona se približavaju jedan drugom, što je olakšano stvaranjem nekanonskih (različitih od Watson-Crick parova) vodikovih veza između dva gvanina sadržana u mjestima spajanja od 5" i 3" (vidi Sl. 148). Spajanje egzona stvara uslove za napad 3" kraja introna od strane adenil nukleotida koji se nalazi blizu 3" kraja. Kao rezultat rupture fosfodiestarske veze između eksona 1 i 5"-kraja introna, ovaj drugi stupa u interakciju sa adenil nukleotidom i formiranjem petlje tipa laso u intronu (vidi sliku 148_Koničev). ovo, oslobođeni 3"-OH kraj eksona 1 preseca 3"- mesto spajanja, odvaja intron i, povezujući se sa egzonom 2, na kraju formira zrelu (spojenu) mRNA molekulu ]

Neposredno nakon sinteze, primarni RNK transkripti, iz različitih razloga, još nemaju aktivnost, "nezreli su" i nakon toga prolaze kroz niz promjena koje se nazivaju procesiranje. Kod eukariota se obrađuju sve vrste pre-RNA u prokariota, samo rRNA i tRNA prekursora.

Messenger RNA prekursorska obrada

Prilikom transkripcije DNK dijelova koji nose informacije o proteinima, formiraju se heterogene nuklearne RNK, mnogo veće veličine od mRNA. Činjenica je da zbog mozaične strukture gena, ove heterogene RNK uključuju informativne (egzone) i neinformativne (introne) regije.

1. Spajanje splice- čeono lijepljenje) je poseban proces u kojem uz učešće male nuklearne RNK Introni se uklanjaju, a egzoni se zadržavaju.

Slijed događaja spajanja

2. Zatvaranje kapa– zaglavlje) – javlja se tokom transkripcije. Proces se sastoji od dodavanja 5" ugljika N 7-metil-gvanozina 5"-trifosfatu terminalnog nukleotida pre-mRNA.

"Cap" je neophodan za zaštitu molekule RNK od egzonukleaza koje djeluju sa 5" kraja, kao i za vezivanje mRNA za ribozom i za početak translacije.

3. Poliadenilacija– uz pomoć poliadenilat polimeraze pomoću ATP molekula, od 100 do 200 adenil nukleotida se vezuje za 3" kraj RNK, formirajući poliadenil fragment - poli(A) rep. Poli(A) rep je neophodan za zaštitu molekula RNK iz egzonukleaza, koji radi sa 3" kraja.

Šematski prikaz glasničke RNK nakon obrade

Obrada prekursora ribosomske RNK

Prekursori rRNA su veći molekuli u poređenju sa zrelim rRNA. Njihovo sazrijevanje se svodi na rezanje preribosomalne RNK na manje oblike, koji su direktno uključeni u formiranje ribozoma. Kod eukariota postoje četiri tipa rRNA − 5S-, 5.8S-, 18S- i 28S-rRNA. U ovom slučaju, 5S rRNA se sintetizira odvojeno, a velika preribosomalna 45S RNA se cijepa posebnim nukleaze sa formiranjem 5.8S rRNA, 18S rRNA i 28S rRNA.

Kod prokariota molekule ribosomske RNK imaju potpuno različita svojstva (5S-, 16S-, 23S-rRNA), što je osnova za pronalazak i upotrebu niza antibiotika u medicini.

Obrada prekursora transferne RNK

1. Modifikacija nukleotida u molekulu deaminacijom, metilacijom, redukcijom.
Na primjer, stvaranje pseudouridina i dihidrouridina.

Struktura modificiranih uridil nukleotida

2. Formiranje antikodonske petlje događa se spajanjem