§ 24. Транскрипция. Созревание РНК

Вам известно, что информация о первичной структуре белков, хранящаяся в молекулах ДНК, с помощью посредника — мРНК — передается к рибосомам. В этих органоидах и происходит синтез белков. Таким образом, реализация наследственной информации в клетке осуществляется в два этапа. Сначала информация о структуре белка копируется с ДНК на мРНК (транскрипция), а затем реализуется на рибосоме в виде конечного продукта — белка (трансляция). Это можно представить в виде схемы:

Транскрипция. Матрицей для синтеза молекулы мРНК служит определенный участок одной из цепей молекулы ДНК. Согласно принципу комплементарности порядок нуклеотидов в образующейся мРНК строго определен порядком нуклеотидов в цепи ДНК. По такому же принципу в клетках синтезируются и другие виды РНК. Синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы называется транскрипцией.

Этот процесс осуществляется с помощью фермента РНК-полимеразы. Каждый участок молекулы ДНК, на котором может происходить транскрипция, имеет так называемые промóтор и терминатор. Промотор представляет собой особую последовательность нуклеотидов, к которой присоединяется РНК-полимераза перед началом транскрипции. *Положение промотора в молекуле ДНК определяет, с какого именно нуклеотида должен начинаться синтез молекулы РНК.* Терминатор — это нуклеотидная последовательность, достигнув которой, РНК-полимераза завершает транскрипцию.

*Между промотором и терминатором располагается один или несколько генов: у эукариот чаще всего один, у прокариот — два или несколько (однако есть и исключения из этого правила). При этом большинство генов эукариот имеет прерывистое строение. Это значит, что в составе гена чередуются экзоны — участки, содержащие информацию о структуре белка (рРНК, тРНК), и интроны — участки, которые такой информации не содержат.*

*Для генов прокариот наличие интронов не характерно. Типичный прокариотический ген на всем своем протяжении кодирует определенный белок (рРНК, тРНК) и, образно говоря, представляет собой один непрерывный экзон.*

*Транскрипция, так же как и репликация, включает три этапа: инициацию, элонгацию и терминацию. Инициация (запуск) транскрипции заключается в том, что РНК-полимераза распознает промотор и связывается с ним. После присоединения фермента происходит локальное раскручивание двойной спирали ДНК, и ее комплементарные цепи на этом участке отделяются друг от друга.

Далее РНК-полимераза начинает движение вдоль молекулы ДНК (рис. 24.1). При этом в качестве матрицы для синтеза РНК фермент использует лишь одну цепь молекулы ДНК. Эта цепь называется транскрибируемой (в отличие от второй цепи — нетранскрибируемой). РНК-полимераза считывает последовательность нуклеотидов транскрибируемой цепи только в направлении 3' → 5'. При этом синтез молекулы РНК осуществляется антипараллельно, т. е. от 5'-конца к 3'-концу.*

*Как и в случае репликации, материалом для построения полинуклеотидной цепи служат не собственно нуклеотиды, а богатые энергией нуклеозидтрифосфаты. РНК-полимераза последовательно присоединяет их к 3'-концу синтезируемой РНК. В ходе присоединения происходит отщепление от нуклеозидтрифосфатов «лишних» фосфатных групп. При этом высвобождается энергия, необходимая для протекания реакции, и нуклеозидтрифосфаты становятся нуклеотидами растущей цепи РНК. Так происходит элонгация (удлинение, наращивание) молекулы РНК.*

Поскольку матрицей при транскрипции служит участок транскрибируемой цепи ДНК, синтезируемая молекула РНК будет комплементарной ему. Например, если участок транскрибируемой цепи ДНК содержит последовательность нуклеотидов 3'ТАЦАГЦ5', то в соответствующем ему фрагменте молекулы РНК порядок нуклеотидов будет таким: 5'АУГУЦГ3' (вспомните, что в состав нуклеотидов РНК вместо тимина входит урацил). Так в ходе транскрипции генетическая информация «переписывается» с ДНК на РНК.

Когда РНК-полимераза достигает терминатора, происходит *терминация* (остановка) транскрипции: фермент отделяется от молекулы ДНК и освобождает синтезированную РНК.

В клетке процесс транскрипции может одновременно протекать как на разных молекулах ДНК (хромосомах), так и на различных участках одной и той же молекулы.

*Созревание РНК. Молекулы РНК, образовавшиеся при транскрипции (первичные транскрипты), далее подвергаются определенным изменениям — так называемому процессингу, т. е. созреванию. В результате процессинга первичные транскрипты становятся зрелыми молекулами РНК, способными выполнять свои функции.

Исключение составляют мРНК прокариот. Сразу же после транскрипции они могут служить матрицами для синтеза белков в рибосомах. Более того, синтез белка с 5'-конца бактериальных мРНК в ряде случаев начинается еще до терминации транскрипции, т. е. до завершения синтеза их 3'-конца. Если участок молекулы ДНК, кодирующий бактериальную мРНК, содержал не один, а несколько генов (что, как уже отмечалось, типично для прокариот), то синтезированная молекула мРНК будет являться матрицей для синтеза нескольких разных белков.

Другие виды РНК прокариот (рРНК, тРНК) и все виды РНК эукариот, образующиеся в ядре клетки, претерпевают ряд последовательных модификаций. Рассмотрим это на примере процессинга мРНК эукариот.

Как вы знаете, для ядерных организмов характерно прерывистое строение генов. В процессе транскрипции РНК-полимераза по принципу комплементарности «переписывает» на молекулу РНК нуклеотидную последовательность как экзонов, так и интронов. Образовавшийся таким образом первичный транскрипт будущей мРНК называют пре-мРНК. Одним из важных этапов ее созревания является сплайсинг (от англ. splice  — сращивание) — вырезание участков, соответствующих интронам, и соединение в одну непрерывную последовательность участков, комплементарных экзонам (рис. 24.2). Этот процесс протекает в ядре клетки и катализируется сплайсосомами — особыми комплексами, состоящими из молекул РНК и белков. В результате сплайсинга длина созревающей РНК по сравнению с первичным транскриптом уменьшается.*

*Процессинг мРНК эукариот, кроме сплайсинга, включает и другие этапы. Так, к 5'- и 3'-концам молекулы РНК добавляются особые нуклеотидные последовательности. Они не содержат информацию о структуре белка, а выполняют другие функции. Например, 5'-концевая последовательность обеспечивает правильное связывание зрелой мРНК с рибосомой.*

*В результате процессинга образуется зрелая матричная РНК. В ядре клетки она взаимодействует со специальными белками и с их помощью через поры в ядерной мембране переносится в цитоплазму.*