Учебное пособие Якупов Т. Р. Молекулярная биотехнология Биоинженерия Казань 2016

Реализация генетической информации в клетке
Сложившиеся представления о переносе генетической информации по схеме ДНК → РНК → белок принято называть «центральной догмой» молекулярной биологии. Наряду с этим направлением переноса, который иногда обозначают как «общий перенос», известна и другая форма реализации генетической информации, обнаруженная у РНК-содержащих вирусов. В этом случае наблюдается процесс, получивший название обратной транскрипции, когда вирусная РНК, проникшая в клетку-хозяина, служит матрицей для синтеза комплиментарной ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы). Следовательно, генетическая информация осуществляется по схеме РНК → ДНК → РНК → белок.
Первым этапом общего переноса генетической информации является транскрипция, которую можно приставить как процесс биосинтеза молекул иРНК (мРНК) по принципу комплиментарности на основе отдельного гена.
Поскольку структурные гены эукариот имеют прерывистое (мозаичное) строение, то их транскрипция имеет специфические особенности, отличающие ее от транскрипции у прокариот. Процесс начинается с транскрибирования всей нуклеотидной последовательности, содержащей как экзонные, так и интронные участки ДНК. Следовательно, образовавшаяся при этом молекула мРНК отражает структуру всего мозаичного гена. Её называют проматричная РНК (про-мРНК), которая затем претерпевает процесс созревания (процессинг мРНК).
Процессинг состоит в ферментативном разрезании первичного транскрипта с последующим удалением его участков соответствующих интронам и воссоединением (сплайсингом) участков комплементарных экзонам, формируя, таким образом, непрерывную кодирующую последовательность зрелой мРНК. Во время процессинга происходит также модификация 5'-и 3'-концов формирующейся молекулы мРНК. Принципиальный смысл этого процесса можно рассмотреть на схемах процессинга гена β-глобина человека.

Рис.6. Процессинг мРНК β-глобинового гена человека
Энхансеры представляют собой протяженные последовательности нуклеотидов, которые содержат сайты связывания нескольких факторов транскрипции. Энхансер увеличивает эффективность транскрипции гена в десятки и сотни раз. Характерными свойствами энхансера являются его способность осуществлять регуляторное действие на промотор на больших расстояниях от него и вне зависимости от ориентации по отношению к направлению транскрипции гена.
Кэп (от англ, cap-колпачок, шапочка) - представляет собой остаток 7-метилгуанозина, присоединенный к соседнему нуклеотиду с помощью 3^/ фосфатной связи. Предполагается, что основная функция кэпа связана с узнаванием специфической последовательности молекулы рРНК, входящей в состав рибосомы, что обеспечивает точное прикрепление молекулы мРНК к определенному участку этой рибосомы и инициацию процесса трансляции. Возможно также, что кэп предохраняет мРНК от преждевременного ферментативного разрушения во время ее транспортировки из ядра в цитоплазму клетки.
Со стороны 3' конца мРНК имеется полиадениловый (поли А) «хвост», состоящий из 100-200 последовательно соединенных остатков адениловой кислоты. Предполагается, что поли А «хвост» обеспечивает транспорт мРНК к рибо-соме, защищая ее от ферментативного разрушения, но сам при этом постепенно разрушается ферментами цитоплазмы.
Следующим этапом реализации генетической информации является трансляция, суть которой заключается в синтезе полипептида на рибосоме, при котором в качестве матрицы используется молекула мРНК.
Трансляцию можно представить как процесс перевода «нуклеотидного языка» иРНК на «аминокислотный язык» полипептидной цепи молекулы белка. Происходит данный процесс благодаря тому, что в нуклеотидной последовательности мРНК имеются кодовые «слова» для каждой аминокислоты – генетический код. Каждое последовательное тройное сочетание нуклеотидов кодирует одну аминокислоту – кодон. Генетический код состоит из 64 кодонов.
Как и транскрипция, процесс трансляции условно подразделяется на три основные стадии — инициацию, элонгацию и терминацию.
Инициация трансляции обеспечивается соединением молекулы мРНК с определенной областью малой субъединицы диссоциированной рибосомы и формированием инициирующего комплекса. Процесс элонгации непосредственно связан с большой субъединицей рибосом, которая имеет специфические участки (центры) – А (аминокислотный), Р (пептидильный) и начинается с образования пептидной связи между инициирующей (первой в цепочке) и последующей (второй) аминокислотами. Затем происходит перемещение рибосомы на один триплет мРНК в направлении 5'→ 3', что сопровождается отсоединением инициирующей тРНК от матрицы (мРНК), а также от инициирующей аминокислоты и выходом ее в цитоплазму. При этом вторая по счету аминоацил-тРНК передвигается из A-участка в Р-участок, а освободившийся А -участок занимается следующей (третьей по счету) аминоацил-тРНК. Процесс последовательного передвижения рибосомы «триплетными шагами» по нити мРНК повторяется, сопровождаясь освобождением тРНК, поступающих в Р-участок, и наращиванием аминокислотной последовательности синтезируемого полипептида.
Терминация трансляции связана с вхождением одного из трех известных стоп-триплетов мРНК в А-участок рибосомы. Поскольку такой триплет не несет информации о какой-либо аминокислоте, но узнается соответствующими белками терминации, то процесс синтеза полипептида прекращается и он отсоединяется от матрицы (мРНК).
Посттрансляционная модификация полипептида представляет собой завершающий этап реализации генетической информации в клетке, приводящий к превращению синтезированного полипептида в функционально активную молекулу белка. При этом первичный полипептид может претерпевать процессинг, состоящий в ферментативном удалении инициирующих аминокислот, отщеплении других (ненужных) аминокислотных остатков и формирование уровней структурной организации и др.