Курсовая работа - Малая ядерная РНК
Подождите немного. Документ загружается.
Московский Педагогический Государственный Университет
Биолого-химический факультет
Курсовая работа по биохимии на тему:
«Малая ядерная РНК».
Выполнила студентка
3 курса, 4гр., 9 п/гр.,
Суходольская Евгения.
Научный руководитель:
Проф. Егорова Т. А.
Москва, 2009
Содержание.
Введение…………………………………………………………………...3
РНК – фермент…………………………………………………………….4
«Разорванные гены». Созревание мРНК………………………………...5
Механизм сплайсинга. Роль мяРНК……………………………………..6
Альтернативный регулируемый сплайсинг…………………………….18
Созревание рРНК. мяоРНК………………………………………………23
Созревание тРНК………………………………………………………….26
Заключение………………………………………………………………..28
2
Введение.
Молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК хранят в себе генетическую
информацию, необходимую для существования и размножения живой
клетки. Белки же выступают в роли действующего начала: молекулы белков-
ферментов катализируют тысячи химических реакций, протекающих в
клетке. Еще недавно такое «разделение труда» между информационными и
действующими молекулами считалось одним из основополагающих
принципов биохимии. Однако в последние несколько лет эта схема была
пересмотрена в связи с открытием того, что РНК может выступать в качестве
фермента.
Долгое время считалось, что катализаторами всех реакций в живой клетке
служат только белки — ферменты. Открытие того, что РНК может
катализировать разрезание и сшивание самой себя, т. е. созревание,
опровергает универсальность этого принципа, а также проливает свет на
ранние этапы эволюции. Изучение компонентов процесса созревания РНК
имеет очень важное значение, так как активность генов может
регулироваться не только в результате изменения интенсивности
образования РНК (транскрипции генов), но и благодаря контролю за
созреванием РНК (информационных, рибосомных, транспортных и др.),
претерпевающих в ядре сложные превращения. Становится очевидным, что
странная на первый взгляд прерывистая структура генов не только
обеспечивает тонкую регуляцию их активности, но и способствует
экономному, эффективному использованию информации, закодированной в
нуклеотидной последовательности ДНК.
3
РНК – фермент.
Каталитическая активность РНК была открыта в 1981 — 1982 гг., когда
Томас Р. Чек и его коллеги изучали РНК из одноклеточного организма
Tetrahymena thermophila, относящегося к типу простейших. К своему
изумлению, они обнаружили, что эта РНК может катализировать разрезание
и сплайсинг самой себя, в результате чего из нее выщепляется небольшой
фрагмент. Если забыть, что РНК не белок, РНК тетрахимены удовлетворяет
классическому определению фермента. От «настоящих» ферментов она
отличается только тем, что белки-ферменты катализируют реакции,
протекающие между другими молекулами, в то время как эта РНК
катализирует собственные метаморфозы. Поэтому для ферментоподобных
молекул РНК был предложен термин «рибозим» (от англ. RIBOnucleic
enZYME).
Почему в биологических системах столь необходимы катализаторы?
Потребность в них проистекает в основном из свойств химических
соединений, составляющих живой организм. Молекулы, принимающие
участие в клеточных процессах, обычно относительно стабильны и без
воздействия извне неохотно вступают в химические реакции. Ферменты
ускоряют эти реакции, так что они осуществляются за времена, соизмеримые
со временем жизни клетки. Заметим, что с такой работой белки справляются
превосходно. Обычно белковый фермент ускоряет катализируемую им
реакцию в 10
6
— 10
12
раз; причем белки являются истинными
катализаторами: после завершения реакции белковый фермент остается в той
же форме, в какой вступил в нее.
В общем-то понятно, почему представление о том, что любой фермент
является белком, прочно утвердилось в умах ученых, изучающих клетку. За
десятилетия, прошедшие после того, как в 1926 г. Дж. Самнер из
Корнеллского университета впервые выделил в чистом виде фермент —
уреазу, участвующую в расщеплении мочевины, сотни ферментов были
получены в индивидуальном виде. И во всех случаях фермент оказывался
белком — цепочкой аминокислот, свернутой в пространстве определенным
образом. В ходе исследований ферментов многое стало известно об их
действии. Было обнаружено, что каждый фермент катализирует только одну
биохимическую реакцию или группу очень сходных реакции. Такая
исключительная специфичность обеспечивается пространственной укладкой
аминокислотной цепи, придающей белку трехмерную структуру,
необходимую для участия в данном химическом взаимодействии.
В 30 - 40-е годы активно изучалась «ферментативная» сторона жизни клетки,
а изучение информационного аспекта в то время сильно отставало. Первый
успех в этой области пришел в 1944 г., когда О. Эйвери и его коллегам из
Рокфеллеровского института медицинских исследований удалось показать,
что ДНК способна передавать генетическую информацию. Следующим
большим достижением было установление структуры ДНК (это сделали в
1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик).
4
Вскоре после того, как стали понятны структура и значение ДНК,
выяснилось, что РНК выполняет ключевые функции в передаче генетической
информации от ДНК к белку. Сначала последовательность нуклеотидов ДНК
копируется, что осуществляется в процессе транскрипции; в результате этого
синтезируется матричная РНК (мРНК), последовательность нуклеотидов
которой соответствует исходной ДНК. Матричная РНК связывается с
рибосомой, где на ней, как по программе, собирается молекула белка.
Передача генетической информации - только одна из функций РНК. В состав
самой рибосомы также входит несколько молекул РНК (рРНК). Другие
небольшие молекулы РНК, называемые транспортными (тРНК), участвуют в
присоединении в нужном порядке аминокислот к растущей цепи белка. В
конце 70-х годов роль мРНК, рРНК и тРНК была уже давно известна и
казалось, что у РНК не осталось больше никаких тайн. Но это лишь казалось.
«Разорванные гены». Созревание мРНК.
В 1977 г., к удивлению всего научного мира, да и к своему собственному, две
группы исследователей — Ф. Шарп с коллегами в Массачусетском
технологическом институте и группа сотрудников Колд-Спринг-Харборской
лаборатории — открыли, что у высших организмов гены «разорваны».
Оказалось, что кодирующие белок последовательности прерываются
вставками, которые не кодируют белок и при созревании молекулы
удаляются из предшественника РНК. Эти участки были названы интронами.
Участки РНК, ковалентно соединяющиеся друг с другом и сохраняющиеся в
составе зрелой РНК, называют экзонами. Зрелая информационная РНК,
содержащая экзоны, транслируется в цитоплазме с участием рибосом.
Оказалось, что экзон-интронная структура генов эукариот является скорее
правилом, а гены без интронов - немногочисленными исключениями. Гены
бактерий обычно не содержат экзонов. Экзоны включают
последовательность нуклеотидов, содержащую следующие друг за другом
кодоны (нуклеотидные триплеты), определяющие положение аминокислот в
белке. Молекулы РНК, как и комплементарные нити двойной спирали ДНК,
полярны, различают 5'- и 3'-концы молекулы. Участки экзонов или даже
отдельные целые экзоны, располагающиеся на 5'- и 3'-концах молекулы
информационной РНК, могут не использоваться при трансляции, они не
кодируют аминокислоты.
В процессе созревания (процессинга) мРНК проходит следующие этапы:
1) кэпирование – химическая модификация 5'-концевой последовательности
мРНК, в результате которой происходит навешивание специальной
нуклеотидной структуры - "шапочки";
2) сплайсинг (от англ. to splice – соединять концы) – удаление
некодирующих интронных последовательностей из мРНК и сшивание
экзонов. РНК-предшественник может содержать один-два или десятки
интронов, размеры которых сильно варьируют (от 50 до нескольких тысяч
нуклеотидов). В результате удаления интронов РНК укорачивается. Поэтому
длина РНК-предшественника (тысячи и десятки тысяч нуклеотидов) часто в
5
несколько раз превосходит длину информационной РНК. Сплайсинг РНК
происходит в ядре по мере образования (транскрипции) РНК на ДНК-
матрице;
3) полиаденилирование – химическая модификация 3'-концевой
последовательности мРНК, в результате которой происходит присоединение
к хвосту молекулы остатков адениловой (А) кислоты (рис. 1).
Рис.1. Биогенез мРНК у эукариот.
В осуществлении каждого из указанных процесов специфическое участие
принимает ряд белков и нуклеиновых кислот, хотя конкретные
молекулярные механизмы этих превращений еще не полностью раскрыты.
Все три указанных процесса имеют важное значение в формировании зрелой
молекулы мРНК. Однако наибольший интерес исследователи проявляют к
выяснению молекулярного механизма сплайсинга, который должен
обеспечить, во-первых, постепенное и высокоточное вырезание интронов из
первичного транскрипта и, во-вторых, сшивание образующихся фрагментов –
экзонов – «конец в конец». Любые отклонения или смещения границ в
процессе вырезания интронов и сшивания экзонов даже на один нуклеотид
могут привести не только к глубокому искажению смысла в кодирующих
последовательностях, но и к нарушению передачи генетической информации
и развитию патологии.
Механизм сплайсинга. Роль мяРНК.
Существует несколько разновидностей сплайсинга. Наиболее
распространенный тип – это вырезание интронов с помощью комплекса
белков и особой группы клеточных РНК, названных малыми ядерными РНК
(мяРНК). мяРНК транскрибируются с помощью РНК-полимеразы II.
Выделено и охарактеризовано 5 групп богатых уридином мяРНК,
6
соответственно обозначаемых U1, U2, U4, U5 и U6, размерами от 100 до 200
нуклеотидов. Комплексы мяРНК и белков, названные малыми ядерными
нуклеопротеинами (мяРНП), объединяются в единую систему –
сплайсосому, координирующую весь процесс сплайсинга (рис.2). Эти
небольшие РНК, связанные с белками имеют ряд особенностей. Молекулы
мяРНК становятся активными только после того, как они побывают в
цитоплазме, где происходит химическая модификация их 5'-концов, которые
закрываются кепом, причем в отличии от мРНК остаток гуанозина на 5’-
конце не моно-, а триметилирован (по N7 и дважды по N2). Кроме того,
мяРНК как правило содержат Sm последовательность, к которой
присоединяется набор из семи Sm белков. Эти маркеры мяРНК нужны для
направленного транспорта их в ядро и прикрепления к фосфорилированной
форме CTD РНК полимеразы II, которая служит площадкой для
присоединения аппарата созревания. Предполагают, что мяРНК соединяются
с обеими концами интрона, способствуя формированию специфической
конформации, необходимой для узнавания ее участвующими в процессе
ферментами, сближению двух экзонов, удалению интронов и воссоединению
кодирующих экзонов.
Рис.2. Схема мяРНП и сплайсосомы.
Как белки и РНК, осуществляющие сплайсинг, узнают какой фрагмент пре-
мРНК нужно вырезать? И у дрожжей и у высших эукариот есть
консервативные последовательности, определяющие границы интронов - GU
на 5’- конце и AG на 3’- конце (рис. 3). Выделяют три функционально
важных участка пре-мРНК, участвующие в сплайсинге: 5’-место сплайсинга
(5’SS), 3’- место сплайсинга (3’SS) и место разветвления(BS), содержащее в
7
нуклеотидной последовательности A (аденин), который не образует пары с
U и, следовательно, не входит в состав двойной спирали в результате
взаимодействия с мяРНК. Поэтому этот А обладает особой реакционной
способностью. На первой стадии 2’-гидроксил аденозина места разветвления
атакует фосфодиэфирную связь 5’SS. В итоге этой атаки образуется
структура “лассо” и свободный 3’-гидроксил 5’-концевого экзона. Во время
второй стадии этот 3’-гидроксил атакует 3’SS. В результате экзоны
оказываются ковалентно соединенными обычной межнуклеотидной связью, а
интрон уходит в виде структуры “лассо”.
Рис. 3. Нуклеотидные последовательности,
определяющие границы интронов. Схема изменения
ковалентных связей при вырезании интрона.
8
Как же и в какой последовательности узнаются места сплайсинга и
разветвления? Сначала U1 мяРНП узнает 5’-место сплайсинга, а возможно и
3’-место сплайсинга (рис. 4). Место разветвления узнается белком SF1 (на
рисунках в скобках представлены названия соответствующих белков в
дрожжах), а полипиримидиновая последовательность, предшествующая 3'SS
- гетеродимером U2AF. При этом образуется комплекс CC (commitment
complex) – комплекс определяущий вырезание данного интрона.
Рис. 4. Первичное узнавание интрона: образование комплекса CC.
9
На следующем этапе комплекс CC переходит в комплекс A (рис. 5). Белок
SF1 вытесняется с помощью UAP56 и с местом разветвления связывается U2
мяРНП. В самом U2 мяРНП фрагмент U2 мяРНК, комплементарный BS,
освобождается от белка SAP61. Связыванию U2 РНП помогает белок U2AF.
Рис. 5. Образование комплекса A: присоединение U2 мяРНП.
10