Курсовая работа - Малая ядерная РНК

Подождите немного. Документ загружается.

хромосомами образуется достаточное количество белка, кодируемого генами

Х-хромосомы, который активирует промотор главного гена. Транскрипция

главного гена начинается с промотора 1 (на рис. 13 не показан). У самцов с

одной Х-хромосомой количество белка недостаточно, чтобы запустить

главный ген. В результате сплайсинга транскрипта главного гена образуется

РНК 1, содержащая экзоны 1, 4, 5, 6, 7 и 8. В этом случае потенциальные

экзоны 2 и 3 не входят в состав мРНК. Эти события происходят на самых

ранних стадиях развития эмбриона. Немного позднее ген 1 начинает

транскрибироваться как у самок, так и у самцов с использованием другого

промотора 2, лежащего левее. В этом случае 5'-конец РНК-предшественника

будет удлинен, в результате чего экзон 1 сплайсируется иным путем и

становится короче в РНК 1а и 1б по сравнению с РНК 1. Белок 1,

образующийся при трансляции РНК 1, является регуляторным белком

сплайсинга, отсутствующим у самцов. Этот белок направляет сплайсинг у

самок с образованием зрелой РНК 1а, содержащей фрагмент экзона 1, к

которому пришиваются последующие экзоны: 2-4-5-6-7-8. Белок,

определяющий такой характер альтернативного сплайсинга, отсутствует у

самцов. В результате в ядрах клеток развивающегося эмбриона, обладающего

только одной Х-хромосомой, предшественник РНК созревает с образованием

РНК 1б, включающей экзон 3.

Регуляторный белок 1 сплайсинга, образовавшийся у самок на РНК1,

позволяет машине сплайсинга "узнавать" в клетках самок экзон 3 как интрон

и удалять его с образованием РНК1 и РНК1а. Оказывается, экзон 3 содержит

так называемый стоп-кодон, который не кодирует аминокислоты и

останавливает рост полипептидной цепи белковой молекулы. В результате

синтез белка на РНК 1б если и начнется, то быстро оборвется с образованием

очень короткого, распадающегося белкового фрагмента. Таким образом,

"самцовый" тип сплайсинга приводит фактически к инактивации гена,

поскольку ген не способен кодировать образование функционирующей

белковой молекулы. Следовательно, результатом альтернативного

сплайсинга может быть не только образование изоформ белков, кодируемых

одним геном, но и инактивация гена ("главного гена" у самцов). Белок 2,

образующийся у самок, не только постоянно направляет ход сплайсинга с

образованием РНК 1а, но и регулирует созревание РНК 2, содержащей

экзоны 1-2-3. Эта РНК 2 образуется уже на другом гене, входящем в систему

генов определения пола у дрозофилы. У самцов образуется несколько иной

вариант РНК 2 - РНК 2а, включающая несколько увеличенный экзон 2. Этот

фрагмент экзона у самок узнается как интрон. Опять "самцовая" часть экзона

2 содержит стоп-кодон, останавливающий трансляцию, тогда как у самок

образуется активный белок 3, приводящий к образованию РНК 3,

включающей экзоны 1-2-3-4. При отсутствии белка 3 предшественник РНК 3

в ядрах клеток самцов "сплайсируется" таким образом, что

последовательность, соответствующая экзону 4 самок, выглядит как интрон,

а к экзону 3 пришиваются экзоны 5 и 6. На этот раз РНК 3а (экзоны 1-2-3-5-

6) у самцов, кодируемая геном "двойной пол", не содержит вредных стоп-

кодонов, она кодирует функциональный белок. Мишенями действия

регуляторных белков, синтезированных на матричных РНК 3 и 3а, являются

гены, дальнейшая работа которых полностью исключает соответственно

развитие самца или самки (рис. 13). Отметим, что, несмотря на вариации в

характере сплайсинга, всегда по краям интронов должны находиться

упомянутые выше канонические нуклеотидные последовательности,

используемые при катализе того или иного пути сплайсинга. Мы проследили

каскад регулируемых событий альтернативного сплайсинга. У самцов он

дважды приводил к образованию дефектной мРНК, не способной кодировать

достаточно длинный и функционирующий белок. У самок наблюдается

последовательное, поэтапное образование матриц РНК для кодирования

белка, регулирующего транскрипцию и/или ход событий альтернативного

сплайсинга.

Примеры альтернативного сплайсинга новообразованной РНК показывают,

как в конечном счете окупаются затраты, в том числе энергетические,

идущие на синтез избытка участков РНК, которые затем удаляются и не

используются для синтеза белка. Альтернативный сплайсинг обеспечивает

регуляцию работы гена, дифференцировку тканей и развитие организма.

Однако биологическая роль прерывистой экзон-интронной структуры генов и

роль интронных последовательностей на этом не заканчивается. Недавно

было обнаружено, что вырезаемые интроны могут быть предшественниками

особых малых ядерных РНК, участвующих в созревании рРНК.

Созревание рРНК. мяоРНК.

Рибосомные РНК синтезируются в виде большого предшественника. Этот

предшественник нарезается на зрелые молекулы рРНК с помощью эндо- и

экзонуклеаз. Кроме того, отдельные нуклеотиды рРНК модифицируются.

Предшественник рРНК прокариот содержит фрагменты, соответствующие

16S, 23S и 5S рРНК. Как правило, в этом транскрипте содержатся также

несколько пре-тРНК. Большие рибосомальные РНК образуют домены

подобного транскрипта. Их 5’ и 3’-концы сближены за счет

комплементарности прилегающих участков РНК. Такая двухцепочечная

структура разрезается РНКазой III, а оставшиеся несколько лишних

нуклеотидов отрезаются экзонуклеазами. Модификация оснований рРНК

проводится набором ферментов, причем один фермент может

модифицировать от 1 до 3 нуклеотидных остатков.

Рис.14. Схема процесса разрезания предшественника рРНК эукариот.

У эукариот созревание также включает в себя разрезание предшественника

(рис. 14), причем кроме 18S, 28S, и 5S рРНК появляется еще и 5.8S рРНК.

Кроме различных эндо- и экзонуклеаз, в созревании принимают участие

малые ядрышковые РНК (мяоРНК). Эти РНК локализованы

преимущественно в ядрышке – участке ядра, где происходит транскрипция

генов рРНК и сборка пре-рибосом.

Если нарезание предшественника рРНК, в общем, сходно у про- и эукариот,

то система модификации оснований рРНК у эукариот уникальна. В отличии

от прокариот, у высших организмов модифицировано гораздо больше

нуклеотидных остатков рРНК. Среди модификаций подавляющее

большинство это псевдоуридилирование и 2’-O-метилирование рибозы.

Невозможно представить, чтобы модификации всех этих остатков

осуществлялись каждая своим ферментом.

Оказалось, что в ядрышке, помимо мяоРНК, участвующих в разрезании пре-

рРНК, существует множество других мяоРНК. Эти небольшие РНК можно

разделить на 2 класса: C/D и H/ACA (рис. 15).

Рис. 15. Свойства мяоРНК различных классов.

МяоРНК обоих классов транскрибируются РНК пролимеразой II, но не как

самостоятельные гены, а в интронах других генов. Часто мяоРНК входят в

состав интронов мРНК рибосомных белков. Есть случаи, когда единственной

функцией некоторых генов служит производство мяоРНК, содержащихся в

интронах. При этом открытая рамка считывания зрелой мРНК прервана

многочисленными стоп-кодонами и не кодирует какого-либо белкового

продукта.

Характерная особенность мяоРНК – короткие участки комплементарности

различным областям рРНК. У РНК C/D класса эта область

комплементарности более 10 нуклеотидов, а у H/ACA – меньше. С каждым

классом мяоРНК связан свой набор белков. мяоРНП C/D класса

осуществляют 2’-O-метилирование, а H/ACA – псевдоуридилирование рРНК.

Структура мяоРНК представлена на рисунке 17. 5’- и 3’-концы C/D мяоРНК

спарены. Следом расположены две консервативные последовательности

нуклеотидов, из-за которых этот класс и получил свое название. Сразу за D

последовательностью идет участок комплементарности рРНК. Третий

нуклеотид рРНК от участка начала комплементарности 2’-O-метилируется. У

H/ACA мяоРНК также имеется две консервативные последовательности,

давшие название этому классу. Нуклеотиды, комплементарные рРНК

располагаются в двух внутренних шпильках. Остаток уридина в положении,

отмеченном на рисунке 16, изомеризуется в псевдоуридин.

Рис. 16. Модель структуры комплексов

мяоРНК-рРНК, в которых происходит

модификация нуклеотидов.

С помощью мяоРНК эукариотические организмы решают проблему

специфичной модификации остатков рРНК, без привлечения огромного

числа специфичных ферментов. Кстати, малые РНК, подобные мяоРНК

участвуют в модификации малых ядерных РНК.

Созревание тРНК

Предшественник тРНК содержит дополнительный фрагмент на 5’-конце

(рис. 17). Этот фрагмент отрезается РНКазой P – рибонуклеопротеином,

основную каталитическую роль в котором играет РНК. РНК-компонент

РНКазы P это рибозим. Белок (или, в случае эукариот, белки) в РНКазе P

играет лишь структурную роль. Также, как и для других рибозимов, РНК

РНКазы P имеет сильную вторичную структуру. В бактериальной РНКазе P

есть участок, комплементарный CCA концу тРНК. Эукариотическая РНКаза

P узнает другие элементы предшественника тРНК.

Рис. 17. Модель вторичной и третичной структур

бактериальной РНКазы P и ее субстрат –

предшественник тРНК.

Формированием 3’-конца молекулы тРНК занимаются несколько белков –

РНКаз. Кроме того, особый фермент – тРНК нуклеотидилтрансфераза

достраивает CCA хвост тРНК, если он был утрачен. У эукариот CCA

последовательность вообще не кодируется в генах тРНК, а добавляется пост-

транскрипционно.

В тРНК эукариот, например дрожжей, есть интроны. В отличии от интронов,

встречающихся в мРНК, они не ограничены какими-либо консервативными

последовательностями и встроены в строго определенный участок тРНК –

антикодоновую петлю (рис. 18).

Рис. 18. Сплайсинг пре-тРНК дрожжей.

Предшественник тРНК имеет в районе антикодоновой шпильки

симметричную структуру, узнающуюся димером специфической

эндонуклеазы. Эта нуклеаза вырезает интрон, оставляя фосфат на 3’-конце

5’-концевого фрагмента. Для успешного лигирования фрагментов тРНК,

необходим 3’-гидроксил и 5’-фосфат. Чтобы достичь этого, ферменты,

осуществляющие сплайсинг тРНК, сначала переносят фосфат с 3’-положения

на 2’. Затем проводится фосфорилирование 5’-гидроксила. После

лигирования образуется ковалентно замкнутая тРНК, содержащая

дополнительный фосфат, присоединенный к 2’-OH. Он удаляется

фосфатазой.

Заключение.

В заключении хотелось бы выделить основные положения, которые показал

анализ литературных данных.

1. Главной функцией мяРНК является участие в процессе "созревания"

клеточных РНК.

2. Процесс "созревания" клеточных РНК сопровождается химическими

модификациями РНК-предшественника и укорочением его размеров.

Созревание представляет собой регулируемый многостадийный путь, по ходу

которого осуществляется взаимодействие новообразованного предшественника

РНК с белками и другими РНК, обеспечивающими в конце концов образование

функционально активной молекулы РНК. Регуляция процесса созревания РНК -

это способ регуляции активности гена, кодирующего данную молекулу РНК.

3. При созревании информационной РНК имеет место каталитический

процесс удаления из РНК интронов и объединения экзонов, кодирующих

отдельные участки белка. Совокупность этих химических реакций носит

название сплайсинга. Сплайсинг проходит в специальной внутриядерной

многокомпонентной структуре - сплайсосоме, включающей десятки белков и

набор так называемых малых ядерных РНК, обеспечивающих сплайсинг.

4. Молекулярный механизм сплайсинга осуществляется благодаря

комплементарным взаимодействиям нуклеотидов РНК-предшественника и

малых ядерных РНК. Эти взаимодействия играют первостепенную роль в

катализе сплайсинга. Образующиеся сложные структуры определяют точность

сплайсинга. Кроме того, велика роль белков, способных специфично "узнавать"

не только участки РНК, но и друг друга. Сплайсинг определяется

последовательными упорядоченными взаимодействиями компонентов машины

сплайсинга с предшественниками РНК. Исследование молекулярных

механизмов сплайсинга показывает, что каталитическая активность,

определяющая удаление интронов и объединение экзонов, может иметь место и

при отсутствии белков, то есть определяться взаимодействиями участков РНК,

приводящих как к разрыву, так и к воссоединению межнуклеотидных связей.

Нарушение точности сплайсинга при образовании информационных РНК,

вызванное мутацией, может препятствовать трансляции и образованию белка.

5. Многокомпонентность машины сплайсинга позволяет регулировать

образование мРНК за счет изменения концентраций отдельных компонентов

или химической модификации, меняющей биологическую активность молекул,

определяющих сплайсинг.

6. Изменение характера сплайсинга экзонов в разных тканях одного и

того же РНК-предшественника может приводить к образованию разных РНК,

содержащих разные наборы экзонов (альтернативный сплайсинг). В результате

РНК, транскрибируемые с одного гена, будут кодировать белки с разными

свойствами. Выбор путей сплайсинга РНК-предшественника - это способ

регуляции активности генов в разных клетках и тканях организма.

Список используемой литературы.

1. Гвоздев В.А. Механизмы регуляции активности генов в процессе

транскрипции // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 2. С.

22-31.

2. Велц Р., Шмидт К., Мюллер С. Моделирование и синтез рибозимов //

Молекулярная биология - 2000 - т.34 - вып.6 – с.1090-1095

3. Зверева М.Э., Шпанченко О.В. Структура и функции тмРНК (10Sa

РНК) // Молекулярная биология – 2000 – т.34 – вып.6 – с. 1081-1088

4. Кленов М.С., Гвоздев В.А. Формирование гетерохроматина:

ролькоротких РНК и метилирования ДНК // Биохимия – 2005 – т.70 –

вып.11 – с.1445

5. Тайны маленьких РНК // Вокруг света – 2007 - №3

6. Лекции, представленые на сайте кафедры химии природных

соединений МГУ.wwСергиев П.В. Процессинг. 2002 г

http://nature.chem.msu.su/study_lectures_editing_lectureonline_ru.html

7. Томас Р. Чек РНК – фермент // В мире науки. 1987 №1