Страйер Л. Биохимия. Том 3

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 29.19. Радиоавтограф мышиных кле-

ток, на котором видна локали-

зация сателлитной ДНК. (Пе-

чатается с любезного разреше-

ния д-ра Joseph Gall.)

Рис. 29.20. Микрофотография ядра, выде-

ленного из ооцита ксенопуса.

Ядро окрашено, чтобы были

видны сотни ядрышек, обра-

зующихся при амплификации

генов рибосомной РНК.

[Brown D. D., Dawid I. В., Sci-

ence, 160, 272 (1968).]

один за другим. Почти у всех эукариот

имеется более 100 копий этих генов. Во-вто-

рых, большинство генов рРНК расположе-

но в особых участках хромосом, ассоцииро-

ванных с ядрышками. В клетках мутантов,

лишенных ядрышек, синтезируется очень

мало рРНК; поэтому они нежизнеспо-

собны. Об этих генах многое известно,

главным образом благодаря работам Мак-

са Бернстила, Доналда Брауна, Оскара

Миллера (Max Birnstiel, Donald Brown,

Oscar Miller) и их сотрудников. Гены, коди-

рующие четыре рибосомные PHK - 18S-,

5,8S-, 28S- и 5S-рРНК,- были выделены

в чистом виде из ДНК африканских шпор-

цевых лягушек Xenopus laevis и Xenopus

mulleri. Выбор пал на шпорцевых лягушек

по той причине, что их ооциты содержат

особенно много этих генов.

Гены 18S-, 5,8S- и 28S-pPHK собраны

вместе (образуют кластеры) и тандемно

повторяются. Гибридизация in situ показа-

ла, что эти гены расположены в ядрышках.

Повторяющаяся единица состоит из гена,

кодирующего 40S-предшественник РНК

и спейсер (рис. 29.21). 40S-предшественник

(8kb) модифицируется и расщепляется, да-

вая зрелые 18S-, 5,8S- и 28S-рРНК

Рис. 29.21. Организация генов 40S-пред-

шественника 18S- 5,8S-

и 28S-рРНК у ксенопуса. Тан-

демно повторяющиеся гены

разделены нетранскриби-

руемыми участками (спейсера-

ми). Длина повторяющегося

элемента 13 kb.

29. Хромосомы и выражение

генов у эукариот

141

Рис. 29.22. На этой электронной микрофо-

тографии ядрышковой ДНК

ясно видна тандемная укладка

генов 18S-, 5,8S- и 28S-pPHK.

Толстая осевая нить - ДНК.

Тонкие нити, отходящие в сто-

роны,- новообразованные мо-

лекулы РНК со связанными

белками. Острый конец каждой

«елочки», образованной синте-

зирующимися молекулами

РНК, соответствует точке ини-

циации транскрипции. Голые

участки между острыми конца-

ми «елочек» - нетранскриби-

руемые спейсеры. [Miller О. L.,

Jr., Beatty В. R., J. Cell Physiol.,

74 (suppl. 1), 225 (1969).]

(разд. 29.21). Спейсер (нетранслируемый

участок) не транскрибируется (рис. 29.22).

Соматические клетки лягушек содержат

примерно 500 копий этой повторяющейся

единицы, и все они расположены друг за

другом. В процессе оогенеза происходит

удивительная избирательная амплифика-

ция (увеличение количества) этих генов.

Они реплицируются несколько тысяч раз

142

Часть IV.

Информация

и дают примерно 2•10

копий. Количество

генов, кодирующих рРНК, достигает 75%

всей ДНК ооцита. Амплифицированная

ДНК представляет собой внехромосомные

кольца, прикрепленные к множеству новых

ядрышек. Такая избирательная амплифика-

ция гена позволяет ооцитам накопить 10

рибосом, необходимых для очень быстрого

синтеза белка во время дробления. Если

бы амплификации гена не было, образова-

ние 10

рибосом заняло бы несколько

веков!

Ген, кодирующий самую маленькую мо-

лекулу рибосом - 5S-pPHK, также тандем-

но повторяется. И соматические клетки,

и ооциты содержат около 24000 копий

этого гена, кодирующего молекулу РНК

длиной 120 нуклеотидов. Эти гены со-

браны в группы (в кластеры) и распола-

гаются на концах большинства хромосом

лягушки. И в этом случае между генами

данной рРНК имеется область нетранскри-

бируемого спейсера (рис. 29.23). На самом

деле спейсер в несколько раз длиннее

самого гена. Любопытно, что он содержит

нетранскрибируемый псевдоген, последова-

тельность оснований которого сходна с са-

мим геном. Роль спейсера в этом и в дру-

гих эукариотических генах остается загад-

кой.

29.13. Гены гистонов собраны вместе

и повторяются тандемно много раз

Как организованы гены, кодирующие бел-

ки? Одними из первых были выделены

и охарактеризованы гены гистонов благо-

даря изобилию гистоновой мРНК в бы-

стро делящихся эмбрионах морского ежа.

Эти морские беспозвоночные развиваются

от стадии зиготы до стадии бластулы, со-

держащей 1000 клеток, за 10 ч. Поэтому

для сборки нового хроматина необходимо

синтезировать большое количество гисто-

нов. Действительно, в период раннего эм-

бриогенеза гистоны составляют более чет-

верти всего синтезированного белка. Ги-

стоновая мРНК содержится в еще боль-

шем количестве - на ее долю приходится

около 70% всех информационных РНК,

синтезируемых на этой стадии, поэтому ее

сравнительно легко выделить. После выде-

ления гистоновой мРНК была исследована

кинетика ее гибридизации с ДНК морского

ежа для определения числа копий гисто-

новых генов. Скорость гибридизации была

в несколько сот раз выше, чем она должна

быть в случае уникальных последовательно-

стей: это показывало, что для гистоновых

генов характерна очень высокая повторяе-

Рис. 29.23. Организация генов 5S-pPHK

Xenopus laevis. Эти тандемно

повторяющиеся гены также

разделены нетранскриби-

руемыми спейсерами. Повто-

ряющийся элемент имеет дли-

ну примерно 750 пар основа-

ний.

Рис. 29.24. Световая микрофотография

эмбриона морского ежа на ста-

дии четырех клеток. (Печатает-

ся с любезного разрешения

д-ра Annamma Spudich.)

мостъ. Число копий гистоновых генов

у различных видов морского ежа колеблет-

ся от 300 до 1000. У других организмов по-

вторяемость ниже (табл. 29.4). Число ко-

пий гистоновых генов у того или иного

организма, по-видимому, коррелирует

с потребностью в быстром синтезе гисто-

новых мРНК.

Как организованы в геноме многократно

повторяющиеся гены гистонов? Для полу-

чения фракции ДНК, обогащенной генами

гистонов, использовали тот факт, что эти

гены содержат больше пар G—С (55%),

чем большая часть ДНК морского ежа

(42%), и, следовательно, имеют более высо-

кую плавучую плотность. При расщепле-

Таблица 29.4. Повторяемость гистоновых генов

Вид

Морской еж

Плодовая мушка (Drosophila

melanogaster)

Шпорцевая лягушка (Xenopus laevis)

Мышь

Курица

Человек

Число копий

300-1000

110

20-50

10-20

30-40

У дрожжей Saccharomyces cerevisiae имеется только два

гистоновых гена

на

гаплоидный геном.-

Прим.

перев.

29. Хромосомы и выражение

генов у эукариот

143

Рис. 29.25. Карта сгруппированных в кла-

стеры гистоновых генов мор-

ского ежа (Strongylocentrotus

purpuratus) и плодовой мушки

(Drosophila melanogaster). Коди-

рующие участки закрашены си-

ним цветом, спейсеры (нетран-

скрибируемые участ-

ки) - желтым. Стрелки показы-

вают направление тран-

скрипции.

нии такой обогащенной ДНК одной из ре-

стриктирующих эндонуклеаз получались

фрагменты длиной 7kb, которые гибриди-

зовались с гистоновой мРНК. Затем эти

фрагменты клонировали в клетках Е. coli

и исследовали с помощью ферментов ре-

стрикции и электронной микроскопии. Ре-

зультаты исследований показали, что гены,

кодирующие пять основных гистонов,

сгруппированы вместе в составе основного

повторяющегося элемента длиной 7 kb

(рис. 29.25). В этом повторяющемся эле-

менте пять кодирующих участков чере-

дуются с пятью спейсерами. Кодирующие

последовательности не прерываются вста-

вочными последовательностями в отличие

от других эукариотических генов, опи-

санных выше (разд. 26.12). Группа из пяти

гистоновых, генов повторяется тандемно

много раз. Повторы очень сходны друг

с другом, но не идентичны. Это согласует-

ся с тем, что гистоны H1, H2A и Н2В пред-

ставляют собой группы очень сходных

белков, а не совершенно однородные поли-

пептиды. В различных тканях и на разных

стадиях развития экспрессируются раз-

личные гистоновые гены.

Какова функциональная роль такой ор-

ганизации генов? Их повторяемость, не-

сомненно, имеет важное значение для бы-

строго синтеза большого количества ги-

144

Часть IV.

Информация

стоновой мРНК. Но причина, по которой

повторы собраны тандемно вместе, не

очень ясна. Соседство генов, кодирующих

пять гистонов, может быть, играет важную

роль в координации их синтеза, чтобы ги-

стоны Н2А, Н2В, Н3 и Н4 образовывались

в эквимолярном количестве, а гистон

H1 - в половинном.

29.14. Многие белки, синтезирующиеся

в больших количествах, кодируются

уникальными генами

Мы уже видели, что гены рибосомных

РНК и гистонов повторяются много раз.

Представлены ли гены, кодирующие боль-

шое количество продукта, большим чис-

лом копий? Для ответа на этот вопрос До-

налд Браун (Donald Brown) выделил ген

фиброина шелка шелковичного червя

Bombyx

mori.

Выбор

пал на эту

систему

по-

тому, что мРНК, кодирующая фиброин

шелка, имеет характерные структурные

особенности. Она служит матрицей для по-

вторяющихся последовательностей амино-

кислот, богатых глицином. Кроме того, ги-

гантские клетки только одного типа синте-

зируют огромные количества фиброина

шелка на определенной стадии развития.

Для очистки РНК использовали ее боль-

шой размер (9,1 kb) и высокое содержание

G по сравнению с рРНК и молекулами

других РНК. Ген фиброина шелка также

был частично очищен благодаря его не-

обычно высокой плавучей плотности. Гиб-

ридизация очищенной фиброиновой мРНК

с ДНК показала, что в гаплоидном геноме

имеется только один ген фиброина шелка.

Этот результат имел чрезвычайно важ-

ное значение для изучения экспрессии ге-

нов и дифференцировки у эукариот. Он по-

казал, что большие количества одного

определенного белка могут быть синтези-

рованы, даже если в геноме имеется толь-

ко одна копия кодирующего его гена.

Единственный ген фиброина шелка служит

Рис. 29.26. Шелковичный червь (Фотогра-

фия любезно представлена

д-ром Karen Spraque.)

матрицей для синтеза примерно 10

моле-

кул мРНК, сохраняющихся в течение не-

скольких дней. Каждая молекула мРНК

служит матрицей для синтеза порядка 10

молекул белка. Таким образом, одного гена

хватает для синтеза порядка 10

молекул

белка в течение четырех дней. Создается

впечатление, что повторяющиеся гены ри-

босомных РНК и гистонов скорее предста-

вляют собой исключение, чем правило.

Единственный ген фиброина шелка гораздо

типичнее для генов, кодирующих белки, да-

же белки, синтезирующиеся в больших ко-

личествах. Например, ретикулоциты содер-

жат одну или несколько копий генов,

кодирующих субъединицы гемоглобина

(разд. 29.26). Подобно этому, большие ко-

личества овальбумина - основного компо-

нента яичного белка - синтезируются в яй-

цеводе пасущихся кур, клетки которого

содержат только одну копию овальбуми-

нового гена на гаплоидный геном. Однако

не следует упускать из виду и возможность

избирательной амплификации гена как

способ увеличения синтеза того или иного

белка в клетках определенного типа. Неко-

торые опухолевые клетки в культуре при-

обретают устойчивость к аналогам фолие-

вой кислоты путем синтеза 200-кратного

количества дигидрофолят-редуктазы по

сравнению с нормальными чувствительны-

ми клетками. Такое количество фермента

возникает вследствие избирательной ампли-

фикации гена дигидрофолят-редуктазы.

Очевидно, эукариотический геном предста-

вляет собой весьма динамичную систему.

29.15. Большинство уникальных генов

перемежается повторяющимися

последовательностями

Примерно 70% ДНК самых разнообразных

эукариот представляет собой уникальные

последовательности. Как расположены эти

уникальные гены относительно повторяю-

щихся последовательностей? Анализ эука-

риотических хромосом различными мето-

дами показал, что уникальные последова-

тельности обычно чередуются с умеренно

повторяющимися последовательностями,

длина которых в типичном случае состав-

ляет 300 пар оснований. Существует не-

сколько тысяч различных умеренно повто-

ряющихся последовательностей. Они пов-

торяются в геноме несколько сот раз и

в совокупности составляют 20% ДНК.

Функция рассеянных, умеренно повторяю-

щихся последовательностей ДНК неизвест-

на. Возможно, они служат участками

связывания специфических регуляторных

макромолекул, которые могут контролиро-

вать транскрипцию соседних уникальных

структурных генов.

29.16 Почти все гены высших эукариот,

кодирующие белки, имеют разорванное

строение

Существование у эукариот повторяющихся

генов и их чередование с уникальными ге-

нами не имеют никаких аналогий у прока-

риот. Еще одно удивительное отличие в ор-

ганизации генома - присутствие у высших

эукариот вставочных последовательностей

практически во всех генах, кодирующих

белки. Как уже обсуждалось (разд. 26.12),

эти вставочные последовательности (ин-

троны) транскрибируются вместе с коди-

рующими последовательностями (экзона-

ми), а затем удаляются в процессе образо-

вания зрелой мРНК. Число интронов

в изученных до сих пор разорванных генах

колеблется от 2 до 17 (табл. 29.5

и рис. 29.27)

. Некоторые интроны имеют

большую длину. Например, ген β-глобина

мыши содержит интрон длиной 550 пар ос-

нований, т.е. он длиннее, чем его экзоны.

Два фрагмента иммуноглобулинового гена

разделены еще более длинным интро-

ном - длиной 1250 пар оснований. В неко-

Ген миозина содержит свыше 50 интронов! —

Прим. перев.

29. Хромосомы и выражение

генов у эукариот

145

Рис. 29.27. Карта гена кональбумина.

Вставочные последовательно-

сти (интроны), которые тран-

скрибируются, но не входят

в состав зрелой мРНК, пока-

заны желтым цветом.

торых генах общая длина интронов превы-

шает длину экзонов. Так, ген овальбумина

содержит около 7700 пар оснований, а его

мРНК имеет длину всего 1859 нуклеоти-

дов. Как правило, вставочные последова-

тельности разорванных генов длиннее, чем

экспрессирующиеся последовательности.

Интересно отметить, что эволюционные

изменения в последовательностях интро-

нов происходят быстрее, чем в экзонах.

Последовательности оснований меньшего

интрона генов β-глобина мыши и кролика

совершенно различны. Однако по длине

они близки, а их положение в гене иден-

тично. Еще более существенно, что после-

довательности на стыке интронов и экзо-

нов, по которым происходит сплайсинг

(сращивание), консервативны.

Были обнаружены и разорванные гены,

кодирующие РНК. Например, один из ге-

нов транспортных РНК дрожжей содержит

интрон длиной 14 пар оснований рядом

с антикодоновой петлей зрелой тРНК. Ми-

тохондриальный ген, кодирующий рибо-

сомную РНК, также имеет разорванное

строение. В то же время многие рРНК

и тРНК непрерывны. Гены гистонов мор-

ского ежа и плодовой мушки, по-видимо-

му, также не содержат вставочных после-

довательностей. До настоящего времени

такие «разорванные» структурные гены

были обнаружены только у птиц и млеко-

питающих. Интересно выяснить, много ли

разорванных генов у низших эукариот

Открытие разорванных генов было пол-

ной неожиданностью и повлекло за собой

возникновение ряда увлекательных проб-

лем. Может быть, интроны отражают

образование в эволюции новых белков из

В настоящее время вырисовывается следую-

щая тенденция: чем выше эволюционное поло-

жение организма, тем, как правило, больше ин-

тронов содержат его гены и тем они длиннее.—

Прим. перев.

146

Часть IV.

Информация

фрагментов старых? Участвуют ли ин-

троны в регуляции выражения генов? Яс-

но, что появилась новая важная область

исследований. Быстро накапливаются

данные, касающиеся существенного вопро-

са - вырезания вставочных последователь-

ностей из первичного транскрипта. Вскоре

мы рассмотрим эти данные.

29.17. РНК в эукариотических клетках

синтезируется тремя различными

РНК-полимеразами

Перейдем теперь к транскрипции. В эука-

риотических клетках существует три вида

РНК-полимераз, синтезирующих РНК.

Они различаются по специфичности к мат-

рице, локализации и чувствительности

к ингибиторам. Полимераза типа I локали-

зована в ядрышках, где она транскриби-

рует тандемные повторы, кодирующие ри-

босомные 18S-, 5,8S- и 28S-PHK. Другие

молекулы РНК - 5S-pPHK и все

тРНК - синтезируются другой РНК-поли-

меразой типа III, которая находится не

в ядрышке, а в нуклеоплазме. Большие мо-

лекулы РНК-предшественники, из которых

образуются мРНК, синтезируются РНК-

полимеразой II, также содержащейся в ну-

клеоплазме. У прокариот же все виды кле-

точной РНК синтезируются одной и той

же РНК-полимеразой. Общее свойство эу-

кариотических РНК-полимераз заключает-

ся в том, что в их состав входят две боль-

шие и несколько маленьких субъединиц.

29.18. Грибной яд α-аманитин -

мощный ингибитор РНК-полнмеразы II

Каждый год во всем мире более 100 чело-

век погибает от отравления ядовитыми

грибами, в частности Amanitia phalloides,

(бледной поганкой). Один из токсинов этих

Таблица 29.5. Некоторые эукариотические гены, имею-

щие разорванное строение

Ген

Овальбумин

Овомукоид

Кональбумии

α-Глобин

Число

интро-

нов

Ген

β-Глобин

δ-Глобин

L-цепъ имму-

ноглобулина

Н-цепь имму-

ноглобулина

Число

интро-

нов

грибов - α-аманитин - циклический пептид,

содержащий несколько необычных амино-

кислот. α-Аманитин очень прочно связы-

вается с РНК-полимеразой II (К = 10

-8

М)

и блокирует таким образом синтез пред-

шественников мРНК. Полимераза III инги-

бируется при более высоких концентрациях

α-аманитина (10

-6

М), а полимераза I не

чувствительна к этому токсину. α-Амани-

тин блокирует стадию элонгации в синтезе

РНК.

29.19. Специфические гены могут

активироваться для транскрипции

Выражение генов у эукариот, как и у про-

кариот, регулируется в значительной степе-

ни на уровне транскрипции. Одно из наи-

более надежных доказательств было полу-

чено при исследовании хромосом разви-

вающихся насекомых. Гигантские поли-

тенные хромосомы из слюнных желез

Drosophila содержат более тысячи молекул

ДНК, не разошедшихся при репликации

и лежащих бок о бок друг с другом. В ка-

Таблица 29.6. Эукариотическне РНК-полимеразы

Тип

III

Локализация

Ядрышко

Нуклеоплазма

Клеточные

транскрипты

18S-, 5,8S-

28S-рРНК

Предшествен-

ники мРНК и

гяРНК

тРНК и 5S

рРНК

Вирусные

транскрипты

Не обнаруже-

ны

Предшествен-

ники мРНК

Малые РНК

ждой политенной хромосоме имеется ряд

характерных полос (диски, или хромо-

меры), видимых под световым микроско-

пом. При развитии личинки в куколку не-

которые диски временно увеличиваются

(образуют пуфы), так как ДНК в этой

области переходит из конденсированного

состояния в разрыхленное (рис. 29.29).

Пуфы соответствуют транскрипционно ак-

тивным участкам. Был обнаружен порази-

тельный факт: пуфы могут быть индуциро-

Рис. 29.28. Ядовитый гриб Amanita phallo-

ides, содержащий α-аманитин.

(Lincoff G., Mitchell D. H., Toxic

and Hallucinogenic Mushroom

Poisoning, Van Nostrand Reinh-

old, 1977,

30.)

29. Хромосомы и выражение

генов у эукариот

147

Рис. 29.29. Образование пуфа в политен-

ной хромосоме на определен-

ной стадии развития. Стрелкой

показан наиболее крупный пуф

в хромосоме дрозофилы. (Пе-

чатается с любезного разреше-

ния д-ра Joseph Gall.)

ваны в выделенных слюнных железах in

vitro экдизоном - стероидным гормоном на-

секомых. Происходит увеличение и затем

конденсация специфических дисков в опре-

деленной временной последовательности,

и одновременно происходят изменения

в популяции синтезируемых мРНК.

29.20. Три вида рибосомных РНК

образуются в результате процессинга

одного первичного транскрипта

Молекулы РНК, синтезируемые тремя

РНК-полимеразами, называются первичны-

ми транскриптами. Эти новообразованные

РНК в очень большой степени модифици-

руются в ядре, прежде чем они переходят

в цитозоль в виде зрелых молекул рРНК,

тРНК и мРНК. Образование рибосомных

РНК из первичного транскрипта было изу-

чено детально, лучше, чем процессинг ка-

ких-либо других видов РНК. Выше уже об-

суждалось, что гены 18S-, 5,8S- и 28S-pPHK

148

Часть IV.

Информация

сгруппированы в единый кластер и этот

кластер генов повторяется тандемно много

раз. В ядрышках эта группа из трех генов

транскрибируется РНК-полимеразой I

и дает 45S-PHK (рис. 29.30). Предшествен-

ник длиной 13 kb подвергается фермента-

тивной модификации и расщеплению

и дает зрелые 18S-, 5,8S- и 28S-pPHK

(рис. 29.31). Примерно 100 нуклеотидов ме-

тилируется, и почти все - по 2'-гидроксиль-

ной группе рибозных остатков. Высокоспе-

цифические участки метилирования сохра-

няются в рРНК таких эволюционно дале-

ких эукариот, как дрожжи и плодовая

мушка. Кроме того, более 100 остатков

уридина изомеризуются в остатки псевдоу-

ридина. Во время созревания происходит

ассоциация множества рибосомных белков

с этими РНК и их предшественниками.

Возможно, именно взаимодействие РНК

с рибосомными белками делает опреде-

ленные участки чувствительными к дей-

ствию нуклеаз.

29.21. Информационные РНК избирательно

образуются из больших ядерных

предшественников РНК

(гетерогенной ядерной РНК, гяРНК)

Образование рибосомных РНК у эукариот

сходно с ее образованием у прокариот

(разд. 25.17). В то же время между эука-

риотическими и прокариотическими мРНК

имеются существенные различия.

1. Первичные транскрипты у эукариот не

используются непосредственно в качестве

мРНК. Прежде чем они переходят из ядра

в цитозоль, они подвергаются процессингу.

Трансляция и транскрипция у эукариот

разобщены во времени и в пространстве,

тогда как у прокариот они тесно сопря-

жены.

2. Первичные транскрипты у эукариот

имеют в длину от 2 до 20 kb, в связи с чем

их называют гетерогенной ядерной РНК

(гяРНК). Обычно эти первичные тран-

скрипты в несколько раз длиннее, чем

мРНК, которые из них получаются. Обра-

зование эукариотических мРНК сопряжено

со сплайсингом и расщеплением. До сих

пор неизвестно, выполняет ли гяРНК еще

какую-нибудь роль, кроме того, что она

служит предшественником мРНК.

3. Эукариотические мРНК содержат на

5'-конце «колпачки» (кэпы), которые пред-

ставляют собой модифицированные нуклео-

тиды. Кроме того, большинство мРНК не-

Рис. 29.30. Если расправить молекулу 45S-

предшественника рибосомной

РНК из клеток HeLa и исследо-

вать ее с помощью электронно-

го микроскопа, видна весьма

характерная картина шпилек

и петель. Благодаря этому

можно картировать располо-

жение молекул 28S- и 18S-PHK,

образующихся из этого пред-

шественника. А - электронная

микрофотография 45S-пред-

шественника. Б - схематиче-

ское изображение молекулы,

изображенной на рис. А.

[Wellauer P. К., Dawid I. В.,

Proc. Nat. Acad. Sci., 70, 2828

(1973).]

Рис. 29.31. Образование рибосомной

РНК млекопитающих из пер-

вичного транскрипта. Спей-

серные участки показаны

желтым.

сет на 3 -коние длинную poly(А)-последова-

тельность.

4. Эукариотические мРНК моноци-

стронны, т.е. они являются матрицами для

синтеза только одной полипептидной цепи.

Многие прокариотические мРНК, наобо-

рот, полицистронны (например, мРНК лак-

тозного оперона - матрица для синтеза трех

полипептидных цепей).

5. Популяция молекул мРНК эукариоти-

ческой клетки зависит не только от скорости

транскрипции определенных генов; в эука-

риотических клетках имеется и еще один

уровень принятия решений; должен ли тот

или иной первичный транскрипт подверг-

нуться деградации или процессингу с обра-

зованием зрелой мРНК и последующим

транспортом ее в цитозоль

29.22. На 5'-конце мРНК находятся

«колпачки», а на 3'-конце, как правило,

poly(А)-последовательности

5'-конец всех известных эукариотических

мРНК (но не тРНК или рРНК) модифици-

рован особым образом. К мРНК присоеди-

нен 7-метилгуанилат необычной пирофос-

фатной связью 5'—5' (рис. 29.32). Эта

характерная структура называется «колпач-

ком». Она присоединяется к первичному

транскрипту. 5'-трифосфатный конец ново-

образованной цепи гидролизуется до дифос-

фата, и на него переносится остаток гуани-

лата GTP. Затем N-7 этого концевого

гуанина метилируется S-аденозилметиони-

]

Следует указать еще одно важное отличие

прокариотических мРНК от эукариотических —

время жизни. У прокариот оно составляет не

более нескольких минут, а у эукариот - десятки

минут или часы, а в исключительных случаях

недели и месяцы.- Прим. перев.

29. Хромосомы и выражение

генов у эукариот

149

Рис. 29.32. Структура «колпачков», распо-

ложенных на 5'-конце эукарио-

тических мРНК. Все «колпач-

ки» содержат 7-метилгуанилат

(изображен синим цветом),

присоединенный пирофосфат-

ной связью к 5'-концу. В «кол-

пачке» 0 ни одна рибоза не ме-

тилирована, в «колпачке»

1 метилирована одна рибоза,

в «колпачке» 2 - две.

ном и образуется так называемый «колпа-

чок» 0. Соседние остатки рибозы могут

быть метилированы, при этом образуется

«.колпачок» 1 или «колпачок» 2 (рис. 29.32).

Эти «колпачки» способствуют стабилиза-

ции мРНК, защищая их 5'-концы от фосфа-

таз и нуклеаз. Кроме того, «колпачки» по-

вышают эффективность трансляции мРНК

150

Часть IV.

Информация

в эукариотических системах синтеза белка.

Кроме того, большинство эукариотиче-

ских мРНК имеет на 3'-конце poly(А)-после-

довательности. Роlу(А)-полимераза присое-

диняет 150-200 нуклеотидов к первичному

транскрипту, на 3'-конце которого располо-

жен динуклеотид GC, а на расстоянии при-

мерно 20 нуклеотидов от него - последова-

тельность AAUAA. Исследования раз-

личных мРНК, введенных в яйца Xenopus,

показали, что роlу(А)-фрагмент увеличи-

вает стабильность мРНК, но при этом не

имеет никакого значения для трансляции.

Кроме того, отсутствие poly(А) на конце ги-

стоновых мРНК показывает, что он не обя-

зательно должен присутствовать в мРНК

для ее транспорта из ядра в цитозоль.

29.23. Ферменты сплайсинга с высокой

точностью удаляют интроны из первичных

транскриптов разорванных генов

При сплайсинге (расщепление с последую-

щим сращиванием) мРНК происходит раз-

рыв двух фосфодиэфирных связей и обра-

зование одной новой. Эндонуклеазная

и лигазная активности, вероятно, содержат-

ся в одном ферментном комплексе, и после-

довательные реакции сплайсинга согласо-

ваны между собой. В настоящее время

многие лаборатории пытаются выделить

ферменты сплайсинга. Очевидно, их дей-

ствие должно обладать высокой точностью.

Ошибка в точке сплайсинга на один нуклео-

тид приведет к сдвигу рамки считывания

в сторону 3'-конца от этого места, что даст

совершенно иную последовательность ами-

нокислот. Как ферменты сплайсинга узнают

свои мишени? В настоящее время известен

ряд нуклеотидных последовательностей

в месте стыка экзонов и интронов, кодирую-

щих РНК-транскрипты (табл. 29.7). В этих

последовательностях есть общий мотив: ин-

трон начинается с GU и кончается AG. Сле-

дует отметить, что один и тот же сигнал

сплайсинга встречается у кур, кроликов, мы-

шей и в ДНК вируса SV-40, который зара-

жает клетки обезьян и человека

В последнее время получен ряд данных, свиде-

тельствующих об участии т.н. низкомолеку-

лярных ядерных РНК в сплайсинге, а также

в созревании 3'-концов РНК. Эта фракция РНК

исследуется уже давно. Она весьма консерватив-

на и содержит последовательности, комплемен-

тарные участкам экзонов, прилежащим к интро-

нам. Низкомолекулярные ядерные РНК, по-ви-

димому, обеспечивают узнавание участков

сплайсинга соответствующими ферментами. -

Прим. перев.