Как составить рнк по кодирующей днк

ДНК и гены

ДНК ПРОКАРИОТ И ЭУКАРИОТ

Справа крупнейшая спираль ДНК человека, выстроенная из людей на пляже в Варне (Болгария), вошедшая в книгу рекордов Гиннесса 23 апреля 2016 года

Дезоксирибонуклеиновая кислота. Общие сведения

Содержание страницы:

• Дезоксирибонуклеиновая кислота
• Строение нуклеиновых кислот
• Репликация
• Строение РНК
• Транскрипция
• Трансляция
• Генетический код
• Геном: гены и хромосомы
• Прокариоты
• Эукариоты
• Строение генов
• Строение генов прокариот
• Строение генов эукариот
• Сравнение строения генов
• Мутации и мутагенез
• Генные мутации
• Хромосомные мутации
• Геномные мутации
• Видео по теме ДНК
• Дополнительный материал

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – своеобразный чертеж жизни, сложный код, в котором заключены данные о наследственной информации. Эта сложная макромолекула способна хранить и передавать наследственную генетическую информацию из поколения в поколение. ДНК определяет такие свойства любого живого организма как наследственность и изменчивость. Закодированная в ней информация задает всю программу развития любого живого организма. Генетически заложенные факторы предопределяют весь ход жизни как человека, так и любого др. организхма. Искусственное или естественное воздействие внешней среды способны лишь в незначительной степени повлиять на общую выраженность отдельных генетических признаков или сказаться на развитии запрограммированных процессов.

Дезоксирибонуклеи́новая кислота (ДНК) — макромолекула (одна из трёх основных, две другие — РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК содержит информацию о структуре различных видов РНК и белков.

В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами.

С химической точки зрения ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков — нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы (С) и фосфатной (Ф) группы (фосфодиэфирные связи).

Рис. 2. Нуклертид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы

В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула закручена по винтовой линии.

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином (А-Т), гуанин — только с цитозином (Г-Ц). Именно эти пары и составляют «перекладины» винтовой “лестницы” ДНК (см.: рис. 2, 3 и 4).

Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции, и принимают участие в биосинтезе белков (процессе трансляции). Помимо кодирующих последовательностей, ДНК клеток содержит последовательности, выполняющие регуляторные и структурные функции.

Рис. 3. Репликация ДНК

Расположение базовых комбинаций химических соединений ДНК и количественные соотношения между этими комбинациями обеспечивают кодирование наследственной информации.

Образование новой ДНК (репликация)

1. Процесс репликации: раскручивание двойной спирали ДНК — синтез комплементарных цепей ДНК-полимеразой — образование двух молекул ДНК из одной.
2. Двойная спираль «расстегивается» на две ветви, когда ферменты разрушают связь между базовыми парами химических соединений.
3. Каждая ветвь является элементом новой ДНК. Новые базовые пары соединяются в той же последовательности, что и в родительской ветви.

По завершении дупликации образуются две самостоятельные спирали, созданные из химических соединений родительской ДНК и имеющие с ней одинаковый генетический код. Таким путем ДНК способна перерывать информацию от клетки к клетке.

Более подробная информация:

СТРОЕНИЕ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Рис. 4 . Азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) относится к нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты – это класс нерегулярных биополимеров, мономерами которых являются нуклеотиды.

НУКЛЕОТИДЫ состоят из азотистого основания, соединенного с пятиуглеродным углеводом (пентозой) – дезоксирибозой (в случае ДНК) или рибозой (в случае РНК), который соединяется с остатком фосфорной кислоты (H₂PO₃–).

Азотистые основания бывают двух типов: пиримидиновые основания – урацил (только в РНК), цитозин и тимин, пуриновые основания – аденин и гуанин.

Рис. 5. Структура нуклеотидов (слева), расположение нуклеотида в ДНК (снизу) и типы азотистых оснований (справа): пиримидиновые и пуриновые

---

Атомы углерода в молекуле пентозы нумеруются числами от 1 до 5. Фосфат соединяется с третьим и пятым атомами углерода. Так нуклеинотиды соединяются в цепь нуклеиновой кислоты. Таким образом, мы можем выделить 3’ и 5’-концы цепи ДНК:

Рис. 6. Выделение 3’ и 5’-концов цепи ДНК

Две цепи ДНК образуют двойную спираль. Эти цепи в спирали сориентированы в противоположных направлениях. В разных цепях ДНК азотистые основания соединены между собой с помощью водородных связей. Аденин всегда соединяется с тимином, а цитозин – с гуанином. Это называется правилом комплементарности (см. принцип комплементарности).

Правило комплементарности:

Например, если нам дана цепь ДНК, имеющая последовательность

3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,

то вторая ей цепь будет комплементарна и направлена в противоположном направлении – от 5’-конца к 3’-концу:

5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’.

Рис. 7. Направленность цепей молекулы ДНК и соединение азотистых оснований с помощью водородных связей

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК

Репликация ДНК – это процесс удвоения молекулы ДНК путем матричного синтеза. В большинстве случаев естественной репликации ДНК праймером для синтеза ДНК является короткий фрагмент РНК (создаваемый заново). Такой рибонуклеотидный праймер создается ферментом праймазой (ДНК-праймаза у прокариот, ДНК-полимераза у эукариот), и впоследствии заменяется дезоксирибонуклеотидами полимеразой, выполняющей в норме функции репарации (исправления химических повреждений и разрывов в молекле ДНК).

Репликация происходит по полуконсервативному механизму. Это значит, что двойная спираль ДНК расплетается и на каждой из ее цепей по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Дочерняя молекула ДНК, таким образом, содержит в себе одну цепь от материнской молекулы и одну вновь синтезированную. Репликация происходит в направлении от 3’ к 5’ концу материнской цепи.

Рис. 8. Репликация (удвоение) молекулы ДНК

ДНК-синтез – это не такой сложный процесс, как может показаться на первый взгляд. Если подумать, то для начала нужно разобраться, что же такое синтез. Это процесс объединения чего-либо в одно целое. Образование новой молекулы ДНК проходит в несколько этапов:

1) ДНК-топоизомераза, располагаясь перед вилкой репликации, разрезает ДНК для того, чтобы облегчить ее расплетание и раскручивание.
2) ДНК-хеликаза вслед за топоизомеразой влияет на процесс «расплетения» спирали ДНК.
3) ДНК-связывающие белки осуществляют связывание нитей ДНК, а также проводят их стабилизацию, не допуская их прилипания друг к другу.
4) ДНК-полимераза δ (дельта), согласовано со скоростью движения репликативной вилки, осуществляет синтез ведущей цепи дочерней ДНК в направлении 5’→3′ на матрице материнской нити ДНК по направлению от ее 3′-конца к 5′-концу (скорость до 100 пар нуклеотидов в секунду). Этим события на данной материнской нити ДНК ограничиваются.

Рис. 9. Схематическое изображение процесса репликации ДНК: (1) Отстающая цепь (запаздывающая нить), (2) Ведущая цепь (лидирующая нить), (3) ДНК-полимераза α (Polα), (4) ДНК-лигаза, (5) РНК-праймер, (6) Праймаза, (7) Фрагмент Оказаки, (8) ДНК-полимераза δ (Polδ), (9) Хеликаза, (10) Однонитевые ДНК-связывающие белки, (11) Топоизомераза.

---

 Далее описан синтез отстающей цепи дочерней ДНК (см. Схему репликативной вилки и функции ферментов репликации)

Нагляднее о репликации ДНК см. видео →

5) Непосредственно сразу после расплетания и стабилизации другой нити материнской молекулы к ней присоединяется ДНК-полимераза α (альфа) и в направлении 5’→3′ синтезирует праймер (РНК-затравку) – последовательность РНК на матрице ДНК длиной от 10 до 200 нуклеотидов. После этого фермент удаляется с нити ДНК. 

Вместо ДНК-полимеразы α к 3′-концу праймера присоединяется ДНК-полимераза ε.

6) ДНК-полимераза ε (эпсилон) как бы продолжает удлинять праймер, но в качестве субстрата встраивает дезоксирибонуклеотиды (в количестве 150-200 нуклеотидов). В результате образуется цельная нить из двух частей – РНК (т.е. праймер) и ДНК. ДНК-полимераза ε работает до тех пор, пока не встретит праймер предыдущего фрагмента Оказаки (синтезированный чуть ранее). После этого данный фермент удаляется с цепи.

7) ДНК-полимераза β (бета) встает вместо ДНК-полимеразы ε, движется в том же направлении (5’→3′) и удаляет рибонуклеотиды праймера, одновременно встраивая дезоксирибонуклеотиды на их место. Фермент работает до полного удаления праймера, т.е. пока на его пути не встанет дезоксирибонуклеотид (еще более ранее синтезированный ДНК-полимеразой ε). Связать результат свой работы и впереди стоящую ДНК фермент не в состоянии, поэтому он сходит с цепи. 

В результате на матрице материнской нити “лежит” фрагмент дочерней ДНК. Он называется фрагмент Оказаки.

8) ДНК-лигаза производит сшивку двух соседних фрагментов Оказаки, т.е. 5′-конца отрезка, синтезированного ДНК-полимеразой ε, и 3′-конца цепи, встроенного ДНК-полимеразой β.

СТРОЕНИЕ РНК

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — одна из трёх основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.

Так же, как ДНК, РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Однако в отличие от ДНК, РНК обычно имеет не две цепи, а одну. Пентоза в РНК представлена рибозой, а не дезоксирибозой (у рибозы присутствует дополнительная гидроксильная группа на втором атоме углевода). Наконец, ДНК отличается от РНК по составу азотистых оснований: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.

Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.

Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией, то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами – РНК-полимеразами.

Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией, т.е. синтеза белка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.

Рис. 10.  Отличие ДНК от РНК по азотистому основанию: вместо тимина (Т) в РНК представлен урацил (U), который также комплементарен аденину.

ТРАНСКРИПЦИЯ

Транскрипция – это процесс синтеза РНК на матрице ДНК. ДНК раскручивается на одном из участков. На одной из цепей содержится информация, которую необходимо скопировать на молекулу РНК – эта цепь называется кодирующей. Вторая цепь ДНК, комплементарная кодирующей, называется матричной. В процессе транскрипции на матричной цепи в направлении 3’ – 5’ (по цепи ДНК) синтезируется комплементарная ей цепь РНК. Таким образом, создается РНК-копия кодирующей цепи.

Рис. 11. Схематическое изображение транскрипции

Например, если нам дана последовательность кодирующей цепи

3’– ATGTCCTAGCTGCTCG – 5’,

то, по правилу комплементарности, матричная цепь будет нести последовательность

5’– TACAGGATCGACGAGC– 3’,

а синтезируемая с нее РНК – последовательность

3’– AUGUCCUAGCUGCUCG – 5’.

ТРАНСЛЯЦИЯ

Рассмотрим механизм синтеза белка на матрице РНК, а также генетический код и его свойства. Также для наглядности по ниже приведенной ссылке рекомендуем посмотреть небольшое видео о процессах транскрипции и трансляции, происходящих в живой клетке:

В представленном видоролике (кнопка-ссылка слева) показан процесс образования белка из аминокислот. Наглядно (в анимированном варианте) продемонстрированы процессы транскрипции и трансляции. Биосинтез белка на рибосоме также кратко описан в разделе Аминокислоты белков. Более подробное видео о геноме, ДНК и ее структуре, а также процессах кодировки представленно ниже на данной странице: Видео по теме ДНК

Рис. 12. Процесс синтеза белка: ДНК кодирует РНК, РНК кодирует белок

Трансляция – это процесс, посредством которого генетическая информация преобразуется в белки, рабочие лошадки клетки. Небольшие молекулы, называемые переносными РНК («тРНК»), играют решающую роль в трансляции; они являются молекулами-адаптерами, которые соответствуют кодонам (строительным блокам генетической информации) с аминокислотами (строительными блоками белков). Организмы несут множество типов тРНК, каждая из которых кодируется одним или несколькими генами («набор генов тРНК»).

Вообще говоря, функция набора генов тРНК – переводить 61 тип кодонов в 20 различных типов аминокислот – сохраняется в разных организмах. Тем не менее, состав набора генов тРНК может значительно варьировать между организмами.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОД

Генетический код – способ кодирования аминокислотной последовательности белков с помощью последовательности нуклеотидов. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов – кодоном или триплетом.

Генетический код, общий для большинства про- и эукариот. В таблице приведены все 64 кодона и указаны соответствующие аминокислоты. Порядок оснований — от 5′ к 3′ концу мРНК.

Таблица 1. Стандартный генетический код

1-е основа ние	2-е основание	3-е основа ние
U	C	A	G
U	UUU	Фенилаланин (Phe/F)	UCU	Серин (Ser/S)	UAU	Тирозин (Tyr/Y)	UGU	Цистеин (Cys/C)	U
UUC	UCC	UAC	UGC	C
UUA	Лейцин (Leu/L)	UCA	UAA	Стоп-кодон**	UGA	Стоп-кодон**	A
UUG	UCG	UAG	Стоп-кодон**	UGG	Триптофан (Trp/W)	G
C	CUU	CCU	Пролин (Pro/P)	CAU	Гистидин (His/H)	CGU	Аргинин (Arg/R)	U
CUC	CCC	CAC	CGC	C
CUA	CCA	CAA	Глутамин (Gln/Q)	CGA	A
CUG	CCG	CAG	CGG	G
A	AUU	Изолейцин (Ile/I)	ACU	Треонин (Thr/T)	AAU	Аспарагин (Asn/N)	AGU	Серин (Ser/S)	U
AUC	ACC	AAC	AGC	C
AUA	ACA	AAA	Лизин (Lys/K)	AGA	Аргинин (Arg/R)	A
AUG	Метионин* (Met/M)	ACG	AAG	AGG	G
G	GUU	Валин (Val/V)	GCU	Аланин (Ala/A)	GAU	Аспарагиновая кислота (Asp/D)	GGU	Глицин (Gly/G)	U
GUC	GCC	GAC	GGC	C
GUA	GCA	GAA	Глутаминовая кислота (Glu/E)	GGA	A
GUG	GCG	GAG	GGG	G

Среди триплетов есть 4 специальных последовательности, выполняющих функции «знаков препинания»:

• *Триплет AUG, также кодирующий метионин, называется старт-кодоном. С этого кодона начинается синтез молекулы белка. Таким образом, во время синтеза белка, первой аминокислотой в последовательности всегда будет метионин.

• **Триплеты UAA, UAG и UGA называются стоп-кодонами и не кодируют ни одной аминокислоты. На этих последовательностях синтез белка прекращается.

Свойства генетического кода

1. Триплетность. Каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов – триплетом или кодоном.

2. Непрерывность. Между триплетами нет никаких дополнительных нуклеотидов, информация считывается непрерывно.

3. Неперекрываемость. Один нуклеотид не может входить одновременно в два триплета.

4. Однозначность. Один кодон может кодировать только одну аминокислоту.

5. Вырожденность. Одна аминокислота может кодироваться несколькими разными кодонами.

6. Универсальность. Генетический код одинаков для всех живых организмов.

Пример. Нам дана последовательность кодирующей цепи:

3’– CCGATTGCACGTCGATCGTATA– 5’.

Матричная цепь будет иметь последовательность:

5’– GGCTAACGTGCAGCTAGCATAT– 3’.

Теперь «синтезируем» с этой цепи информационную РНК:

3’– CCGAUUGCACGUCGAUCGUAUA– 5’.

Синтез белка идет в направлении 5’ → 3’, следовательно, нам нужно перевернуть последовательность, чтобы «прочитать» генетический код:

5’– AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.

Теперь найдем старт-кодон AUG:

5’– AUAUGCUAGCUGCACGUUAGCC– 3’.

Разделим последовательность на триплеты:

Найдем стоп-кодон и согласно таблице генетического кода запишем последовательность аминокислот:

Центральная догма молекулярной биологии звучит следующим образом: информация с ДНК передается на РНК (транскрипция), с РНК – на белок (трансляция). ДНК также может удваиваться путем репликации, и также возможен процесс обратной транскрипции, когда по матрице РНК синтезируется ДНК, но такой процесс в основном характерен для вирусов.

Рис. 13. Центральная догма молекулярной биологии

ГЕНОМ: ГЕНЫ и ХРОМОСОМЫ

(общие понятия)

Геном – совокупность всех генов организма; его полный хромосомный набор.

Термин “геном” был предложен Г. Винклером в 1920 г. для описания совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими (“избыточными”) последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и нуклеиновых кислотах. Таким образом, основную часть генома любого организма составляет вся ДНК его гаплоидного набора хромосом.

Гены — это участки молекул ДНК, кодирующие полипептиды и молекулы РНК

За последнее столетие наше представление о генах существенно изменилось. Ранее геном называли участок хромосомы, кодирующий или определяющий один признак или фенотипическое (видимое) свойство, например цвет глаз.

Рис. 14. Соответствие между кодирующими участками ДНК, мРНК и аминокислотной последовательностью полипептидной цепи.

В 1940 г. Джордж Бидл и Эдвард Тейтем предложили молекулярное определение гена. Ученые обрабатывали споры гриба Neurospora crassa рентгеновским излучением и другими агентами, вызывающими изменения в последовательности ДНК (мутации), и обнаружили мутантные штаммы гриба, утратившие некоторые специфические ферменты, что в некоторых случаях приводило к нарушению целого метаболического пути. Бидл и Тейтем пришли к выводу, что ген — это участок генетического материала, который определяет или кодирует один фермент. Так появилась гипотеза «один ген — один фермент». Позднее эта концепция была расширена до определения «один ген — один полипептид», поскольку многие гены кодируют белки, не являющиеся ферментами, а полипептид может оказаться субъединицей сложного белкового комплекса.

На рис. 14 показана схема того, как триплеты нуклеотидов в ДНК определяют полипептид –  аминокислотную последовательность белка при посредничестве мРНК. Одна из цепей ДНК играет роль матрицы для синтеза мРНК, нуклеотидные триплеты (кодоны) которой комплементарны триплетам ДНК. У некоторых бактерий и многих эукариот кодирующие последовательности прерываются некодирующими участками(так называемыми интронами).

Современное биохимическое определение гена еще более конкретно. Генами называются все участки ДНК, кодирующие первичную последовательность конечных продуктов, к которым относятся полипептиды или РНК, обладающие структурной или каталитической функцией.

Наряду с генами ДНК содержит и другие последовательности, выполняющие исключительно регуляторную функцию. Регуляторные последовательности могут обозначать начало или конец генов, влиять на транскрипцию или указывать место инициации репликации или рекомбинации. Некоторые гены могут экспрессироваться разными путями, при этом один и тот же участок ДНК служит матрицей для образования разных продуктов.

Мы можем приблизительно рассчитать минимальный размер гена, кодирующего средний белок. Каждая аминокислота в полипептидной цепи кодируется последовательностью из трех нуклеотидов; последовательности этих триплетов (кодонов) соответствуют цепочке аминокислот в полипептиде, который кодируется данным геном. Полипептидная цепь из 350  аминокислотных остатков (цепь средней длины) соответствует последовательности из 1050 п.н. (пар нуклеотидов). Однако многие гены эукариот и некоторые гены прокариот прерываются сегментами ДНК, не несущими информации о белке, и поэтому оказываются значительно длиннее, чем показывает простой расчет.

Сколько генов в одной хромосоме?

 ДНК прокариот устроена более просто: их клетки не имеют ядра, поэтому ДНК находится непосредственно в цитоплазме в форме нуклеоида.

Как известно, бактериальные клетки имеют хромосому в виде нити ДНК, уложенной в компактную структуру – нуклеоид. Хромосома прокариота Escherichia coli, чей геном полностью расшифрован, представляет собой кольцевую молекулу ДНК (на самом деле, это не правильный круг, а скорее петля без начала и конца), состоящую из 4 639 675 п.н. В этой последовательности содержится примерно 4300 генов белков и еще 157 генов стабильных молекул РНК. В геноме человека примерно 3,1 млрд пар нуклеотидов, соответствующих почти 29 000 генам, расположенным на 24 разных хромосомах.

Прокариоты (Бактерии).

Бактерия E. coli имеет одну двухцепочечную кольцевую молекулу ДНК. Она состоит из 4 639 675 п.н. и достигает в длину примерно 1,7 мм, что превышает длину самой клетки E. coli приблизительно в 850 раз. Помимо крупной кольцевой хромосомы в составе нуклеоида многие бактерии содержат одну или несколько маленьких кольцевых молекул ДНК, свободно располагающихся в цитозоле. Такие внехромосомные элементы называют плазмидами (рис. 16).

Большинство плазмид состоит всего из нескольких тысяч пар нуклеотидов, некоторые содержат более 10000 п. н. Они несут генетическую информацию и реплицируются с образованием дочерних плазмид, которые попадают в дочерние клетки в процессе деления родительской клетки. Плазмиды обнаружены не только в бактериях, но также в дрожжах и других грибах. Во многих случаях плазмиды не дают никаких преимуществ клеткам-хозяевам, и их единственная задача — независимое воспроизведение. Однако некоторые плазмиды несут полезные для хозяина гены. Например, содержащиеся в плазмидах гены могут придавать клеткам бактерий устойчивость к антибактериальным агентам. Плазмиды, несущие ген β-лактамазы, обеспечивают устойчивость к β-лактамным антибиотикам, таким как пенициллин и амоксициллин. Плазмиды могут переходить от клеток, устойчивых к антибиотикам, к другим клеткам того же или другого вида бактерий, в результате чего эти клетки также становятся резистентными. Интенсивное применение антибиотиков является мощным селективным фактором, способствующим распространению плазмид, кодирующих устойчивость к антибиотикам (а также транспозонов, которые кодируют аналогичные гены) среди болезнетворных бактерий, и приводит к появлению бактериальных штаммов с устойчивостью к нескольким антибиотикам. Врачи начинают понимать опасность широкого использования антибиотиков и назначают их только в случае острой необходимости. По аналогичным причинам ограничивается широкое использование антибиотиков для лечения сельскохозяйственных животных.

См. также: Равин Н.В., Шестаков С.В. Геном прокариот // Вавиловский журнал генетики и селекции, 2013. Т. 17. № 4/2. С. 972–984.

Эукариоты.

Таблица 2. ДНК, гены и хромосомы некоторых организмов

	Общая ДНК, п.н.	Число хромосом*	Примерное число генов
Escherichia coli (бактерия)	4 639 675	1	4 435
Saccharomyces cerevisiae (дрожжи)	12 080 000	16**	5 860
Caenorhabditis elegans (нематода)	90 269 800	12***	23 000
Arabidopsis thaliana (растение)	119 186 200	10	33 000
Drosophila melanogaster (плодовая мушка)	120 367 260	18	20 000
Oryza sativa (рис)	480 000 000	24	57 000
Mus musculus (мышь)	2 634 266 500	40	27 000
Homo sapiens (человек)	3 070 128 600	46	29 000

Примечание. Информация постоянно обновляется; для получения более свежей информации обратитесь к сайтам, посвященным отдельным геномным проектам

*Для всех эукариот, кроме дрожжей, приводится диплоидный набор хромосом. Диплоидный набор хромосом (от греч. diploos- двойной и eidos- вид) – двойной набор хромосом (2n), каждая из которых имеет себе гомологичную.
**Гаплоидный набор. Дикие штаммы дрожжей обычно имеют восемь (октаплоидный) или больше наборов таких хромосом.
***Для самок с двумя Х хромосомами. У самцов есть Х хромосома, но нет Y, т. е. всего 11 хромосом.

---

В клетке дрожжей, одних из самых маленьких эукариот, в 2,6 раза больше ДНК, чем в клетке E. coli (табл. 2). Клетки плодовой мушки Drosophila, классического объекта генетических исследований, содержат в 35 раз больше ДНК, а клетки человека — примерно в 700 раз больше ДНК, чем клетки E. coli. Многие растения и амфибии содержат еще больше ДНК. Генетический материал клеток эукариот организован в виде хромосом. Диплоидный набор хромосом (2n) зависит от вида организма (табл. 2).

Например, в соматической клетке человека 46 хромосом (рис. 17). Каждая хромосома эукариотической клетки, как показано на рис. 17, а, содержит одну очень крупную двухспиральную молекулу ДНК. Двадцать четыре хромосомы человека (22 парные хромосомы и две половые хромосомы X и Y)  различаются по длине более чем в 25 раз. Каждая хромосома эукариот содержит определенный набор генов.

Рис. 17. Хромосомы эукариот. а — пара связанных и конденсированных сестринских хроматид из хромосомы человека. В такой форме эукариотические хромосомы пребывают после репликации и в метафазе в процессе митоза. б — полный набор хромосом из лейкоцита одного из авторов книги. В каждой нормальной соматической клетке человека содержится 46 хромосом.

---

Размер и функция ДНК как матрицы для хранения и передачи наследственного материала объясняют наличие особых структурных элементов в организации этой молекулы. У высших организмов ДНК распределена между хромосомами.

Совокупность ДНК (хромосом) организма называется геномом. Хромосомы находятся в клеточном ядре и формируют структуру, называемую хроматином. Хроматин представляет собой комплекс ДНК и основных белков (гистонов) в соотношении 1:1. Длину ДНК обычно измеряют числом пар комплементарных нуклеотидов (п.н.). Например, 3-я хромосома человека представляет собой молекулу ДНК размером 160 млн п.н.. Выделенная линеаризованная ДНК размером 3*10⁶ п.н. имеет длину примерно 1 мм, следовательно, линеаризованная молекула 3-й хромосомы человека была бы 5 мм в длину, а ДНК всех 23 хромосом (~3*10⁹ п.н., MR = 1,8*10¹²) гаплоидной клетки – яйцеклетки или сперматозоида – в линеаризованном виде составляла бы 1 м. За исключением половых клеток, все клетки организма человека (их около 1013) содержат двойной набор хромосом. При клеточном делении все 46 молекул ДНК реплицируются и снова организуются в 46 хромосом.

---

Если соединить между собой молекулы ДНК человеческого генома (22 хромосомы и хромосомы X и Y или Х и Х), получится последовательность длиной около одного метра. Прим.: У всех млекопитающих и других организмов с гетерогаметным мужским полом, у самок две X-хромосомы (XX), а у самцов — одна X-хромосома и одна Y-хромосома (XY).

Большинство клеток человека диплоидны, поэтому общая длина ДНК таких клеток около 2м. У взрослого человека примерно 10¹⁴ клеток, таким образом, общая длина всех молекул ДНК составляет 2・10¹¹ км. Для сравнения, окружность Земли — 4・10⁴ км, а расстояние от Земли до Солнца — 1,5・10⁸ км. Вот как удивительно компактно упакована ДНК в наших клетках!

В клетках эукариот есть и другие органеллы, содержащие ДНК, — это митохондрии и хлоропласты. Выдвигалось множество гипотез относительно происхождения ДНК митохондрий и хлоропластов. Общепризнанная сегодня точка зрения заключается в том, что они представляют собой рудименты хромосом древних бактерий, которые проникли в цитоплазму хозяйских клеток и стали предшественниками этих органелл. Митохондриальная ДНК кодирует митохондриальные тРНК и рРНК, а также несколько митохондриальных белков. Более 95% митохондриальных белков кодируется ядерной ДНК.

СТРОЕНИЕ ГЕНОВ

Рассмотрим строение гена у прокариот и эукариот, их сходства и различия. Несмотря на то, что ген — это участок ДНК, кодирующий всего один белок или РНК, кроме непосредственно кодирующей части, он также включает в себя регуляторные и иные структурные элементы, имеющие разное строение у прокариот и эукариот.

Кодирующая последовательность – основная структурно-функциональная единица гена, именно в ней находятся триплеты нуклеотидов, кодирующие аминокислотную последовательность. Она начинается со старт-кодона и заканчивается стоп-кодоном.

До и после кодирующей последовательности находятся нетранслируемые 5’- и 3’-последовательности. Они выполняют регуляторные и вспомогательные функции, например, обеспечивают посадку рибосомы на и-РНК.

Нетранслируемые и кодирующая последовательности составлют единицу транскрипции – транскрибируемый участок ДНК, то есть участок ДНК, с которого происходит синтез и-РНК.

Терминатор – нетранскрибируемый участок ДНК в конце гена, на котором останавливается синтез РНК.

В начале гена находится регуляторная область, включающая в себя промотор и оператор.

Промотор – последовательность, с которой связывается полимераза в процессе инициации транскрипции. Оператор – это область, с которой могут связываться специальные белки – репрессоры, которые могут уменьшать активность синтеза РНК с этого гена – иначе говоря, уменьшать его экспрессию.

Строение генов у прокариот

Общий план строения генов у прокариот и эукариот не отличается – и те, и другие содержат регуляторную область с промотором и оператором, единицу транскрипции с кодирующей и нетранслируемыми последовательностями и терминатор. Однако организация генов у прокариот и эукариот отличается.

Рис. 18. Схема строения гена у прокариот (бактерий) – изображение увеличивается

В начале и в конце оперона есть единые регуляторные области для нескольких структурных генов. С транскрибируемого участка оперона считывается одна молекула и-РНК, которая содержит несколько кодирующих последовательностей, в каждой из которых есть свой старт- и стоп-кодон. С каждого из таких участков синтезируется один белок. Таким образом, с одной молекулы и-РНК синтезируется несколько молекул белка.

Для прокариот характерно объединение нескольких генов в единую функциональную единицу – оперон. Работу оперона могут регулировать другие гены, которые могут быть заметно удалены от самого оперона – регуляторы. Белок, транслируемый с этого гена называется репрессор. Он связывается с оператором оперона, регулируя экспрессию сразу всех генов, в нем содержащихся.

Для прокариот также характерно явление сопряжения транскрипции и трансляции.

Рис. 19 Явление сопряжения транскрипции и трансляции у прокариот – изображение увеличивается

Такое сопряжение не встречается у эукариот из-за наличия у них ядерной оболочки, отделяющей цитоплазму, где происходит трансляция, от генетического материала, на котором происходит транскрипция. У прокариот во время синтеза РНК на матрице ДНК с синтезируемой молекулой РНК может сразу связываться рибосома. Таким образом, трансляция начинается еще до завершения транскрипции. Более того, с одной молекулой РНК может одновременно связываться несколько рибосом, синтезируя сразу несколько молекул одного белка.

Строение генов у эукариот

Гены и хромосомы эукариот очень сложно организованы

У бактерий многих видов всего одна хромосома, и почти во всех случаях в каждой хромосоме присутствует по одной копии каждого гена. Лишь  немногие гены, например гены рРНК, содержатся в нескольких копиях. Гены и регуляторные последовательности составляют практически весь геном прокариот. Более того, почти каждый ген строго соответствует аминокислотной последовательности (или последовательности РНК), которую он кодирует (рис. 14).

Структурная и функциональная организация генов эукариот гораздо сложнее. Исследование хромосом эукариот, а позднее секвенирование полных последовательностей геномов эукариот принесло много сюрпризов. Многие, если не большинство, генов эукариот обладают интересной особенностью: их нуклеотидные последовательности содержат один или несколько участков ДНК, в которых не кодируется аминокислотная последовательность полипептидного продукта. Такие нетранслируемые вставки нарушают прямое соответствие между нуклеотидной последовательностью гена и аминокислотной последовательностью кодируемого полипептида. Эти нетранслируемые сегменты в составе генов называют интронами, или встроенными последовательностями, а кодирующие сегменты — экзонами. У прокариот лишь немногие гены содержат интроны.

Итак, у эукариот практически не встречается объединение генов в опероны, и кодирующая последовательность гена эукариот чаще всего разделена на транслируемые участки – экзоны, и нетранслируемые участки – интроны.

В большинстве случаев функция интронов не установлена. В целом, лишь около 1,5% ДНК человека являются ≪кодирующими≫, т. е. несут информацию о белках или РНК. Однако с учетом крупных интронов получается, что ДНК человека на 30% состоит из генов. Поскольку гены составляют относительно небольшую долю в геноме человека, значительная часть ДНК остается неучтенной.

Рис. 16. Схема строение гена у эукариот – изображение увеличивается

С каждого гена сначала синтезируется незрелая, или пре-РНК, которая содержит в себе как интроны, так и экзоны.

После этого проходит процесс сплайсинга, в результате которого интронные участки вырезаются, и образуется зрелая иРНК, с которой может быть синтезирован белок.

Рис. 20. Процесс альтернативного сплайсинга – изображение увеличивается

Такая организация генов позволяет, например, осуществить процесс альтернативного сплайсинга, когда с одного гена могут быть синтезированы разные формы белка, за счет того, что в процессе сплайсинга экзоны могут сшиваться в разных последовательностях.

Сравнение строения генов прокариот и эукариот

Рис. 21. Отличия в строении генов прокариот и эукариот – изображение увеличивается

МУТАЦИИ И МУТАГЕНЕЗ

Мутацией называется стойкое изменение генотипа, то есть изменение нуклеотидной последовательности.

Процесс, который приводит к возникновению мутаций называется мутагенезом, а организм, все клетки которого несут одну и ту же мутацию — мутантом.

Мутационная теория была впервые сформулирована Гуго де Фризом в 1903 году. Современный ее вариант включает в себя следующие положения:

1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно.

2. Мутации передаются из поколения в поколение.

3. Мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными, доминантными или рецессивными.

4. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследованных особей.

5. Сходные мутации могут возникать повторно.

6. Мутации не направленны.

Мутации могут возникать под действием различных факторов. Различают мутации, возникшие под действием мутагенных воздействий: физических (например, ультрафиолета или радиации), химических (например, колхицина или активных форм кислорода) и биологических (например, вирусов). Также мутации могут быть вызваны ошибками репликации.

В зависимости от условий появления мутации подразделяют на спонтанные — то есть мутации, возникшие в нормальных условиях, и индуцированые — то есть мутации, которые возникли при особых условиях.

Мутации могут возникать не только в ядерной ДНК, но и, например, в ДНК митохондрий или пластид. Соответственно, мы можем выделять ядерные и цитоплазматические мутации.

В результате возникновения мутаций часто могут появляться новые аллели. Если мутантный аллель подавляет действие нормального, мутация называется доминантной. Если нормальный аллель подавляет мутантный, такая мутация называется рецессивной. Большинство мутаций, приводящих к возникновению новых аллелей являются рецессивными.

По эффекту выделяют мутации адаптивные, приводящие к повышению приспособленности организма к среде, нейтральные, не влияющие на выживаемость, вредные, понижающие приспособленность организмов к условиям среды и летальные, приводящие к смерти организма на ранних стадиях развития.

По последствиям выделяются мутации, приводящие к потери функции белка, мутации, приводящие к возникновению у белка новой функции, а также мутации, которые изменяют дозу гена, и, соответственно, дозу белка синтезируемого с него.

Мутация может возникнуть к любой клетке организма. Если мутация возникает в половой клетке, она называется герминативной (герминальной, или генеративной). Такие мутации не проявляются у того организма, у которого они появились, но приводят к появлению мутантов в потомстве и передаются по наследству, поэтому они важны для генетики и эволюции. Если мутация возникает в любой другой клетке, она называется соматической. Такая мутация может в той или иной степени проявляться у того организма, у которого она возникла, например, приводить к образованию раковых опухолей. Однако такая мутация не передается по наследству и не влияет на потомков.

Мутации могут затрагивать разные по размеру участки генома. Выделяют генные, хромосомные и геномные мутации.

Генные мутации

Мутации, которые возникают в масштабе меньшем, чем один ген, называются генными, или точечными (точковыми). Такие мутации приводят к изменению одного и нескольких нуклеотидов в последовательности. Среди генных мутаций выделяют замены, приводящие к замене одного нуклеотида на другой, делеции, приводящие к выпадению одного из нуклеотидов, инсерции, приводящие к добавлению лишнего нуклеотида в последовательность.

Рис. 23. Генные (точечные) мутации

По механизму воздействия на белок, генные мутации делят на: синонимичные, которые (в результате вырожденности генетического кода) не приводят к изменению аминокислотного состава белкового продукта, миссенс-мутации, которые приводят к замене одной аминокислоты на другую и могут влиять на структуру синтезируемого белка, хотя часто они оказываются незначительными, нонсенс-мутации, приводящие к замене кодирующего кодона на стоп-кодон, мутации, приводящие к нарушению сплайсинга:

Рис. 24. Схемы мутаций

Также по механизму воздействия на белок выделяют мутации, приводящие к сдвигу рамки считывания, например, инсерции и делеции. Такие мутации, как и нонсенс-мутации, хоть и возникают в одной точке гена, часто воздействуют на всю структуру белка, что может привести к полному изменению его структуры.

Рис. 25. Схема мутации, приводящей к сдвигу рамки считывания

Хромосомные мутации

Рис. 26. Хромосомные абберации

Хромосомными мутациями называются мутации, которые затрагивают отдельные гены в рамках одной хромосомы. Различают делеции, когда теряется один или несколько генов, дупликации, когда удваивается тот или иной ген или несколько генов, инверсии, когда участок хромосомы поворачивается на 180 градусов, транслокации, когда гены переходят с одной хромосомы на другую. 

 

Рис. 27. Схемы хромосомных мутаций: делеции, дупликации, инверсии

Рис. 28. Транслокация	Рис. 29. Хромосома до и после дупликации

Геномные мутации

Наконец, геномные мутации затрагивают весь геном целиком, то есть меняется количество хромосом. Выделяют полиплоидии — увеличение плоидности клетки, и анеуплоидии, то есть изменение количества хромосом, например, трисомии (наличие у одной из хромосом дополнительного гомолога) и моносомии (отсутствие у хромосомы гомолога).

Видео по теме ДНК

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК, КОДИРОВАНИЕ РНК, СИНТЕЗ БЕЛКА

(Если видео не отображается оно доступно по ссылке→)

См. дополнительно:

• Нуклеиновые кислоты (PDF)
• Общие сведения о секвенировании биополимеров
• Метагеномика и микробиом
• Бактериальный иммунитет и система CRISPR/Cas
• Трансляция белка на рисбосоме (общие сведения)
• Раскрыт секрет спиральной структуры ДНК (новое о ДНК)
• Антимутагенные свойства пробиотиков (в свете защиты ДНК)
• МикроРНК, микробиом кишечника и иммунитет
• Эпигенетика, короткоцепочечные жирные кислоты и врожденная иммунная память
• Замедление старения: роль питательных веществ и микробиоты в модуляции эпигенома (о метилировании ДНК)

Литература в помощь:

Будьте здоровы!

ССЫЛКИ К РАЗДЕЛУ О ПРЕПАРАТАХ ПРОБИОТИКАХ

1. ПРОБИОТИКИ
2. ПРОБИОТИКИ И ПРЕБИОТИКИ
3. СИНБИОТИКИ
4. ДОМАШНИЕ ЗАКВАСКИ
5. КОНЦЕНТРАТ БИФИДОБАКТЕРИЙ ЖИДКИЙ
6. ПРОПИОНИКС
7. ЙОДПРОПИОНИКС
8. СЕЛЕНПРОПИОНИКС
9. ГЕМОПРОПИОВИТ
10. БИФИКАРДИО
11. ПРОБИОТИКИ С ПНЖК
12. МИКРОЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ
13. БИФИДОБАКТЕРИИ
14. ПРОПИОНОВОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ
15. МИКРОБИОМ ЧЕЛОВЕКА
16. МИКРОФЛОРА ЖКТ
17. ДИСБИОЗ КИШЕЧНИКА
18. МИКРОБИОМ и ВЗК
19. МИКРОБИОМ И РАК
20. МИКРОБИОМ, СЕРДЦЕ И СОСУДЫ
21. МИКРОБИОМ И ПЕЧЕНЬ
22. МИКРОБИОМ И ПОЧКИ
23. МИКРОБИОМ И ЛЕГКИЕ
24. МИКРОБИОМ И ПОДЖЕЛУДОЧНАЯ ЖЕЛЕЗА
25. МИКРОБИОМ И ЩИТОВИДНАЯ ЖЕЛЕЗА
26. МИКРОБИОМ И КОЖНЫЕ БОЛЕЗНИ
27. МИКРОБИОМ И КОСТИ
28. МИКРОБИОМ И ОЖИРЕНИЕ
29. МИКРОБИОМ И САХАРНЫЙ ДИАБЕТ
30. МИКРОБИОМ И ФУНКЦИИ МОЗГА
31. АНТИОКСИДАНТНЫЕ СВОЙСТВА
32. АНТИОКСИДАНТНЫЕ ФЕРМЕНТЫ
33. АНТИМУТАГЕННАЯ АКТИВНОСТЬ
34. МИКРОБИОМ и ИММУНИТЕТ
35. МИКРОБИОМ И АУТОИММУННЫЕ БОЛЕЗНИ
36. ПРОБИОТИКИ и ГРУДНЫЕ ДЕТИ
37. ПРОБИОТИКИ, БЕРЕМЕННОСТЬ, РОДЫ
38. ВИТАМИННЫЙ СИНТЕЗ
39. АМИНОКИСЛОТНЫЙ СИНТЕЗ
40. АНТИМИКРОБНЫЕ СВОЙСТВА
41. КОРОТКОЦЕПОЧЕЧНЫЕ ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ
42. СИНТЕЗ БАКТЕРИОЦИНОВ
43. АЛИМЕНТАРНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ
44. МИКРОБИОМ И ПРЕЦИЗИОННОЕ ПИТАНИЕ
45. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ
46. ПРОБИОТИКИ ДЛЯ СПОРТСМЕНОВ
47. ПРОИЗВОДСТВО ПРОБИОТИКОВ
48. ЗАКВАСКИ ДЛЯ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
49. НОВОСТИ

И транскрипция, и трансляция относятся к матричным биосинтезам. Матричным биосинтезом называется синтез
биополимеров (нуклеиновых кислот, белков) на матрице – нуклеиновой кислоте ДНК или РНК. Процессы матричного биосинтеза относятся к пластическому обмену: клетка расходует энергию АТФ.

Матричный синтез можно представить как создание копии исходной информации на несколько другом или новом
“генетическом языке”. Скоро вы все поймете – мы научимся достраивать по одной цепи ДНК другую, переводить РНК в ДНК
и наоборот, синтезировать белок с иРНК на рибосоме. В данной статье вас ждут подробные примеры решения задач, генетический словарик пригодится – перерисуйте его себе 🙂

Возьмем 3 абстрактных нуклеотида ДНК (триплет) – АТЦ. На иРНК этим нуклеотидам будут соответствовать – УАГ (кодон иРНК).
тРНК, комплементарная иРНК, будет иметь запись – АУЦ (антикодон тРНК). Три нуклеотида в зависимости от своего расположения
будут называться по-разному: триплет, кодон и антикодон. Обратите на это особое внимание.

Репликация ДНК – удвоение, дупликация (лат. replicatio — возобновление, лат. duplicatio – удвоение)

Процесс синтеза дочерней молекулы ДНК по матрице родительской ДНК. Нуклеотиды достраивает фермент ДНК-полимераза по
принципу комплементарности. Переводя действия данного фермента на наш язык, он следует следующему правилу: А (аденин) переводит в Т (тимин), Г (гуанин) – в Ц (цитозин).

Удвоение ДНК происходит в синтетическом периоде интерфазы. При этом общее число хромосом не меняется, однако каждая из них
содержит к началу деления две молекулы ДНК: это необходимо для равномерного распределения генетического материала между
дочерними клетками.

Транскрипция (лат. transcriptio — переписывание)

Транскрипция представляет собой синтез информационной РНК (иРНК) по матрице ДНК. Несомненно, транскрипция происходит
в соответствии с принципом комплементарности азотистых оснований: А – У, Т – А, Г – Ц, Ц – Г (загляните в “генетический словарик”
выше).

До начала непосредственно транскрипции происходит подготовительный этап: фермент РНК-полимераза узнает особый участок молекулы ДНК – промотор и связывается с ним. После связывания с промотором происходит раскручивание молекулы ДНК, состоящей из двух
цепей: транскрибируемой и смысловой. В процессе транскрипции принимает участие только транскрибируемая цепь ДНК.

Транскрипция осуществляется в несколько этапов:

• Инициация (лат. injicere — вызывать)

Образуется несколько начальных кодонов иРНК.

• Элонгация (лат. elongare — удлинять)

Нити ДНК последовательно расплетаются, освобождая место для передвигающейся РНК-полимеразы. Молекула иРНК
быстро растет.

• Терминация (лат. terminalis — заключительный)

Достигая особого участка цепи ДНК – терминатора, РНК-полимераза получает сигнал к прекращению синтеза иРНК. Транскрипция завершается. Синтезированная иРНК направляется из ядра в цитоплазму.

Трансляция (от лат. translatio — перенос, перемещение)

Куда же отправляется новосинтезированная иРНК в процессе транскрипции? На следующую ступень – в процесс трансляции.
Он заключается в синтезе белка на рибосоме по матрице иРНК. Последовательность кодонов иРНК переводится в последовательность
аминокислот.

Перед процессом трансляции происходит подготовительный этап, на котором аминокислоты присоединяются к соответствующим молекулам тРНК. Трансляцию можно разделить на несколько стадий:

• Инициация

Информационная РНК (иРНК, синоним – мРНК (матричная РНК)) присоединяется к рибосоме, состоящей из двух субъединиц.
Замечу, что вне процесса трансляции субъединицы рибосом находятся в разобранном состоянии.

Первый кодон иРНК, старт-кодон, АУГ оказывается в центре рибосомы, после чего тРНК приносит аминокислоту,
соответствующую кодону АУГ – метионин.

• Элонгация

Рибосома делает шаг, и иРНК продвигается на один кодон: такое в фазу элонгации происходит десятки тысяч раз.
Молекулы тРНК приносят новые аминокислоты, соответствующие кодонам иРНК. Аминокислоты соединяются друг с другом: между ними образуются пептидные связи, молекула белка растет.

Доставка нужных аминокислот осуществляется благодаря точному соответствию 3 нуклеотидов (кодона) иРНК 3 нуклеотидам (антикодону) тРНК. Язык перевода между иРНК и тРНК выглядит как: А (аденин) – У (урацил), Г (гуанин) – Ц (цитозин).
В основе этого также лежит принцип комплементарности.



Движение рибосомы вдоль молекулы иРНК называется транслокация. Нередко в клетке множество рибосом садятся на одну молекулу
иРНК одновременно – образующаяся при этом структура называется полирибосома (полисома). В результате происходит одновременный синтез множества одинаковых белков.



• Терминация

Синтез белка – полипептидной цепи из аминокислот – в определенный момент завершатся. Сигналом к этому служит попадание
в центр рибосомы одного из так называемых стоп-кодонов: УАГ, УГА, УАА. Они относятся к нонсенс-кодонам (бессмысленным), которые не кодируют ни одну аминокислоту. Их функция – завершить синтез белка.

Существует специальная таблица для перевода кодонов иРНК в аминокислоты. Пользоваться ей очень просто, если вы запомните, что
кодон состоит из 3 нуклеотидов. Первый нуклеотид берется из левого вертикального столбика, второй – из верхнего горизонтального,
третий – из правого вертикального столбика. На пересечении всех линий, идущих от них, и находится нужная вам аминокислота 🙂

Давайте потренируемся: кодону ЦАЦ соответствует аминокислота Гис, кодону ЦАА – Глн. Попробуйте самостоятельно найти
аминокислоты, которые кодируют кодоны ГЦУ, ААА, УАА.

Кодону ГЦУ соответствует аминокислота – Ала, ААА – Лиз. Напротив кодона УАА в таблице вы должны были обнаружить прочерк:
это один из трех нонсенс-кодонов, завершающих синтез белка.

Примеры решения задачи №1

Без практики теория мертва, так что скорее решим задачи! В первых двух задачах будем пользоваться таблицей генетического кода (по иРНК),
приведенной вверху.

“Фрагмент цепи ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов: ЦГА-ТГГ-ТЦЦ-ГАЦ. Определите последовательность нуклеотидов
во второй цепочке ДНК, последовательность нуклеотидов на иРНК, антикодоны
соответствующих тРНК и аминокислотную последовательность соответствующего фрагмента молекулы белка, используя таблицу генетического кода”

Объяснение:

По принципу комплементарности мы нашли вторую цепочку ДНК: ГЦТ-АЦЦ-АГГ-ЦТГ. Мы использовали следующие правила при нахождении второй нити
ДНК: А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.

Вернемся к первой цепочке, и именно от нее пойдем к иРНК: ГЦУ-АЦЦ-АГГ-ЦУГ. Мы использовали следующие правила при переводе ДНК в иРНК:
А-У, Т-А, Г-Ц, Ц-Г.

Зная последовательность нуклеотидов иРНК, легко найдем тРНК: ЦГА, УГГ, УЦЦ, ГАЦ. Мы использовали следующие правила перевода иРНК в тРНК:
А-У, У-А, Г-Ц, Ц-Г. Обратите внимание, что антикодоны тРНК мы разделяем запятыми, в отличие кодонов иРНК. Это связано с тем, что
тРНК представляют собой отдельные молекулы (в виде клеверного листа), а не линейную структуру (как ДНК, иРНК).

Пример решения задачи №2

“Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент цепи ДНК, на которой синтезируется участок центральной петли тРНК, имеет
следующую последовательность нуклеотидов: ТАГ-ЦАА-АЦГ-ГЦТ-АЦЦ. Установите нуклеотидную последовательность участка тРНК, который синтезируется
на данном фрагменте, и аминокислоту, которую будет переносить эта тРНК в процессе биосинтеза белка, если третий триплет соответствует антикодону
тРНК”

Обратите свое пристальное внимание на слова “Известно, что все виды РНК синтезируются на ДНК-матрице. Фрагмент цепи ДНК, на которой
синтезируется участок центральной петли тРНК “. Эта фраза кардинально меняет ход решения задачи: мы получаем право напрямую и сразу
синтезировать с ДНК фрагмент тРНК – другой подход здесь будет считаться ошибкой.

Итак, синтезируем напрямую с ДНК фрагмент молекулы тРНК: АУЦ-ГУУ-УГЦ-ЦГА-УГГ. Это не отдельные молекулы тРНК (как было
в предыдущей задаче), поэтому не следует разделять их запятой – мы записываем их линейно через тире.

Третий триплет ДНК – АЦГ соответствует антикодону тРНК – УГЦ. Однако мы пользуемся таблицей генетического кода по иРНК,
так что переведем антикодон тРНК – УГЦ в кодон иРНК – АЦГ. Теперь очевидно, что аминокислота кодируемая АЦГ – Тре.

Пример решения задачи №3

Длина фрагмента молекулы ДНК составляет 150 нуклеотидов. Найдите число триплетов ДНК, кодонов иРНК, антикодонов тРНК и
аминокислот, соответствующих данному фрагменту. Известно, что аденин составляет 20% в данном фрагменте (двухцепочечной
молекуле ДНК), найдите содержание в процентах остальных нуклеотидов.

Один триплет ДНК состоит из 3 нуклеотидов, следовательно, 150 нуклеотидов составляют 50 триплетов ДНК (150 / 3). Каждый триплет ДНК
соответствует одному кодону иРНК, который в свою очередь соответствует одному антикодону тРНК – так что их тоже по 50.

По правилу Чаргаффа: количество аденина = количеству тимина, цитозина = гуанина. Аденина 20%, значит и тимина также 20%.
100% – (20%+20%) = 60% – столько приходится на оставшиеся цитозин и гуанин. Поскольку их процент содержания равен, то
на каждый приходится по 30%.

Теперь мы украсили теорию практикой. Что может быть лучше при изучении новой темы? 🙂

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 1 мая 2023 года; проверки требует 1 правка.

У этого термина существуют и другие значения, см. Транскрипция.

Транскри́пция (от лат. transcriptio «переписывание») — происходящий во всех живых клетках процесс синтеза РНК с использованием ДНК в качестве матрицы; перенос генетической информации с ДНК на РНК.

Транскрипция катализируется ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой. РНК-полимераза движется по молекуле ДНК в направлении 5`- 3`^[1].

Если говорить о транскрипции белок-кодирующих участков, то единицей транскрипции бактерий является оперон — фрагмент молекулы ДНК, состоящий из промотора (оператора, с которым связывается белок-репрессор), транскрибируемой части (которая может содержать несколько белок-кодирующих последовательностей) и терминатора. У эукариот транскрибируемая часть обычно содержит одну белок-кодирующую последовательность.

Цепочка ДНК, которая служит шаблоном для достраивания РНК, называется кодирующей или матричной. Последовательность, полученная в результате такого синтеза РНК будет идентична последовательности некодирующей цепочки ДНК (исключая замену тимина ДНК на урацил РНК) согласно принципу комплементарности.

Транскрипция про- и эукариот[править | править код]

В бактериях транскрипцию катализирует единственная РНК-полимераза. Она состоит из основной части из пяти субъединиц (α₂ββ’ω) и σ-субъединицы (сигма-фактор), которая определяет связывание с промотором и является единственным фактором инициации транскрипции. У Escherichia coli, например, самая распространенная форма сигма-фактора — σ⁷⁰.

Клетки эукариот содержат как минимум 3 РНК-полимеразы, а растения — 5, которые для инициации и элонгации требуют набора факторов. РНК-полимераза II — основной фермент эукариотических клеток, катализирующий транскрипцию белок-кодирующих мРНК (и некоторых других РНК).

В бактериях, мРНК после транскрипции никак не модифицируется, и непосредственно во время транскрипции может происходить трансляция. В эукариотических клетках мРНК модифицируется в ядре — на неё навешивается 5′-кэп и синтезируется 3′-полиА-хвост, происходит сплайсинг. Затем мРНК может попасть в цитоплазму, где будет происходит трансляция.

Процесс транскрипции[править | править код]

Транскрипция состоит из стадий инициации, элонгации и терминации.

Инициация[править | править код]

Инициация транскрипции — процесс связывания ДНК-зависимой РНК-полимеразы с промотором и образования стабильного комплекса для продолжения транскрипции.

Инициация транскрипции может быть разбита на несколько шагов^[2].

1. РНК-полимераза (вместе с факторами инициации транскрипции у эукариот) связывается с промотором с образованием закрытого комплекса. В такой форме внутри комплекса находится двойная спираль ДНК.
2. Преобразование в открытый комплекс. Спираль ДНК на расстоянии около 13 пар нуклеотидов от точки старта транскрипции плавится, то есть цепи ДНК отделяются друг от друга. Участок разделённых спиралей ДНК называется транскрипционным пузырем.
3. Разделение цепей открывает доступ к некодирующей цепочке ДНК. Первые два рибонуклеотида выравниваются с шаблонной ДНК и соединяются. Далее удлинение РНК происходит при присоединении рибонуклеотидов к 3′-концу цепочки. Соединение первых 10 нуклеотидов — неэффективный процесс, поэтому транскрипция на этой стадии часто обрывается, короткий транскрипт высвобождается и синтез начинается снова. Такая пробуксовка полимеразы называется абортивной транскрипцией.
4. Как только полимеразно-промоторный комплекс образует транскрипт длиннее 10 нуклеотидов, он становится достаточно стабильным, чтобы продолжать транскрипцию и переходит в стадию элонгации. Также это называется избеганием промотора.

Инициация транскрипции — сложный процесс, зависящий от последовательности ДНК вблизи транскрибируемой последовательности (а у эукариот также и от более далеких участков генома — энхансеров и сайленсеров) и от наличия или отсутствия различных белковых факторов.

Элонгация[править | править код]

Момент перехода РНК-полимеразы от инициации транскрипции к элонгации точно не определён. Три основных биохимических события характеризуют этот переход в случае РНК-полимеразы кишечной палочки: отделение сигма-фактора, первая транслокация молекулы фермента вдоль матрицы и сильная стабилизация транскрипционного комплекса, который кроме РНК-полимеразы включает растущую цепь РНК и транскрибируемую ДНК. Эти же явления характерны и для РНК-полимераз эукариот. Переход от инициации к элонгации сопровождается разрывом связей между ферментом, промотором, факторами инициации транскрипции, а в ряде случаев — переходом РНК-полимеразы в состояние компетентности в отношении элонгации (например, фосфорилирование CTD-домена у РНК-полимеразы II). Фаза элонгации заканчивается после освобождения растущего транскрипта и диссоциации фермента от матрицы (терминация).

На стадии элонгации в ДНК расплетено примерно 18 пар нуклеотидов. Примерно 12 нуклеотидов матричной нити ДНК образует гибридную спираль с растущим концом цепи РНК. По мере движения РНК-полимеразы по матрице впереди неё происходит расплетание, а позади — восстановление двойной спирали ДНК. Одновременно освобождается очередное звено растущей цепи РНК из комплекса с матрицей и РНК-полимеразой. Эти перемещения должны сопровождаться относительным вращением РНК-полимеразы и ДНК. Трудно себе представить, как это может происходить в клетке, особенно при транскрипции хроматина. Поэтому не исключено, что для предотвращения такого вращения двигающуюся по ДНК РНК-полимеразу сопровождают топоизомеразы.

Элонгация осуществляется с помощью основных элонгирующих факторов, необходимых, чтобы процесс не останавливался преждевременно^[3].

В последнее время появились данные, показывающие, что регуляторные факторы также могут регулировать элонгацию. РНК-полимераза в процессе элонгации делает паузы на определённых участках гена. Особенно четко это видно при низких концентрациях субстратов. В некоторых участках матрицы длительные задержки в продвижении РНК-полимеразы, т. н. паузы, наблюдаются даже при оптимальных концентрациях субстратов. Продолжительность этих пауз может контролироваться факторами элонгации.

Терминация[править | править код]

У бактерий есть два механизма терминации транскрипции:

• ро-зависимый механизм, при котором белок Rho ([ро]) дестабилизирует водородные связи между матрицей ДНК и мРНК, высвобождая молекулу РНК.
• ро-независимый, при котором транскрипция останавливается, когда только что синтезированная молекула РНК формирует стебель-петлю, за которой расположено несколько урацилов (…УУУУ), что приводит к отсоединению молекулы РНК от матрицы ДНК.

Терминация транскрипции у эукариот менее изучена. Она завершается разрезанием РНК, после чего к её 3′ концу фермент добавляет несколько аденинов (…АААА), от числа которых зависит стабильность данного транскрипта^[4].

Транскрипционные фабрики[править | править код]

Существует ряд экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что транскрипция осуществляется в так называемых транскрипционных фабриках: огромных, по некоторым оценкам, до 10 МДа комплексах, которые содержат около 8 РНК-полимераз II и компоненты последующего процессинга и сплайсинга, а также корректирования новосинтезированного транскрипта^[5]. В ядре клетки происходит постоянный обмен между пулами растворимой и задействованной РНК-полимеразы. Активная РНК-полимераза задействована в таком комплексе, который в свою очередь является структурной организовывающей компактизацию хроматина единицей. Последние данные^[6] свидетельствуют о том, что транскрипционные фабрики существуют и в отсутствие транскрипции, они фиксированы в клетке (пока не ясно, взаимодействуют ли они с ядерным матриксом клетки или нет) и представляют собой независимый ядерный субкомпартмент. Комплекс транскрипционных фабрик, содержащих РНК полимеразу I, II или III, был проанализирован с помощью масс-спектрометрии.^[7]

Обратная транскрипция[править | править код]

Некоторые вирусы (такие как вирус иммунодефицита человека, вызывающий ВИЧ-инфекцию), имеют возможность транскрибировать РНК в ДНК. ВИЧ имеет РНК-геном, который встраивается в ДНК. В результате, ДНК вируса может быть объединена с геномом клетки-хозяина. Главный фермент, ответственный за синтез ДНК из РНК, называется ревертазой. Одной из функций ревертазы является создание комплементарной ДНК (кДНК) из вирусного генома. Ассоциированный фермент рибонуклеаза H расщепляет РНК, а ревертаза синтезирует кДНК из двойной спирали ДНК. кДНК интегрируется в геном клетки-хозяина с помощью интегразы. Результатом является синтез вирусных протеинов клеткой-хозяином, которые образуют новые вирусы. В случае с ВИЧ так же программируется апоптоз (смерть клетки) Т-лимфоцитов.^[8] В иных случаях клетка может остаться распространителем вирусов.

Некоторые клетки эукариот содержат фермент теломеразу, также проявляющую активность обратной транскрипции. С её помощью синтезируются повторяющиеся последовательности в ДНК. Теломераза часто активируются в раковых клетках для бесконечной дупликации генома без потери кодирующей протеины последовательности ДНК. Некоторые РНК-содержащие вирусы животных при помощи РНК-зависимой ДНК-полимеразы способны синтезировать ДНК, комплементарную по отношению к вирусной РНК. Она встраивается в геном эукариотической клетки, где может многие поколения оставаться в скрытом состоянии. При определённых условиях (например, воздействии канцерогенов) вирусные гены могут активироваться, и здоровые клетки превратятся в раковые.

Принципы транскрипции[править | править код]

• комплементарность — нуклеотиды РНК присоединяются по принципу комплементарность (как при репликации, но напротив А встраивается У);
• униполярность — синтез РНК идет в направлении 5’→3′, по матрице ДНК 3’→5′;
• антипараллельность — синтезируемая цепь РНК антипараллельна матрице ДНК;
• асимметричность — транскрибируется только одна цепочка ДНК — матричная (некодирующая, антисмысловая);
• беззатравочность — для транскрипции не требуется праймер.

Примечания[править | править код]

Среди всех областей и без того бурно развивающейся молекулярной биологии одной из наиболее процветающих является биология некодирующих РНК — РНК, которые никогда не «переводятся» в белки. Каждый год становятся известны всё новые и новые виды некодирующих РНК, участвующих в самых замысловатых молекулярных процессах. Кроме того, накапливается всё больше свидетельств того, что некоторые некодирующие РНК все-таки транслируются, правда, не в большие белки, а в короткие пептиды. Как же так получается? Каковы функции кодируемых этими РНК пептидов? Пока на эти вопросы нет исчерпывающего ответа. Тем не менее, что-то все-таки начинает проясняться, и об этом мы сегодня и поговорим.

Как известно, геном эукариотических организмов активно транскрибируется, однако только ничтожная часть транскриптов приходится на матричные РНК (мРНК), которые кодируют белки. Так, у большинства млекопитающих транскрипции подвергается около 85% генома, но лишь 4% приходится на последовательности, кодирующие белки [1]. Большинство транскриптов так и остаются РНК, хотя и могут подвергаться различным модификациям. Эти транскрипты называют некодирующими РНК (нкРНК). Наиболее изучены такие нкРНК, как рибосомные (рРНК) и транспортные (тРНК), однако известно множество других типов некодирующих РНК, которые, как правило, участвуют в различных процессах, регулирующих экспрессию генов . К их числу относятся как совсем небольшие молекулы, например, микроРНК, так и вполне солидные, длиной больше 200 нуклеотидов — их объединяют в группу длинных некодирующих РНК (днкРНК). Некоторые нкРНК представляют собой не линейные молекулы, а ковалентно замкнутые в кольцо; такие молекулы составляют группу кольцевых РНК.

«Биомолекула» не раз писала о разных аспектах биологии некодирующих РНК: об РНК-интерференции — важнейшем механизме регуляции экспрессии генов, ключевую роль в котором играют некодирующие РНК [2]; об РНК-регуляторах [3]; о двухцепочечных РНК [4] и о применении антисмысловых РНК в медицине [5].

Хотя ученые постоянно открывают всё новые и новые типы некодирующих РНК, наши старые знакомые, давно известные нкРНК, совсем недавно начали открываться с новой стороны. Оказывается, некоторые из них не такие уж и некодирующие, а могут подвергаться трансляции с образованием вполне функциональных пептидов. Пока возможность трансляции удалось доказать только для длинных некодирующих РНК, предшественников микроРНК и кольцевых РНК. Наш обзор посвящен именно этой таинственной и малоизученной стороне биологии (не)кодирующих РНК.

Длинные некодирующие РНК

К числу длинных некодирующих РНК относят нкРНК, длина которых превышает 200 нуклеотидов. В клетках днкРНК вовсе не являются диковинкой: по оценкам, в человеческом геноме имеется около 16 тысяч генов, которые в общей сложности кодируют 28 тысяч длинных некодирующих РНК. Таких РНК больше, чем генов, которые их кодируют, потому что транскрипт, считанный с одного гена, разрезается на несколько самостоятельных молекул, каждая из которых функционирует как днкРНК. Группа длинных некодирующих РНК очень разнородна: некоторые ее представители являются антисмысловыми РНК (то есть транскриптами, считанными с белок-кодирующих генов, но в обратном направлении); другие соответствуют вырезанным из мРНК интронам; наконец, третьи считываются с длинных межгенных промежутков.

Функции, которые могут выполнять длинные некодирующие РНК, также в высшей степени разнообразны. Они могут регулировать транскрипцию белок-кодирующих генов, связываться с различными белками, влияя на их функционирование, а также контролировать процессы созревания других РНК, их экспорт из ядра и синтез белка. Кажется логичным, что в некоторых длинных некодирующих РНК могут найтись хотя бы совсем короткие открытые рамки считывания: длинная последовательность будет содержать рамку считывания с бóльшей вероятностью, чем короткая. Кроме того, длинные некодирующие РНК локализуются преимущественно в цитоплазме, где и происходит трансляция, и созревают так же, как мРНК: они транскрибируются РНК-полимеразой II, подвергаются сплайсингу, имеют кэп и поли(А)-хвост. Действительно, недавно подсчитали, что более 40% днкРНК потенциально могут транслироваться в пептиды, состоящие более чем из десяти аминокислотных остатков. Каким же образом удалось это установить? Как правило, применяли метод, известный как рибосомное профилирование (хотя, заметим, часто используют не совсем правильный перевод термина — «рибосомальный профилинг» — прим. ред.) [1].

Функциональные пептиды пока известны только для четырех длинных некодирующих РНК. У дрозофилы есть днкРНК pncr003:2L, которая содержит две открытые рамки считывания, соответствующие пептидам длиной менее 30 аминокислотных остатков. Оба этих пептида обнаруживаются в диадах — местах соединения Т-трубочек и цистерн саркоплазматического ретикулума в мышечных клетках. При нокауте или нокдауне соответствующего гена у мух наблюдается повышенная аритмия сердечных сокращений. Вероятнее всего, оба пептида участвуют в обмене кальция в мышечных клетках и взаимодействуют с кальциевой АТФазой саркоплазматического ретикулума, которая откачивает ионы кальция из цитозоля в саркоплазматический ретикулум в ходе расслабления мышцы [1].

О нокауте и нокдауне читайте в статье нашего спецпроекта «12 методов в картинках» «Генная инженерия. Часть II: инструменты и техники» [8].

У мышей есть пептид миорегулин (MLN), состоящий из 46 аминокислотных остатков и считывающийся с длинной некодирующей РНК. Он синтезируется в скелетных мышцах, но не в сердечной и гладких мышцах. Миорегулин связывается с изоформой кальциевой АТФазы саркоплазматического ретикулума, специфичной для скелетных мышц, и подавляет её работу, препятствуя откачке кальция из цитоплазмы в саркоплазматический ретикулум. Мыши, нокаутные по миорегулину, оказываются выносливее мышей дикого типа и имеют бóльшее содержание кальция в саркоплазматическом ретикулуме [1].

Мышиная длинная некодирующая РНК, известная как DWORF, тоже специфична для мышечной ткани и содержит открытую рамку считывания из 34 кодонов. Соответствующий пептид также взаимодействует с кальциевой АТФазой саркоплазматического ретикулума, препятствуя ее связыванию с миорегулином и другими пептидами, подавляющими ее активность, и таким образом способствует ее активной работе [1].

Человеческая длинная некодирующая РНК LINC00961 кодирует пептид из 90 аминокислотных остатков, получивший название SPAR. У мышей тоже есть этот пептид, однако он состоит из 75 аминокислот. SPAR локализуется в поздних эндосомах и лизосомах и взаимодействует с лизосомной АТФазой. У мышей, нокаутных по SPAR’у, наблюдается повышенная способность к регенерации мышц за счет усиленной работы сигнального пути mTORC1, который у мышей дикого типа подавляется SPAR’ом [1].

Предшественники микроРНК

МикроРНК представляют собой короткие одноцепочечные РНК длиной от 18 до 22 нуклеотидов. Процессинг микроРНК включает два основных этапа. На первом этапе длинный транскрипт, считанный с гена микроРНК и обозначаемый «при-микроРНК», разрезается на более короткие предшественники — пре-микроРНК. Далее пре-микроРНК выходят из ядра в цитоплазму и разрезаются на собственно микроРНК. Понятно, что микроРНК слишком коротки, чтобы что-то кодировать. А вот предшественники, например, при-микроРНК, вполне могут содержать открытые рамки считывания. Кроме того, при-микроРНК имеют кэп на 5′-конце и поли(А)-хвост на 3′-конце, как мРНК.

Пока что только у растений удалось выявить белковые продукты при-микроРНК. Первичный транскрипт miR171b люцерны усеченной содержит две рамки считывания, соответствующие пептидам длиной 20 и 5 аминокислотных остатков. Наиболее длинный пептид (miPEP171b) удалось выявить в зачатках боковых корней растения. Выяснилось, что miPEP171b способствует накоплению микроРНК, соответствующей тому же гену. Хотя бы одна открытая рамка считывания имеется у примерно 50 при-микроРНК резуховидки Таля — популярного модельного объекта. Удалось показать, что один из кодируемых ими пептидов, miPEP165a, консервативен среди всех капустноцветных и тоже повышает накопление микроРНК, считываемой с того же гена. Обработка проростков искусственным miPEP165a приводила к увеличению длины корней. Аналогичный эффект на соответствующие микроРНК показан для ряда других пептидов, считываемых с при-микроРНК, однако конкретный механизм, лежащий в основе этого эффекта, остается загадкой [1].

Кольцевые РНК

Кольцевые РНК — это молекулы РНК, ковалентно замкнутые в кольцо . Большинство кольцевых РНК содержит экзоны, однако типичная трансляция в их случае невозможна. Дело в том, что для посадки рибосомы на обычную мРНК необходим 5′-концевой кэп — видоизмененный гуаниновый нуклеотид. У кольцевых РНК нет концов, поэтому у них не может быть и кэпа. Однако некоторые клеточные и многие вирусные РНК транслируются без помощи кэпа. Для посадки рибосомы на них необходим особый элемент вторичной структуры, известный как IRES (англ. internal ribosome entry site), поэтому теоретически кольцевые РНК, содержащие IRES, могут транслироваться. Действительно, удалось экспериментально показать трансляцию искусственной кольцевой РНК, содержащей IRES, причем трансляция проходила по механизму катящегося кольца.

Кольцевым РНК посвящен обзор «Власть колец: всемогущие кольцевые РНК» [9].

Благодаря отсутствию концов трансляция кольцевых РНК, число нуклеотидов в которых кратно трем, может приводить к образованию длинных полипептидов (теоретически бесконечной длины), состоящих из повторяющихся блоков одних и тех же аминокислот. В этом случае ограничение длины пептида будет связано лишь с процессивностью (то есть способностью функционировать, не отсоединяясь от матрицы) рибосомы. Если же число нуклеотидов в кольцевой РНК не кратно трем, то каждый оборот трансляции будет сопровождаться сдвигом рамки считывания, и продуктом будет цепочка из повторов трех различных полипептидов. Нечто похожее происходит у некоторых вироидов — субвирусных агентов, геном которых представлен кольцевой молекулой РНК. У них три разных полипептида образуются с одной и той же кольцевой РНК за счет сдвигов рамки считывания. Однако свидетельств в пользу существования такой «бесконечной» трансляции в клетках пока нет [10].

Пока совсем немного экспериментальных свидетельств и в целом трансляции клеточных кольцевых РНК. У дрозофилы удалось «поймать» рибосому с помощью профилирования на 37 кольцевых РНК, однако для большинства РНК соответствующие им пептиды не идентифицированы. Удалось, однако, выделить пептид, считываемый с кольцевой РНК circMbl. Другая кольцевая РНК, circ-ZNF609, содержит открытую рамку считывания длиной 753 нуклеотида, и многие молекулы этой РНК выделены в составе полисомных комплексов (то есть связанными с несколькими рибосомами). Кроме того, в ней содержится последовательность, соответствующая IRES. С помощью искусственных конструктов удалось показать возможность трансляции открытой рамки считывания из circ-ZNF609, однако сам пептид не выделили. У человека обнаружили 250 кольцевых РНК, связанных с полисомами, и идентифицировали 33 пептида, закодированных кольцевыми РНК [1].

Многие мРНК (как клеточные, так и вирусные) подвергаются особой модификации — метилированию аденозина (сокращенное обозначение m⁶A). Метилирование аденозина заключается в присоединении метильной группы к атому азота у шестого атома углерода аденина (рис. 2).

Функциональное значение этой модификации состоит в создании сайтов связывания для различных белков. Мотивы, которые наиболее часто подвергаются метилированию аденозина, выявлены и во многих кольцевых РНК. Чтобы проверить, влияет ли метилирование аденозина на трансляцию кольцевых РНК, проанализировали интенсивность трансляции искусственных кольцевых РНК, кодирующих зеленый флуоресцентный белок (GFP) . Оказалось, что кольцевые РНК, содержащие по крайней мере один метилированный остаток аденозина, транслируются активнее, а мутации, делающие метилирование невозможным, отрицательно сказываются на эффективности трансляции [1].

Зеленый флуоресцентный белок стал верным помощником ученых в изучении самых разнообразных клеточных процессов. Об открытии и применении GFP можно прочитать в нашей статье «Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии» [11]

На что может влиять трансляция некодирующих РНК

Наряду со специфическими эффектами, связанными с трансляцией конкретных некодирующих РНК, трансляция нкРНК в целом также может иметь значение для физиологии клетки и развития болезней. Даже нефункциональные пептиды могут сказываться на жизнедеятельности клетки, например, могут выступать в роли аутоантигенов, вызывающих аутоиммунный ответ . Стоит также отметить, что методы, которыми мы сейчас располагаем, не позволяют идентифицировать редкие или быстро разрушаемые пептиды, которые, тем не менее, могут быть физиологически значимы. Кроме того, многие некодирующие РНК транслируются только в клетках определенного типа или при особых условиях. Наконец, сама трансляция может иметь эффекты, не связанные с образованием новых белков. В некоторых случаях трансляция запускает разрушение транслируемого транскрипта, например, по пути нонсенс-опосредованного распада (англ. nonsense-mediated decay, NMD). Подавление NMD в мышиных эмбриональных стволовых клетках привело к повышению экспрессии (более чем в полтора раза) 46 из 265 проанализированных длинных некодирующих РНК. Трансляция днкРНК также может сказываться на их локализации [1], [10].

Различным аспектам аутоиммунитета посвящен спецпроект «Биомолекулы» «Аутоиммунные заболевания».

Подводя итог, можно сказать, что мы только-только начали приоткрывать завесу тайны над трансляцией некодирующих РНК и знаем совсем немного, поэтому будем с нетерпением ждать новых открытий в этой интереснейшей области молекулярной биологии.

1. Lian-Ju Li, Rui-Xue Leng, Yin-Guang Fan, Hai-Feng Pan, Dong-Qing Ye. (2017). Translation of noncoding RNAs: Focus on lncRNAs, pri-miRNAs, and circRNAs. Experimental Cell Research. 361, 1-8;
2. Обо всех РНК на свете, больших и малых;
3. Большие дела небольших молекул: как малые РНК дирижируют генами бактерий;
4. Двухцепочечная РНК защищает трансгенные растения только от нежелательных насекомых;
5. Есть ли смысл в антисенсах?;
6. 12 методов в картинках: полимеразная цепная реакция;
7. 12 методов в картинках: секвенирование нуклеиновых кислот;
8. 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть II: инструменты и техники;
9. Власть колец: всемогущие кольцевые РНК;
10. Lesca M. Holdt, Alexander Kohlmaier, Daniel Teupser. (2017). Molecular roles and function of circular RNAs in eukaryotic cells. Cell. Mol. Life Sci.;
11. Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии.