8.1: Вступ до транскрипції

Щоб отримати генетичну інформацію у формі, яка легко читається, а потім використовується для синтезу функціонуючих білків, ДНК спочатку потрібно транскрибувати в РНК (рибонуклеїнову кислоту). Як ми бачили в розділі 1, РНК надзвичайно схожа на ДНК, використовуючи деякі ті ж азотисті основи (аденін, гуанін, цитозин), а також один унікальний для РНК, урацил. Зверніть увагу, що урацил дуже схожий на тимін (глава 7, рис. 1), особливо в розміщенні та відстані атомів, що зв'язують водень. Оскільки саме воднево-зв'язуюча взаємодія цих основ (тобто сполучення гуаніна з цитозином, аденін - тимін/урацил) становить основу передачі інформації від вихідної ДНК до дочірньої клітинної ДНК, логічно очікувати, що для переміщення використовується такий же механізм сполучення основи інформація від стану зберігання в двоцепочечной нуклеїнової кислоти (ДНК) до більш корисних/придатного для використання стану у вигляді одноцепочечной нуклеїнової кислоти (РНК).

Малюнок\(\PageIndex{1}\). Рибонуклеїнова кислота (РНК) являє собою полімер нуклеотидів аденіну, гуаніну, цитозину та урацилу, з'єднаних фосфодіефірними зв'язками 3'-5'.

На відміну від своєї клітинної ролі як тимчасового та одноразового носія генетичної інформації, РНК вважається первинною молекулою, відповідальною за те, щоб зробити життя можливим на землі. Давно постулювалося, що він виконував подвійні ролі як сховище генетичної інформації, так і як рудиментарний фермент для дії на цю інформацію. На жаль, хіміки-пребіотики десятиліттями зупиняються в придуманні розумного синтетичного шляху, за допомогою якого РНК могла б виникнути з простих молекул земного споконвічного «супу». Ключова проблема полягала в тому, що рибоза могла синтезуватися, хоча і не особливо ефективно, і основи можна було синтезувати, але з'єднати їх між собою не було можливості. Хімія не допускала б реакції конденсації між підставами та цукрами. У 2009 році, залишивши позаду звичайну ідею про те, що рибонуклеотиди повинні бути синтезовані з рибози та пуринів/піримідинів, Powner, Gerland та Sutherland (Nature 459:239-242, 2009) показали, що насправді рибонуклеотиди можуть бути синтезовані з хімічних умов новоутвореного земля. Замість того, щоб намагатися зробити кожну «частину» і зібрати їх разом, Powner et al синтезували молекулу, яка містила частини того, що врешті-решт буде як рибозою, так і піримідином, 2-амінооксазолом. Через низку реакцій, які використовували фосфат як каталізатор і поглинач, всі з яких були явно правдоподібними в сучасній моделі первинної землі, були створені як рибоцитидин, так і рибуридин. Звичайно, це тільки початок, так як це не поширюється безпосередньо на утворення пуринових нуклеотидів, але це дуже значний крок в пребіотичної хімії, і відмінний приклад достоїнств «виходити за межі коробки» іноді.

Процес копіювання ДНК в РНК називається транскрипцією. Як у прокаріотів, так і у еукаріотів транскрипція вимагає певних контрольних елементів (послідовностей нуклеотидів всередині ДНК), щоб протікати належним чином. Ці елементи є промоутером, стартовим сайтом і стоп-сайтом. Необхідність впізнаваної точки для початку та точки для завершення процесу досить очевидна. Промоутер дещо інший. Промоутер контролює частоту транскрипції. Якщо ви уявляєте потреби клітини в будь-який момент часу, явно не всі генні продукти потрібні в однаковій кількості одночасно. Повинен бути спосіб контролювати, коли або якщо відбувається транскрипція, і з якою швидкістю.

Версія процесу з голими кістками йде приблизно так: (1) спеціальні док-білки розпізнають послідовність промотора і зв'язуються з нею, розпакуючи невеликий розділ навколо «стартового» сайту; (2) РНК-полімераза зв'язується з цими спеціальними білками і з маленькою частинкою одноланцюгової ДНК, яка щойно відкрилася; ( 3) фермент helicase (частина або приєднаний до полімерази) розпаковує ДНК; (4) РНК-полімераза слідує за хеліказою, «зчитуючи» послідовність ДНК, беручи рибонуклеотиди з навколишнього середовища, зіставляючи їх з шаблоном ДНК, і якщо вони збігаються, додаючи їх до попереднього рибонуклеотиду або РНК ланцюг. Це триває до тих пір, поки полімераза не досягне місця зупинки, і в цей момент вона від'єднується від шаблонної ДНК, також звільняючи новоспечену копію РНК цієї ДНК. Звичайно, якби це було все, що було, не було б цілих журналів, присвячених вивченню РНК, її транскрипції та контролю над цією транскрипцією.

Послідовність роботи промоутера безпосередньо пов'язана з його функцією. Можуть бути промотори для домашнього господарства генів (необхідні постійно, але при низькій кількості копій), «нормальні» гени (необхідні, як диктує ситуація клітини, швидкість транскрипції також змінюється), гени реакції на стрес (потрібні рідко) та безліч інших категорій. Навіть в межах категорії послідовність промоутера визначає його силу. Це базується на тому, що відомо як «послідовність консенсусу». Консенсусна послідовність є теоретичним «найкращим» промотором, заснованим на опитуванні всіх генів певної категорії. На малюнку нижче показано вирівнювання послідовностей промоторів безлічі різних генів, всі з яких регулюються одним і тим же типом промотора і промоутер-зв'язуючого білка. Виділені поля показують області, зосереджені навколо -35 (35 нуклеотидів вище за течією від початкової ділянки) і -10.

Малюнок\(\PageIndex{2}\). Вищі контрольні послідовності різних генів кишкової палички. Нижче наведено послідовність консенсусу для σ ⁷⁰ промоутерів.

Консенсусна послідовність на малюнку\(\PageIndex{2}\) показує найпоширеніший нуклеотид, знайдений у кожній позиції в межах цих областей подібності. У цьому прикладі показаний найпоширеніший прокаріотичний промотор: промотор σ ⁷⁰, так званий тому, що він розпізнається і пов'язаний коефіцієнтом транскрипції σ ⁷⁰. [Тут, і за загальноприйнятою конвенцією, послідовності розпізнавання ДНК записуються як нуклеотиди відбуватимуться від 5 'до 3' на сенсі, або не шаблоні, нитка.] Це промоутер з двох частин, з регіоном, зосередженим навколо -35 (консенсус TTGACA), і регіон (іноді називається Pribnow box, консенсус TATAAT) зосереджений навколо -10. Знак (-) вказує на те, що нуклеотид знаходиться «вище за течією» від стартового місця. Вгору за течією означає «ліворуч», коли нуклеотиди записуються у вигляді рядка букв, і це означає «на 5' стороні» стосовно 5'-3' спрямованості нитка ДНК. Зверніть увагу на взаємозв'язок між різними окремими промоутерами та послідовність консенсусу. Загалом, ті промоутери, які мають більше матчів послідовності консенсусу, є сильнішими промоутерами.

Кілька абзаців тому завдання промоутера визначалося як контроль частоти транскрипції. Як він це робить? Що означає бути сильнішим (або слабшим) промоутером? По-перше, майте на увазі, що експресія будь-якого даного гена не є автоматичною або 100%. У будь-який момент часу багато генів клітини будуть близько 0% або вимкнені. Однак навіть гени, які включаються, транскрибуються з різною швидкістю. Одним з керівних факторів є розпізнавання сайту промоутера РНК-полімеразою. Для сильніших промоторів РНК-полімераза частіше розпізнає сайт, правильно стикується, відкриває подвійну спіраль і починає транскрипцію. З іншого боку, РНК-полімераза потенційно може розпізнавати слабші промотори, але це менш імовірно, щоб зробити це, замість того, щоб пройти його як просто ще один неважливий розтяг ДНК. Хоча це частково питання розпізнавання полімеразою, майте на увазі, що це насправді регулюється розпізнаванням послідовності промоторів загальними факторами транскрипції (які будуть обговорюватися незабаром), такими як сигма-фактори у прокаріотів, які визнаються полімеразою.

Зверніть увагу, що існує велика частка (A) денінів та (T) гімінів у послідовностях промоторів σ ⁷⁰. Це справедливо для багатьох промоутерів як в прокаріотичних, так і в еукаріотичних генах. Як ви, напевно, підозрювали, це вигідно, оскільки між парами A-T є лише дві H-облігації (на відміну від 3 H-облігацій між парами G-C), а це означає, що розпакувати на 33% легше.