4 Д ә ріс Та қ ырып : Транскрипция

Жоспар: 1. Транскрипция процесінің негізгі сипаттамасы. РНҚ синтезінің матрицалық принципі. 2. Прокариоттардағы транскрипция. Кезеңдері. Ферменттік комплекс. Алғашқы транскрипттің құрылысы. 3. Эукариоттардағы транскрипция. Кезеңдері. Ферменттік комплекс. Алғашқы транскрипттің құрылысы. 4. РНҚ посттранскрипциялық модификациясы. Сплайсинг. Альтернативті сплайсинг. 2

Бізге таныс процесс ДНҚ-ның репликациясы кезінде генетикалық материал екі еселеніп, бөліну нәтижесінде пайда болған жас жасушаларға беріледі. Сонымен қатар, тіршілікке қажетті заттар түзу үшін, жасушада генетикалық материалдардың жүзеге асырылуы (экспрессия) жүреді. Генетикалық материалдардың берілуі келесі процестер арқылы жүреді: репликация, транскрипция, трансляция ДНҚ ДНҚ РНҚ белок 3

Бірақ, экспрессия ядродағы барлық генетикалық материалдарда бір мегзілде жүрмей, оның бір бөлігінде ғана (бір генде ғана) жүреді. Ал, геннің транскрипциясы мен трансляциясын біріктіріп, геннің экспрессиясы дейді. Әртүрлі клеткаларда түрлі гендердің экспрессиясы жүреді. Сондықтан, жасушалардың бір-бірінен ерекше болуы осы қасиеттеріне байланысты. 4

Генетикалық материалдың экспрессияся 5

Ағзаның тұқым қуалайтын факторларын В.Л. Иогансен 1909 ж. ген деп атады. Т.Морганның Ген туралы теория атты шығармасында (1926) берген анықтамасы бойынша: Ген - хромосоманың бөлiгi - бiр белгiнiң жарыққа шығуына жауап беретiн, бөлшектенбейтiн, тұқым қуалау қызметінің, мутацияның және рекомбинацияның бiрлiгi деген. Гендер хромосомада бiр сызық бойында орналасқан және өз қызметiн бiр-бiрiне тәуелсiз атқарады. 6

Қазiргi ген теориясы - молекулалық генетиканың туындысы. Ал, генiң құрылымы мен қызметiн анықтауға мүмкiндiк берген А.С. Серебровский, Дж. Бидл және Е.Татум, С. Бензердiң жұмыстары. Сол жұмыстардың нәтижесiнде ген теориясының кағидасы қалыптасты онда: Ген деп, бiр полипетидтiк тiзбектiң синтезiне жауап беретін ДНҚ молекуласының бір бөлiгiн айтады. 7

Күрделi генетикалық талдау нәтижесiнде Бензер геннiң құрылымын анықтап, генетикалық ақпараттың функционалдік бiрлiгiн цистрон - деп атауды ұсынды. Цистрон – бір полипептидті тізбекті анықтайтын ДНҚ-ның бөлігі. 8

Цистронды рекомбинация бiрлiгi - реконға және мутация бiрлiгi - мутонға бөлшектеуге болады. Рекон - бiр нуклеотидтер жұбынан тұратын, рекомбинацияға қабілетті ДНҚ-нiң ең кiшi бөлiгi. Мутон - бiр жұп нуклеотидтерге тең мутацияға қабылеттi ДНҚ молекуласының ең кiшi бөлiгi. Ал, цистрон - мың жұп нуклеотидтерден тұратын, классикалық генетиканың ген ұғымына үйлесiмдi, аса үлкен бiрлiк. 9

Геннiң құрылысын зерттеу молекулалық биология мен гендiк инженерияның жетiстiктерiне негiзделген. Осы зерттеулер нәтижелерiнiң бiрi - прокариоттар мен эукариоттар гендерiнiң құрылысындағы айырмашылықтың ашылуы. 10

Прокариоттар гендері тек ғана ақпараты бар (экзондар) бөліктерден тұрады. Эукариоттар гендері бiрiнен соң бiрi орналасқан ақпараты бар (экзондар) және ақпаратсыз (интрондар) бөлiктерден тұрады. 11 ЭКЗ ИНТЭКЗИНТЭКЗИНТЭКЗИНТЭКЗИНТ

Қазіргі кезге дейін әртүрлі ағзалардағы гендер саны нақты анықталған емес. Соңғы мәліметтер бойынша адамдағы гендер саны жуық (В.И.Иванов, 2006 ж.) Ал, адам геномындағы ДНҚ жиынтығының 3-6% ғана ақуыздар туралы ақпараттар бар. 12

Ақпараттары жоқ бөліктерге интрондар, 5' және 3 ұштарында орналасқан реттеуші гендер, энхансерлер (транскрипцияны күшейтетіндер), сайленсерлер (транскрипцияны әлсірететіндер) жатады. Сонымен қатар ақпараттары жоқ бөліктерге саттелитті ДНҚ-ғы қайталанатын бөліктер жатады, олар хромосоманың центромерлік және теломерлік аудандарында орналасқан. 13

Генетикалық материалдың экспрессиясы 2 этаптан тұрады: 1. Транскрипция – жасуша ядросында белгілі бір геннің ақпаратына сәйкес келетін арнай матрицалық РНҚ-ның түзілуі. Бұл процестің мағанасы – ақуыз туралы ақпарат, қозғалмайтын үлкен ДНҚ молекуласынан, көлемі кіші қозғалыш матрицалық РНҚ-ға көшіріледі. 14

2.Трансляция - матрицалық РНҚ- ғы бағдарламаға сәйкес ақуыздың цитоплазмадағы рибосомада синтезделуі. Бұл процестің мағанасы – полипептидті тізбектегі амин қышқылдарының орналасу ретін анықтау. 15

І. Транскрипция процесінің негізгі сипаттамасы Барлық ядросы бар жасушаларда ДНҚ-ның транскрипциясы жүріп жатады. Ал, бөліну процесі жүріп жатқан жасушада трнаскрипция, жасушалық циклдың кез-келген уақытында жүреді, бірақ ДНҚ-ның репликациясы жасушаның бөлініп жатқан кезінде жүрмейді. 16

Прокариоттарда ондай шектеу жоқ, олардың жасушалық циклы өте қысқа (20-40мин.), сондықтан ДНҚ молекуласының әртүрлі бөлігінде репликация мен транскрипция бір мезгілде жүреді. 17

Транскрипция – деп генетикалық ақпаратттың ДНҚ- дан РНҚ-ға көшіріліп жазылуын айтады. РНҚ синтезделу үшін ДНҚ-ның матрицалық тізбегі қызмет атқарады (3 / 5 / ). Транскрипция ДНҚ молекуласының ұзына бойында емес, оның тек 1 гені орналасқан бөлігінде жүреді. Транскрипцияны қамтамасыз ететін процесс РНҚ –полимеразамен іс жүзіне асырылады. Эукариоттарда оның 3 түрі бар: 1. РНҚ-полимераза І – пре-р РНҚ-ны синтездейді; 2. РНҚ-полимераза ІІ - пре-м РНҚ-ны синтездейді; 3. РНҚ-полимераза ІІІ - пре-т РНҚ-ны синтездейді; Прокариоттарда РНҚ-полимераза 6 суббөлшектен тұрады: 1. Ơ- сигма – транскрипцияның басталуына жауап береді, 2. α, α, β, β, ω (омега) - транскрипцияның элонгациясына жауап береді. 18

РНҚ-полимераза ферменті ДНҚ молекуласының бойымен жылжып, кезекпенен рибонуклео- тидтерді өсіп жатқан тізбекке қосып отырады, ол тізбек ДНҚ–ның матрицалық тізбегіндегі нуклеотидтерге комплементарлы. РНҚ-ның синтезіне субстрат болатын рибонуклеозидтрифосфат (рНТФ), олар тізбекке қосылу барысында 2 фосфат қалдығын жоғалтып, процесті энергиямен қамтамасыз етеді. Тізбектің өсу бағыты 5 3 ұшына қарай жүреді, ол тізбектегі бір нуклеотидтің екінші нуклеотидке қосылуы 3 ұшында жүретінін көрсетеді. Бұл процестер ДНҚ синтезіне ұқсас. 19

Транскрипция процесі Транскрипция процесі 20 ДНҚ деспиралденуі ДНҚ спиралденуі РНҚ полимераза А РНҚ

ДНҚ синтезінен айырмашылықтары да бар 1. Процестің асимметриялығы – матрица ретінде ДНҚ бір тізбегі ғана қолданылады. 2. Процестің консервативтігі – ДНҚ молекуласы РНҚ-ның синтезі аяқталған соң бастапқы қалпына келеді. 3. РНҚ-ның синтезі басталар кезінде ешқандай РНК-паймер немесе бастауыш қажет емес. 21

Транскрипция процесі 3 этаптан тұрады: 1. Инициация, 2. Элонгация, 3. Терминация. Транскрипцияның ең маңызды этапы – инициация, онда РНҚ-полимераза промотрмен байланысып, нуклеотидтер арасында бірінші байланыс түзіледі. 22

Инициация этапы: Прокариоттарда РНҚ-полимераза матрицалық тізбекті тауып, тікелей промотрдың құрамындағы белгілі бір нуклеотидтер жұбының қатарын анықтайды – ол Прибнов бокс (5`-ТАТААТ-3`қатары). Оны табатын РНҚ-полимеразаның құрамындағы Ơ- суббөлшегі. Ол қатарлар транскрипция басталатын нүкте алдындағы нуклеотидтерден «-10» және «-35» ара-қашықтықта орналасқан. «-10» ауданында ТАТААТ қатары орналасқан, оны Прибнов бокс немесе домен деп атайды (Прибнов 1975г.). « -35 » ауданда ТТГАЦА қатары орналасқан (Travers 1981), оның ДНҚ тізбегінің біреуінде орналасуы, РНҚ-полимеразаға қай тізбектен мәліметтерді көшіру қажет екенін көрсетеді. 23

Прокариоттардың промоторлары Прибнов боксы Транскрипция старты К өделенетін бөлік 24

РНҚ-полимераза промотормен байланысып, ДНҚ-ның қос тізбегін алшақтатады, «-10» ауданындағы нуклеотидтердің айналасында транскрипциялық шеңбер пайда болады. Соған байланысты шеңбер аймағындағы ДНҚ- ның матрицалық тізбегінде орналасқан нуклеотидтеріне рНТФ-тың жұптасуына мүмкіндік туады. Құрылып жатқан РНҚ тізбегіне бірінші болып пуриндік нуклеотидтер А мен Г орналасып, бірінші мен екінші нуклеотидтер арасында алғашқы фосфорлық байланыс түзіліп, 5 3 ұшына қарай бағытталады. Содан кейін Ơ- суббөлшегі РНҚ- полимеразадан ажырап кетеді. Инициация процесі кезінде 10 жұп негіздерден тұратын гибридті ДНҚ-РНҚ-олигонуклеотид синтезделеді де, трнаскрипцияның инициациясы аяқталады. 25

РНҚ-полимераза ДНҚ тізбектерін тарқатып болған соң Ơ- суббөлшегі, оның құрамынан ажырап кетеді. Енді оған тетрамерден (α, α, β, β`) тұратын РНҚ- полимераза қосылып, элонгация этапы жүре бастайды. Элонгация барлық матрицалық процестер сияқты 5 3' бағытта жүреді және жаңадан синтезделген РНҚ молекуласы матрицалық тізбекке комплементарлы болады. РНҚ тізбегінің ұзаруы РНҚ-полимераза ферментінің көмегімен, рибонуклеозид-трифосфаттардан сол тізбекке рибо-нуклеозидмонофосфаттарды қосу арқылы жүреді. Транскрипция жылдамдығы бактериялар жасушасында секундына 3050 нуклеотид. 26

РНҚ полимеразаның бактерия ДНҚ-да транскрипция жүргізуі Транскрипциялық шеңбер РНҚ ДНҚ тізбегі Матриц. ДНҚ тізбегі 27

Прокариоттарда РНҚ молекуласының синтезделген бір бөлігі транскрипция аяқталмай-ақ 5' ұшымен рибосомаға байланысып, трансляция жүре бастайды. Ал, 3' ұшында транскрипцияны тоқтататын ДНҚ-ның терминаторлық қатарлары орналасқан. Терминация - транскрипцияның соңғы этапы. Терминацияға сигнал болатын геннің соңғы жағында орналасқан Г Ц бай бөліктері. Прокариоттарда терминацияның 2 типі бар: 1. ρ – тәуелді, ρ-факторының қатысуын қажет етеді, 2. ρ – тәуелді емес. 28

а-РНҚ транскрипциясының схемасы 29

Транскрипция аяқталған соң прокариоттар мен эукариоттарда биохимиялық реакциялардың бір қатар тізбегі жүреді. Ол реакциялар РНҚ бастамаларының пісіп жетілуін қамтамасыз етеді. Мысалы, про-тРНҚ т-РНҚ, про-р РНҚ р- РНҚ, про-м РНҚ м-РНҚ айналуы. м-РНҚ пісіп жетілуін қамтамасыз ететін реакциялар жиынтығын процессинг деп атайды. 30

Процессинг м РНҚ-ның пісіп жетілуі Процессингте м РНҚ молекуласында келесі өзгерістер жүреді: 1. метилдену және кэп-процесі; 2. полиаденилдену; 3. сплайсинг. 31

Про-м РНҚ-ға 5-ұшынан 7– метилгуанилді нуклеотид жалғасады – «қалпақша» компанентті немесе «кэп». Кэп-процесі гуанилтрансфераза мен метилтрансфераза ферменттері арқылы іс жүзіне асырылады. КЭП- процесі мРНҚ-ны тұрақтандыру және трансляцияны реттеу үшін қажет. РНҚ синтезделіп болған соң 3'–ұшынан поли (А)-полимераза фрагментінің көмегімен полиаденил қышқылы жалғасады. Осы процесс полиаденилдену деп аталады. 32

Пісіп жетілген аРН Қ құ рылысы 33 5 ұ шы кэп 5 транскр жүрмей Инициац. кодон Кодтаушы бөлік Терминац. кодон 3 транскр жүрмей Поли А фрагмент

Осындай геннiң транскрипциясының нәтижесiнде экзондар мен интрондардан тұратын, геннiң толық көшiрмесi про - аРНҚ пайда болады. Ол ақуыз синтезiнде қалып бола алмайды. Про - а РНҚ-ның пiсiп жетiлу процессi (процессинг) жүредi, бұл кезде РНҚ модификацияланады, интрондар кесiлiп алынып, экзондар қосылып тiгiледi (сплайсинг). Процессинг нәтижесiнде тек ақпараты бар бөлiктерден тұратын пісіп жетiлген а -РНҚ пайда болады, кейiн ол цитоплазмаға өтiп, трансляцияға қатысады. 34

Эукариоттар гендерінің транскрипциясы. 35

Эукариоттарда гендердiң транскрипциясының реттелуi күрделi түрде жүредi. Әр ген бiрнеше реттеушi- генмен бақылануы мүмкiн. Сонымен қатар, гендердiң активтiлiгi генетикалық ақпараттың жүзеге асырылуының барлық кезеңдерiнде (репликация, транскрипция, трансляция, және аРНҚ мен полипептидтiк тiзбектердiң пiсiп жетiлуiнде) реттеледi. Бұл кезде хроматиннiң тығыздалу денгейiне жауапты гистондық белоктардың да рөлi зор. 36

Эукариоттардағы гендiк активтiлiктi реттеу мысалы ретiнде альтернативтiк сплайсинг деген құбылысты да келтiруге болады - бiр про-аРНҚ молекуласынан әр түрлi интрондардың кесiлуi нәтижесiнде бiрнеше түрлi аРНҚ-лар, оларға сай түрлi полипетидтiк тiзбектер пайда болады (иммуноглобулиннiң гендерi). 37

Альтернативті сплайсинг Бұл, бір гендегі экзондардың әртүрлі комбинация жасап қосылу нәтижесінде, әртүрлі пісіп жетілген мРНҚ түзілуі. Альтернативті сплайсинг кезінде бір геннен бірнеше пісіп жетілген мРНҚ түзіледі, олардың экзондар жиынтығында айырмашылық бар және атқаратын қызметтері бірдей немесе әртүрлі болуы мүмкін. 38