в какой части клетки происходит транскрипция

Что такое биосинтез белка в клетке

В статье мы дадим опре­де­ле­ние био­син­те­зу и рас­смот­рим ос­нов­ные этапы син­те­за белков. Разберёмся, чем трансляция отличается от транскрипции.

В клетках непрерывно идут процессы обмена веществ — процессы синтеза и распада веществ. Каж­дая клет­ка син­те­зи­ру­ет необ­хо­ди­мые ей ве­ще­ства. Этот про­цесс на­зы­ва­ет­ся био­син­те­зом.

Био­син­тез — это про­цесс со­зда­ния слож­ных ор­га­ни­че­ских ве­ществ в ходе био­хи­ми­че­ских ре­ак­ций, про­те­ка­ю­щих с по­мо­щью фер­мен­тов. Биосинтез необходим для выживания — без него клетка умрёт.

Одним из важнейших процессов биосинтеза в клетке является процесс биосинтеза белков, который включает в себя особые реакции, встречающиеся только в живой клетке — это реакции матричного синтеза. Матричный синтез — это синтез новых молекул в соответствии с планом, заложенным в других уже существующих молекулах.

Синтез белка в клетке протекает при участии специальных органелл — рибосом. Это немембранные органеллы, состоящие из рРНК и рибосомальных белков.

Последовательность аминокислот в каждом белке определяется последовательностью нуклеотидов в гене — участке ДНК, кодирующем именно этот белок. Соответствие между последовательностью аминокислот в белке и последовательностью нуклеотидов в кодирующих его ДНК и иРНК определяется универсальным правилом — генетическим кодом.

Информация о белке может быть записана в нуклеиновой кислоте только одним способом — в виде последовательности нуклеотидов. ДНК построена из 4 видов нуклеотидов: аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г), цитозина (Ц), а белки — из 20 видов аминокислот. Таким образом, возникает проблема перевода четырёхбуквенной записи информации в ДНК в двадцатибуквенную запись белков. Генетический код — соотношения нуклеотидных последовательностей и аминокислот, на основе которых осуществляется такой перевод.

Процесс синтеза белка в клетке можно разделить на два этапа: транскрипция и трансляция.

Транскрипция — первый этап биосинтеза белка

Транскрипция — это процесс синтеза молекулы иРНК на участке молекулы ДНК.

Транскрипция (с лат. transcription — переписывание) происходит в ядре клетки с участием ферментов, основную работу из которых осуществляет транскриптаза. В этом процессе матрицей является молекула ДНК.

Спе­ци­аль­ный фер­мент на­хо­дит ген и рас­кру­чи­ва­ет уча­сток двой­ной спи­ра­ли ДНК. Фер­мент пе­ре­ме­ща­ет­ся вдоль цепи ДНК и стро­ит цепь ин­фор­ма­ци­он­ной РНК в со­от­вет­ствии с прин­ци­пом ком­пле­мен­тар­но­сти. По мере дви­же­ния фер­мен­та рас­ту­щая цепь РНК мат­ри­цы от­хо­дит от мо­ле­ку­лы, а двой­ная цепь ДНК вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся. Когда фер­мент до­сти­га­ет конца ко­пи­ро­ва­ния участ­ка, то есть до­хо­дит до участ­ка, на­зы­ва­е­мо­го стоп-ко­до­ном, мо­ле­ку­ла РНК от­де­ля­ет­ся от мат­ри­цы, то есть от мо­ле­ку­лы ДНК. Таким об­ра­зом, тран­скрип­ция — это пер­вый этап био­син­те­за белка. На этом этапе про­ис­хо­дит счи­ты­ва­ние ин­фор­ма­ции путём син­те­за ин­фор­ма­ци­он­ной РНК.

Копировать информацию, хотя она уже содержится в молекуле ДНК, необходимо по следующим причинам: синтез белка происходит в цитоплазме, а молекула ДНК слишком большая и не может пройти через ядерные поры в цитоплазму. А маленькая копия её участка — иРНК — может транспортироваться в цитоплазму.

После транскрипции громоздкая молекула ДНК остаётся в ядре, а молекула иРНК подвергается «созреванию» — происходит процессинг иРНК. На её 5’ конец подвешивается КЭП для защиты этого конца иРНК от РНКаз — ферментов, разрушающих молекулы РНК. На 3’ конце достраивается поли(А)-хвост, который также служит для защиты молекулы. После этого проходит сплайсинг — вырезание интронов (некодирующих участков) и сшивание экзонов (информационных участков). После процессинга подготовленная молекула транспортируется из ядра в цитоплазму через ядерные поры.

Транскрипция пошагово:

Проверьте себя: помните ли вы принцип комплементарности? Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей. Цепи в молекуле ДНК противоположно направлены. Остов цепей ДНК образован сахарофосфатными остатками, а азотистые основания одной цепи располагаются в строго определённом порядке напротив азотистых оснований другой — это и есть правило комплементарности.

Трансляция — второй этап биосинтеза белка

Трансляция — это перевод информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот.

Что же происходит в клетке? Трансляция представляет собой непосредственно процесс построения белковой молекулы из аминокислот. Трансляция происходит в цитоплазме клетки. В трансляции участвуют рибосомы, ферменты и три вида РНК: иРНК, тРНК и рРНК. Глав­ным по­став­щи­ком энер­гии при трансляции слу­жит мо­ле­ку­ла АТФ — аде­но­з­ин­три­фос­фор­ная кис­ло­та.

Во время транс­ля­ции нук­лео­тид­ные по­сле­до­ва­тель­но­сти ин­фор­ма­ци­он­ной РНК пе­ре­во­дят­ся в по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот в мо­ле­ку­ле по­ли­пеп­тид­ной цепи. Этот про­цесс идёт в ци­то­плаз­ме на ри­бо­со­мах. Об­ра­зо­вав­ши­е­ся ин­фор­ма­ци­он­ные РНК вы­хо­дят из ядра через поры и от­прав­ля­ют­ся к ри­бо­со­мам. Ри­бо­со­мы — уни­каль­ный сбо­роч­ный ап­па­рат. Ри­бо­со­ма сколь­зит по иРНК и вы­стра­и­ва­ет из опре­де­лён­ных ами­но­кис­лот длин­ную по­ли­мер­ную цепь белка. Ами­но­кис­ло­ты до­став­ля­ют­ся к ри­бо­со­мам с по­мо­щью транс­порт­ных РНК. Для каж­дой ами­но­кис­ло­ты тре­бу­ет­ся своя транс­порт­ная РНК, ко­то­рая имеет форму три­лист­ни­ка. У неё есть уча­сток, к ко­то­рому при­со­еди­ня­ет­ся ами­но­кис­ло­та и дру­гой три­плет­ный ан­ти­ко­дон, ко­то­рый свя­зы­ва­ет­ся с ком­пле­мен­тар­ным ко­до­ном в мо­ле­ку­ле иРНК.

Це­поч­ка ин­фор­ма­ци­он­ной РНК обес­пе­чи­ва­ет опре­де­лён­ную по­сле­до­ва­тель­ность ами­но­кис­лот в це­поч­ке мо­ле­ку­лы белка. Время жизни ин­фор­ма­ци­он­ной РНК ко­леб­лет­ся от двух минут (как у неко­то­рых бак­те­рий) до несколь­ких дней (как, на­при­мер, у выс­ших мле­ко­пи­та­ю­щих). Затем ин­фор­ма­ци­он­ная РНК раз­ру­ша­ет­ся под дей­стви­ем фер­мен­тов, а нук­лео­ти­ды ис­поль­зу­ют­ся для син­те­за новой мо­ле­ку­лы ин­фор­ма­ци­он­ной РНК. Таким об­ра­зом, клет­ка кон­тро­ли­ру­ет ко­ли­че­ство син­те­зи­ру­е­мых бел­ков и их тип.

Трансляция пошагово:

По промокоду BIO92021 вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 9 класса. Выберите нужный раздел и изучайте биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»!

Резюме

Теперь вы знаете, что биосинтез необходим для выживания — без него клетка умрёт. Процесс биосинтеза белков включает в себя особые реакции, встречающиеся только в живой клетке, — это реакции матричного синтеза.

Син­тез белка со­сто­ит из двух эта­пов: тран­скрип­ции (об­ра­зо­ва­ние ин­фор­ма­ци­он­ной РНК по мат­ри­це ДНК, про­те­ка­ет в ядре клет­ки) и транс­ля­ции (эта ста­дия про­хо­дит в ци­то­плаз­ме клет­ки на ри­бо­со­мах). Эти этапы сменяют друг друга и состоят из последовательных процессов.

Источник

Биосинтез белка и генетический код: транскрипция и трансляция белка

Биосинтез белка и генетический код

Биосинтез белка — это ферментативный процесс синтеза белков в клетке, в котором принимают участие три структурных элемента клетки: ядро, цитоплазма и рибосомы.

Молекулы ДНК в ядре клетки сохраняют информацию обо всех белках, синтезирующихся в этой клетке. Эта информация находится в зашифрованном виде — шифруется 4-буквенным кодом.

Генетический код представляет собой последовательность расположения нуклеотидов в молекуле ДНК, определяющей последовательность аминокислот в молекуле белка.

Генетический код обладает следующими свойствами:

К примеру, такая кислота как цистеин кодируется при помощи триплета А-Ц-А. В отношении валина — это Ц-А-А.

Если взять аминокислоту тирозин, то она кодируется при помощи двух триплетов.

УАГ, УАА, УГА — три несодержательных кодона, не кодирующие аминокислоты. Предполагается, что они выступают в качестве стоп-сигналов, благодаря которым происходит разделение генов в молекуле ДНК.

Ген — участок молекулы ДНК, для которого свойственна определенная последовательность нуклеотидов. Ген определяет синтез одной полипептидной цепи.

Этапы биосинтеза белка: транскрипция и трансляция

Транскрипция белка

Этапы биосинтеза белка основаны на двух процессах: транскрипции и трансляции.

Самый популярный вопрос в рамках этой темы — где происходит синтез белка. И только потом разбираются с этапами синтеза белка (и схемой биосинтеза белка).

Любая белковая молекула имеет структуру, закодированную в ДНК. В ее синтезе эта ДНК не принимает непосредственного участия. Роль белковой молекулы — роль матрицы для синтеза РНК.

Далее охарактеризуем функции различных видов РНК в биосинтезе белка.

Где и как происходит биосинтез белка? Синтез белка происходит в, а точнее, синтез белка происходит на рибосомах — в основном они размещаются в цитоплазме. Поэтому, чтобы генетическая информация из ДНК передалась к месту, где белок синтезируется, необходим посредник.

Роль такого посредника играет иРНК.

Первый этап биосинтеза белка — транскрипция.

Транскрипция (переписывание) — процесс синтеза молекулы иРНК на одной цепи молекулы ДНК, в основе которого лежит принцип комплементарности.

Биосинтез белка происходит в рибосомах — с этим мы разобрались.

Где происходит транскрипция? Этот процесс осуществляется в ядре клетки.

Транскрипция происходит в одно и то же время не на всей молекуле ДНК — для этого достаточно одного небольшого участка, отвечающего за определенный ген. Часть двойной спирали ДНК раскручивается, и короткий участок одной из цепей оголяется. Роль матрицы в синтезе молекул иРНК выполняет этот же участок.

Далее в дело вступает фермент РНК-полимераза, который движется вдоль этой цепи. Он соединяет нуклеотиды в цепь иРНК, тем самым удлиняя ее.

Процесс транскрипции осуществляется одновременно на нескольких генах одной хромосомы и на генах разных хромосом.

иРНК, образованная в результате, имеет последовательность нуклеотидов — точную копию последовательности нуклеотидов на матрице.

Если молекула ДНК содержит азотистое основание цитозин, то иРНК — гуанин и наоборот. Комплементарная пара ДНК — аденин-тимин, РНК — аденин-урацил.

тРНК и рРНК (другие типы РНК) синтезируются на специальных генах.

Специальные триплеты строго фиксируют начало и конец синтеза всех типов РНК на матрице ДНК. Они же осуществляют контроль запуска и остановку синтеза (инициирующие и терминальные). Между генами они играют роль «разделительных знаков».

Аминокислоты соединяются с тРНК в цитоплазме. По своей форме молекула тРНК — лист клевера. Вверху этого листа находится антикодон: триплет нуклеотидов, отвечающий за кодировку аминокислоты (ее эта тРНК и переносит).

Количество тРНК определяется количеством аминокислот.

Так как много аминокислот кодируется при помощи нескольких триплетов, то количество тРНК превышает 20. Сегодня известно примерно 60 тРНК.

Ферменты — связующее звено между аминокислотами и тРНК. С помощью молекул тРНК осуществляется транспортировка аминокислот к рибосомам.

Кратко о трансляции в биологии

Что такое трансляция в биологии и как связан с трансляцией биосинтез белка?

В биологии трансляция — это процесс реализации информации о структуре белка, представленной в иРНК последовательностью нуклеотидов, как последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка.

Как и где происходит биосинтез белка в рамках трансляции и какова схема синтеза белка?

Первый этап трансляции белка — присоединение иРНК к рибосоме. Далее трансляция в биологии — это нанизывание первой рибосомы, синтезирующей белок, на иРНК. Далее трансляция синтеза белка основывается на нанизывании новой рибосомы — по мере того, как предыдущая рибосома продвигается на конец иРНК, который освобождается.

Одна иРНК может одновременно вмещать свыше 80 рибосом, синтезирующих один и тот же белок.

Полирибосома или полисома — группа рибосом, соединенных с одной иРНК,

Информация, записанная на иРНК (а не рибосома), определяет вид синтезируемого белка. Разные белки могут синтезироваться одной и той же рибосомой. Рибосома отделяется от иРНК после того, как синтез белка завершается. Заключительный этап трансляции — это синтез белка или его поступление в эндоплазматическую сеть.

Рибосома включает две субъединицы: малую и большую. Присоединение молекулы иРНК происходит к малой субъединице. Место, в котором рибосома и иРНК контактируют, содержит 6 нуклеотидов (2 триплета). Из цитоплазмы к одному из триплетов постоянно подходят тРНК с различными аминокислотами. Своим антикодоном они касаются кодона иРНК. В случае комплементарности кодона и антикодона, возникает пептидная связь: она образуется между аминокислотой уже синтезированной части белка и аминокислотой, доставляемой тРНК.

Фермент синтетазы участвует в соединении аминокислот в молекулу белка. После отдачи аминокислоты молекула тРНК переходит в цитоплазму, в результате чего рибосома перемещается на один триплет нуклеотидов. Таким образом, происходит последовательный синтез полипептидной цепи. Этот процесс длится до момента достижения рибосомой одного из трех терминирующих кодонов: УАА, УАГ или УГА. Как только это происходит, синтез белка останавливается.

Последовательность того, как аминокислоты включаются в цепь белка, определяется последовательностью кодонов иРНК. В каналы эндоплазматического ретикулюма поступают синтезированные белки. Синтез одной молекулы белка в клетке происходит в течение 1-2 минут.

Схема синтеза белка выглядит следующим образом:

Из схемы биосинтеза белка выше вы можете понять, на чем осуществляется синтез белков, как происходит биосинтез белка, и что кроется за трансляцией и транскрипцией.

Также предлагаем изучить таблицу биосинтеза белка. Здесь описано, как осуществляется синтез белков в клетке, описываются кратко транскрипция и трансляция (этапы синтеза белка).

Таблица биосинтеза белка:

​​​​​​​

Из таблицы становится ясно, как проходит синтез белка, какие основные этапы синтеза белка, какова роль транскрипции в биосинтезе белка, где происходит синтез белков (место), а также кратко описаны стадии биосинтеза белка.

Таким образом мы охарактеризовали функции различных видов РНК в биосинтезе белков. На примере трансляции и транскрипции мы рассмотрели основные этапы биосинтеза белка.

Это информация о синтезе (биосинтезе) белка кратко.

Источник

Транскрипция и трансляция

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.

Транскрпиция (лат. transcriptio — переписывание)

Образуется несколько начальных кодонов иРНК.

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

Трансляция (от лат. translatio — перенос, перемещение)

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.

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»

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»

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.

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

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

Транскрипция в хроматине: как проходить сквозь стены

Автор

Редактор

Перед РНК-полимеразой стоит сложная задача реализации генетической информации путем осуществления транскрипции. На своем пути фермент встречает массу препятствий. ДНК находится в комплексе с белками и плотно упакована, образуя нуклеосомы, которые создают барьер для полимераз, но несут важные регуляторные сигналы. Так как же транскрипционная машина проходит через нуклеосомы?

Гистоновый код

Молекула ДНК упакована в ядре плотно. Она, объединяясь с белками-гистонами, образует хроматин, который имеет определенную структуру: его единицей является нуклеосома, состоящая из восьми молекул гистонов и намотанной на них ДНК (примерно 160 п.н.). Дополнительный девятый (линкерный) гистон H1 не входит в центральное нуклеосомное «ядро», а фиксирует нить ДНК на поверхности каждой нуклеосомы.

Хроматин находится под чуткой регуляцией многих систем. Он начинает строиться сразу, как только перед делением клетка удваивает свой генетический материал [1]. Изучение его структуры важно не только с теоретической точки зрения: известно, что в раковых клетках нарушено строение хромосом, увеличено ядрышко (немембранное образование в ядре клетки, легко различимое с помощью микроскопии), и вскрытие причин этих аномалий позволит разработать новые терапевтические подходы. Интересно, что с изменением размера ядрышка связывают колебания активности белков, облегчающих транскрипцию в хроматине, — например, белкового комплекса FACT [2]. О преодолении сложностей транскрипции нуклеосомной ДНК и пойдет речь дальше.

Нуклеосомная ДНК 1,65 раза оборачивается вокруг белкового ядра нуклеосомы, которое состоит из гетеродимеров гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4 [3]. N-концы гистонов выходят за пределы такой «катушки» (видно на заглавном рисунке) и играют важную регуляторную роль. На них, как флажки, появляются различные модификации, которые дают сигналы другим молекулам. Набор модификаций представляет собой часть эпигенетического кода — гистоновый код, который участвует в регуляции экспрессии генов. Выделяют сигналы, способствующие транскрипции определенных генов, или, наоборот, препятствующие ей. Некоторые модификации говорят о том, что ДНК в этой зоне нуждается в ремонте (репарации), или о том, что здесь закодирован элемент, который не несет информации о белке, а является регуляторным. Модификации гистонов узнаются, влекут за собой каскады реакций, по необходимости убираются или заменяются на новые. Таким образом, гистоновый код динамичен: он отражает потребности клетки в конкретный момент времени и очень важен для ее нормальной жизнедеятельности.

Нуклеосомы преграждают путь РНК-полимеразам

РНК-полимеразы реализуют генетическую информацию, синтезируя РНК на матрице ДНК. Прочитывая ген, они должны получить доступ к каждому нуклеотиду цепи. Однако когда нуклеотидная цепочка находится в составе нуклеосомы, это затрудняет работу полимеразы. Гистоны связывают те участки ДНК, которые должны быть прочитаны. Для преодоления такого рода препятствия РНК-полимеразы могут «скинуть» гистоны со своего пути, но тогда потеряются и белковые модификации, под регуляцией которых находился ген. Однако существуют и способы преодоления нуклеосом с их сохранением на ДНК. На данный момент описаны оба варианта и, видимо, они сосуществуют в клетке.

Полимераза прошла, нуклеосома осталась, но изменилась

Рисунок 1. U-образная форма нуклеосом в районе активных генов. Трехмерная реконструкция из [5].

Клетки одного организма содержат одинаковый набор генов, но при этом они разные: есть нервные, есть мышечные и т.д. В определенном типе клеток активны характерные для него гены. РНК-полимераза прочитывает только их, остальные заблокированы и молчат. Нуклеосомы активных генов несут специальные модификации (например, ацетилирование гистонов), есть у них и другие особенности [4, 5, 6]. Нуклеосомы в тех местах, где проходит РНК-полимераза, часто имеют U-образную форму (рис. 1).

Нулеосома в районе активных генов может вообще «раскрываться». То есть ядро из восьми гистонов делится на две части из четырех молекул. «Развернутые» нуклеосомы накапливаются ближе к концу гена [7]. Это может быть обусловлено тем, что РНК-полимераза, расплетая двойную спираль ДНК, создает в ней напряжение. Особенно сильным оно будет в конце гена. Интересно, что после прекращения транскрипции обычная форма нуклеосом восстанавливается [8].

РНК-полимеразы, объединяясь, сметают нуклеосомы

Гены могут быть активны по-разному: с некоторых РНК считывается относительно редко, с некоторых гораздо чаще. В том числе существуют гены, работающие только в определенных тканях. Например, в 85% типов рака активен ген теломеразы — особого белка, который способен достраивать концы хромосом. Это один из механизмов, помогающих клеткам делиться бесконечно при патологии [9].

В случае интенсивной транскрипции гистоны могут терять связь с ДНК, если РНК-полимеразы прочитывают ген одна за другой. Уже после прохода через нуклеосому первой полимеразы часто пара гистонов Н2А–Н2В уходит в раствор (рис. 2), но шанс «выжить» у оставшихся шести гистонов еще есть. А при активной транскрипции, когда две РНК-полимеразы идут прямо друг за другом, с ДНК уходит весь октамер [10]. Интересно, что такие следующие друг за другом ферменты работают более эффективно. Они лучше справляются с тем барьером, который создает нуклеосома. Вторая РНК-полимераза как бы подталкивает первую и не дает ей отступать назад (что иногда случается).

Рисунок 2. Во время транскрипции гистоны могут уходить из состава нуклеосомы. Если на участке ДНК проходит только один раунд транскрипции, то теряются преимущественно гистоны Н2А–Н2В. Если РНК-полимеразы идут друг за другом, то ДНК может полностью высвобождаться. Рисунок из [10], адаптирован.

РНК-полимеразы могут пройти через нуклеосому

Итак, если уровень транскрипции не очень высок, то у нуклеосом есть шанс «выжить». Это влечет за собой возможность сохранения гистоновых модификаций в том же месте хроматина, где они и были раньше, что может быть важно для жизни клетки. Американскими учеными с российскими корнями в 2009 году был предложен механизм прохождения через нуклеосому без ее удаления для РНК-полимеразы II, транскрибирующей большинство генов эукариот [11].

Постулируется, что нуклеосома сохранится, если при расплетении нуклеотидной цепи в каждый момент времени гистоны будут связывать хотя бы часть нуклеосомной ДНК. Как это возможно, если РНК-полимераза должна прочитать все «буквы» без исключения? Оказывается, важнейшим моментом такого механизма является заключение фермента в петлю. То есть возможно перехватывание гистонов цепочкой ДНК. Опытным путем показали, что сначала РНК-полимераза расплетает только часть нуклеосомной ДНК. Затем, когда фермент прочитывает эту свободную от связей с белками часть цепи, она закручивается обратно. В этот момент восстанавливаются связи с гистонами у той ДНК, что уже оказалась позади РНК-полимеразы. Такое состояние в литературе называют нулевой петлей. Затем фермент продолжает свой путь и освобождает от белков вторую половину нуклеосомной ДНК (рис. 3). Важно отметить, что при такой работе системы некоторые гистоны все-таки теряются. Часто из состава нуклеосомы уходит один гетеродимер белков Н2А и Н2В.

Рисунок 3. Механизм «сквозной» транскрипции. 1) РНК-полимераза приближается к нуклеосоме. 2) Фермент «отворачивает» часть нуклеосомной ДНК, освобождая ее от связи с гистонами. 3) РНК-полимераза оказывается в петле, когда восстанавливаются связи ДНК, оставшейся позади фермента, с гистонами. 4) Вторая часть нуклеосомной ДНК расплетается. 5) Когда РНК-полимераза заканчивает транскрипцию нуклеосомной ДНК, последняя восстанавливает свою конформацию. Рисунок из [11].

Итак, нуклеосомы не только помогают компактно уложить цепь ДНК, но и несут важную эпигенетическую информацию. Оказывается, что после транскрипции они могут как пропадать, так и оставаться на прежнем месте. Нуклеосомы могут изменять свою форму, а затем восстанавливать прежнюю. Их судьба в таких процессах, как транскрипция или репликация, представляет большой интерес для науки. Изучение эпигенетики важно для медицины, для понимания развития живых организмов, их поведения и регуляции генома в целом [12]. Накопленные данные уже позволили получить ряд лекарственных препаратов. Они влияют на белки, создающие или убирающие эпигенетические сигналы. Например, такие лекарства используют для лечения лейкозов и лимфом [13].

Источник