Початок та кінець • Віра Башмакова • Науково-популярні завдання на «Елементах» • Біологія
Транскрипція гена - це переписування послідовності його нуклеотидів із ДНК на РНК. Транскрипція повинна починатися строго на початку гена і закінчуватися строго в кінці — інакше замість необхідної послідовності РНК ми отримаємо якісь уривки, які мало того, що не виконуватимуть потрібну функцію (наприклад, давати початок «правильному» білку), але можуть взагалі приносити клітині шкоди.Якж клітині вдається уникнути такого страшного сценарію та забезпечити початок та закінчення транскрипції у правильних місцях?
Спочатку розберемося з точкою початку гена. Спочатку я розповім загальні принципи, а потім конкретні моменти, характерні для еукаріотів і прокаріотів.
Транскрипцію здійснює спеціальний фермент - РНК-полімераза. РНК-полімераза сама по собі, самотужки, не має спорідненості до ДНК. Вона не приєднується до неї, не розплітає, не починає синтезувати РНК, а просто індиферентно плаває десь неподалік і зовсім на неї не реагує.
Для того, щоб сісти на ДНК і почати працювати, РНК-полімеразі необхідний допоміжний білковий фактор - спеціальний білок, який має спорідненість і до РНК-полімерази, і до ДНК. Причому цей фактор має хитру властивість: він має спорідненість не просто до ДНК, а лише до особливої ділянки цієї ДНК — промотору, розташованому строго на початку гена. І виходить проста, витончена і ефективна система: білковий фактор приєднується до промотора (читай - на початок гена), РНК-полімераза - до транскрипційного фактора, і транскрипція гена починається саме там, де потрібно.
Але це не єдина користь від системи «промотор — білковий фактор». Якщо зробити кілька промоторів і кожному з них поставити у відповідність свій фактор (факторАвміє з'єднуватися тільки з промоторома, афакторB- тільки з промоторомb, і так далі), то можна досягти не більше не менше як виборчої транскрипції. Якщо в клітці буде присутній лише факторА, то транскрибуватися зможуть виключно гени, що знаходяться під промоторома, а решта «мовчатиме»; якщо буде присутній факторB- у клітці з'являться тільки РНК, чиї гени знаходяться під промоторомbі так далі. В результаті ми отримуємо гнучку систему, що дозволяє клітині включати або вимикати транскрипцію потрібних генів, а отже, підлаштовуватися під умови зовнішнього середовища.
Тепер подивимося, як ця концепція допоміжних білкових факторів реалізується в про- та еукаріотичних клітинах.
У бактерій білкові фактори називаються сигма-факторами (див. Sigma factor). Сігма-фактор – це такий білковий фактор «для бідних». Ядра у бактерій немає, весь їхній геном - невелика кільцева молекула ДНК, що плаває прямо в цитоплазмі, і дозволити собі розкіш мати багато генів (у тому числі генів сигма-факторів) вони не можуть. Тому кількість сигм досить мізерна (наприклад, у кишкової палички їх всього сім), а здійснюване ними регулювання - груба. Кожна сигма легко включає окремий блок генів, необхідних у тій чи іншій ситуації. Є сигма домашнього господарства (що включає гени, що постійно працюють; у кишкової палички вона називається σ 70 ), сигма теплового шоку (що включає гени, необхідні при тепловому стресі; у кишкової палички σ 32 ) і так далі. В результаті бактеріальна клітина, звичайно, в змозі перебудувати свій метаболізм для тих чи інших потреб, але про жодну тонкість і варіативність перебудови не йдеться.
Чи то річ еукаріоти. У них є клітинне ядро, в якому захищені від небезпек цитоплазматичного життя плавають довгі.молекули ДНК, стабілізовані білками, – хромосоми. У такому великому геномі генів міститься безліч, і більшість процесів (у тому числі транскрипція) організовано набагато складніше, ніж у прокаріотів. Замість однієї-єдиної РНК-полімерази бактерій у еукаріотів є цілих три ферменти, що здійснюють транскрипцію. Синтезом мРНК займається тільки один з них - РНК-полімераза II, а РНК-полімераза I і РНК-полімераза III синтезують всілякі РНК, що не кодують, - транспортні, рибосомні і так далі. Процес транскрипції еукаріотів буде розглянутий саме для РНК-полімерази II, оскільки він найкраще вивчений. І насамперед треба сказати, що в транскрипції еукаріотів бере участь надзвичайний допоміжний білковий фактор (вони називаються транскрипційними факторами, ТФ).
Є шість основних (базових) транскрипційних факторів, без яких транскрипція чисто технічно неможлива. Вони притягують до потрібного місця РНК-полімеразу, згинають необхідним чином ДНК, розплітають її і т. д. Але ці сім білків - РНК-полімераза та шість базових транскрипційних факторів - забезпечують лише дуже слабкий рівень транскрипції. Крім них є безліч так званих додаткових транскрипційних факторів (їх іноді ще називають, залежно від виконуваної ролі, транскрипційним активаторами або транскрипційним репресорами), які всерйоз – на кілька порядків – посилюють або послаблюють транскрипцію, насамперед за рахунок різних конформаційних взаємодій. Такі численні додаткові ТФ забезпечують тонке та точне регулювання транскрипції. Один ТФ може по-різному проводити транскрипцію різних генів; той самий ген може по-різному регулюватися різними ТФ, різні білки може бути ТФ друг для друга. Виходять красивівзаємопов'язані ланцюжки подій, що визначаються ТФ, - цикли, каскади і т. д. Наприклад, добові цикли в спрощеному вигляді виглядають так. Транскрипція транскрипційного фактораА, що включає транскрипцію транскрипційного фактораВ, вимикається самим транскрипційним факторомВ(цю фразу можна вимовляти як скоромовку; див. про це завдання Нехай ворона сохне , або Як влаштовані добові цикли). І в результаті злагодженої роботи ТФ виходить система гнучкої та ефективної настройки, яка дозволяє клітині швидко, тонко та точно перебудувати свій метаболізм.
Що стосується архей, третього домену живого (крім еукаріотів і бактерій), то у них транскрипція нагадує таку для еукаріотів, тільки в сильно спрощеному варіанті: замість шести базових транскрипційних факторів — всього два, налаштування рівня транскрипції куди більш грубе, і так далі.
Ну ось, з початком гена ми більш-менш розібралися, тепер подивимось на його кінець. Як клітині зробити так, щоб транскрипція ДНК не тривала вічно, даючи довгий і марний ланцюжок РНК, а закінчувалася в строго потрібному місці, призводячи до появи РНК строго потрібної довжини, що несе інформацію про цей ген і тільки про нього?
Тут є кілька рішень на будь-який смак; почну з найвитонченішого.
Більш складна схема зупинки транскрипції у бактерій пов'язана із спеціальним білком на ім'я Rho-фактор. Цей білок розпізнає певну послідовність свіжосинтезованої РНК під назвою rut (rhoutilization site). Дана послідовність знаходиться трохи раніше кінця гена, тієї точки, в якій РНК-полімеразі добре зупинитися і перестати синтезувати РНК.
Вчепившись в rut-послідовність, Rho-фактор починає ковзати по РНК, що синтезується, до тих пір, поки недістанеться дуплексної ділянки, де тільки-но синтезована РНК ще пов'язана з ДНК. Rho-фактор розплітає цей дуплекс, РНК-полімераза втрачає нитку, і транскрипція припиняється.
У еукаріот процес термінації (зупинки трансляції) відомий куди гірше. Зрозуміло, що у ньому беруть участь кілька білків, які розпізнають термінуючу послідовність на ДНК і після цього зупиняють транскрипцію, але як конкретно працюють ці білки, багато в чому покрито завісою таємниці.
Післямова
Система транскрипції, як ви вже могли помітити, відмінно налагоджена і дозволяє клітині тонко ювелірно регулювати свій метаболізм залежно від обставин.
Однак у світі існує достатньо ошуканців і дрібних безклітинних злочинців, які здатні підкорити собі весь цей досконалий транскрипційний апарат і змусити його працювати для своїх потреб. Ви вже, мабуть, зрозуміли, що йдеться про віруси.
Віруси філігранно та безсоромно використовують клітинні промотори та білкові фактори для своїх брудних цілей. Про деякі історії з життя вірусів та заражених ними бактеріальних клітин розповів у своїй лекції під час наукової школи-конференції «Сучасна біологія & Біотехнології майбутнього», присвяченої гострим питанням та актуальним проблемам фундаментальної та прикладної біології, Костянтин Вікторович Северинов.
Розглянемо ситуацію на прикладі улюбленої моделі мікробіологів — кишкової палички — і вірусу, що заражає її, — фага Т4.
Справа в тому, що всі гени вірусу можна поділити на ранні, середні та пізні. Ранні включаються, коли вірус тільки заразив клітину і йому треба налагодити виробництво самого себе. Середні продовжують справу цього відтворення вже на новому рівні. Пізніші — додають останні штрихи(Наприклад, пізніми транскрибуються білки оболонки вірусу, тому що вони потрібні йому вже тільки в самому кінці). Наприкінці циклу зараження новенькі, звані беби-вирусы у повної бойової готовності залишають заражену клітину і вирушають заражати нові й нові бактерії.
Така чітка зміна фаз зараження – ранні, середні та пізні гени – потребує чіткої, по суті оркестрованої, організації. Вірусу потрібно щось подібне до системи промоторів і сигма-факторів, щоб змусити клітину не просто транскрибувати свої гени, але транскрибувати їх узгоджено і в порядку суворої черговості. Але вірус такий системи немає, і йому доводиться за допомогою декількох хитрих «відмичок» використовувати готову систему господаря.
Отже, вірус потрапив у клітину. Один з його білків відразу так модифікує РНК-полімеразу клітини-господаря, що спорідненість її до найсильніших клітинних промоторів слабшає. Через це велика кількість РНК-полімерази у клітині виявляється вільно і готове працювати на вірус. Починається синтез ранніх генів.
І ось ранні гени синтезовано. Настав час вимкнути їхню транскрипцію і включити транскрипцію середніх генів. Тут у справу вступає препарат одного з ранніх генів - білок на ім'я AsiA, відомий також як "антисигма".
Білок AsiA (антисигма) блокує ту ділянку сигми, яка має зчепитися з –35-областю промотора. В результаті ті гени, у яких промотор має цю -35 ділянку, не можуть нормально транскрибуватися. Натомість гени, у промоторів яких –35-ділянки немає, а є подовжена –10-ділянка, транскрибуватимуться тільки краще. У такий спосіб вірус експлуатує транскрипційний апарат клітини. Сигма-фактор показанийбілим кольором, а РНК-полімераза -помаранчевим. Зображення із слайдів К. В. Северінова длялекції на Зимовій школі
Справа в тому, що промотори у прокаріотів, як правило, складаються з двох ділянок - -35 і -10 (цифри і знак "мінус" означають, що ці ділянки знаходяться до початку гена за 35 і 10 нуклеотидів відповідно). І сигма-фактор теж складається з двох ділянок, кожна з яких чіпляється за відповідну ділянку промотора. І ось підступний вірусний білок-антисигма блокує одну з ділянок сигми, не даючи їй зчепитися з -35 ділянкою промотора. В результаті транскрипція всіх нормальних генів – «рідних» генів бактеріальної клітини та ранніх генів вірусу – застопорюється. А у середніх генів вірусу особливі промотори - у них дуже довгий -10-регіон, який чудово розпізнається РНК-полімеразою, на яку напала антисигма. У результаті клітині не транскрибируются ні ранні вірусні, ні господині гени, лише середні гени вірусу.
І, нарешті, перехід від середніх генів до пізніх. Перехід цей має сенс робити тільки тоді, коли в клітині почалася вже реплікація вірусної РНК, тому що пізні гени потрібні вже власне для збирання вірусних частинок та виходу в зовнішній світ. І ось тут на нас теж чекає надзвичайно витончена історія. Один із продуктів середніх генів – білок на ім'я gp33 – блокує роботу РНК-полімерази. Блокування це знімається тільки тоді, коли він зв'язується зі складним білковим комплексом, який бере участь у реплікації вірусної ДНК. Тобто реплікація виступає своєрідним дозвільним сигналом включення пізніх генів. Гарно, правда?
Всі вищеописані події відносяться до взаємин між кишковою паличкою і фагом Т4, що заражає її. Очевидно, що для інших бактерій та інших фагів історія може виглядати дещо інакше.
Мабуть, для різних бактерій та вірусів існують різні схеми. Однак дуже гарним,довгим і заплутаним шляхом групі Северинова вдалося показати, що для термофільної бактеріїThermus aquaticusі фагів, що її заражають, механізм перемикання між ранніми і середніми генами надзвичайно схожий на той, який був вивчений для кишкової палички і фагів Т4.
Джерело:лекція К. В. Северінова "Structure-function analysis of bacterial transcription regulation" на Зимовій школі "Сучасна біологія та біотехнології майбутнього".