Посттранскрипционная модификация РНК
В результате транскрипции образуются три типа предшественников РНК (первичные транскрипты): предшественник мРНК, или гетерогенная ядерная РНК (пре-мРНК или гяРНК), предшественники рРНК (прерРНК), содержащие 5,8S РНК, 18S РНК и 28S РНК у эукариот и, соответственно 5S, 16S РНК и 23S РНК у прокариот, предшественники тРНК (пре-тРНК). Они представляют собой копию оперона и содержат информативные и неинформативные последовательности. Образование функционально активных молекул РНК называется процессингом и продолжается после завершения транскрипции.
Процессинг включает в себя: вырезание неинформативных участков, сшивание информативных участков (сплайсинг) и модификацию 5′ и 3′-концов РНК.
1. Вырезание неинформативных участков пре-мРНК происходит с помощью рибонуклеаз и/или рибозимов (содержат РНК, обладающие ферментативной активностью). При вырезании интронов важную роль играют малые ядерные РНК (мяРНК), нуклеотидные последовательности которых комплементарны последовательностям на концах каждого из интронов. В результате спаривания оснований, содержащихся в мяРНК и на концах свернутого в петлю интрона, два экзона сближаются, интроны вырезаются, а экзоны сшиваются лигазой. Таким образом, молекулы мяРНК играют роль временных матриц, удерживающих близко друг от друга концы двух экзонов для того, чтобы сплайсинг произошел в правильном месте.
2. Далее в ядре происходит модификация 5′ и 3′-концов мРНК. К 5′-концу мРНК присоединяется олигонуклеотид, называемый «кэпом» (cap) или колпачком, состоящий из 2-3 метилированных нуклеотидов, причем концевым является 7-метилгуанозин. Эти «колпачки» способствуют стабилизации мРНК, защищая 5′-концы от разрушения фосфатазами и нуклеазами, а также связываются со специфическим белком и могут участвовать в связывании мРНК с рибосомой для инициации трансляции.
К 3′-концу фермент поли-А-полимераза присоединяет полиадениловую последовательность (поли-А), состоящую из 50-200 нуклеотидов. Функция полиаденолового «хвоста» мРНК неизвестна. Предполагается, что он также защищает мРНК от ферментативного разрушения. Затем мРНК связывается с белком информофером и транспортируется в цитоплазму к рибосомам.
3. В клетках прокариот и эукариот молекулы рРНК транскрибируются в виде большого общего первичного транскрипта (пре-рРНК). Процессинг рибосомных РНК происходит в ядрышке, где локализованы гены рибосомных РНК. У бактерий 16S, 23S и 5S рРНК образуются из 30S предшественника; у эукариот из 45S пре-рРНК синтезируются 18S, 28S и 5,8S рРНК. Синтезированная пре-рРНК (45S) подвергается ферментативной модификации и расщеплению и дает зрелые 18S, 5,8S и 28S-рРНК. Вначале примерно 100 нуклеотидов метилируется по 2′-гидроксильной группе рибозных остатков, более 100 остатков уридина изомеризуются в остатки псевдоуридина. Метилирование идет только на участках, формирующих в дальнейшем зрелые молекулы рРНК. Затем 45S-предшественник подвергается нуклеолитическому процессингу. В ходе процессинга РНК в ядрышках происходит дальнейшее метилирование. 5,8S-рРНК и 28S-рРНК, связываясь с рибосомными белками в ядрышках, формирует большую 60S-субъединицу рибосомы. Молекула 18S-рРНК в комплексе с соответствующими полипептидами образует малую субъединицу рибосомы. 5S РНК синтезируется отдельно.
4. Молекулы тРНКпервоначально транскрибируются в виде больших предшественников, которые часто содержат более одной молекулы тРНК, подвергающихся нуклеолитическому процессингу при действии специфических рибонуклеаз. Дальнейшие модификации молекул тРНК включают алкилирование нуклеотидов и присоединение характерного ЦЦА-триплета к 3′-концу молекулы (акцепторный участок), к которому будет присоединяться соответствующая аминокислота. Метилирование предщественников тРНК млекопитающих происходит, вероятно, в ядре, в расщепление и присоединение ЦЦА-триплета – в цитоплазме.
Обратная транскрипция
Некоторые РНК-содержащие вирусы (ретровирусы), которые инфицируют животных, имеют Zn2+-содержащий фермент РНК-зависимую ДНК-полимеразу, часто называемой обратной транскриптазой или ревертазой. Существование обратных транскриптаз в РНК-содержащих онкогенных вирусах было предсказано еще в 1962 г. Говардом Теминым и Дэвидом Балтимором. Обратной транскриптазе приписывают 3 вида ферментативной активности: 1) РНК-зависимой ДНК-полимеразной (строит по матрице РНК дочернюю цепь ДНК); 2) рибонуклеазной (обеспечивает удаление цепи РНК); 3) ДНК-зависимой ДНК-полимеразной (строит на матрице комплементарной ДНК вторую цепь ДНК).
Обратная транскриптаза не обладает 3’→5’ экзонуклеазной активностью и поэтому частота ошибок синтеза составляет 1 на 20 000 нуклеотидов, что является необычно высокой для синтеза ДНК и является характерным для большинства ферментов, реплицирующих геном вируса. Следствием этого является быстрая скорость эволюции вирусов, что может быть фактором появление новых признаков заболеваний, вызываемых ретровирусами. В результате этого этапа образуется гибридная молекула РНК-ДНК. На втором этапе происходит разрушение исходной вирусной РНК из комплекса гибридной молекулы под действием обратной транскриптазы. Наконец, на третьем этапе на матрице цепи ДНК комплементарно синтезируются новые цепи ДНК.
В результате образуется ДНК, которые содержит гены, обусловливающие рак; эта ДНК часто встраивается в геном эукариотической клетки хозяина, где она может в течение многих поколений оставаться в скрытом, т.е. неэкспрессируемом состоянии. При определенных условиях такие бездействующие вирусные гены (онкогены) могут активироваться и вызывать репликацию вируса; при других же условиях они могут способствовать превращению такой клетки в раковую.