Кіріспе

Транскрипция арқылы өндірілген РНК. Бастапқы транскрипт – ДНК транскрипциясы арқылы синтезделетін, бір тізбекті рибонуклеин қышқылының (РНК) өнімі және әртүрлі жетілген РНК өнімдерін – мысалы, мРНК, тРНК және рРНК-ны алу үшін өңделеді. Бастапқы транскрипттер мРНК ретінде белгіленеді және трансляцияға дайындалу үшін модификацияланады. Мысалы, пре-мРНК (pre mRNA) – өңделгеннен кейін хабаршы РНК (mRNA) болатын бастапқы транскрипт түрі. Пре-мРНК клетка ядросында ДНК матрицасынан транскрипция арқылы синтезделеді. Пре-мРНК гетерогенді ядролық РНК-ның (hnRNA) көп бөлігін құрайды. Пре-мРНК толық өңделгеннен кейін "жетілген хабаршы РНК" немесе жай ғана "хабаршы РНК" деп аталады. hnRNA термині көбінесе pre mRNA синонимі ретінде қолданылады, бірақ қатаң мағынада hnRNA цитоплазмалық mRNA-ға айналмаған ядролық РНК транскрипттерін де қамтуы мүмкін. Бастапқы транскрипттердің пайда болуына бірнеше қадамдар ықпал етеді. Бұл қадамдардың барлығы эукариоттар ядросында ДНК транскрипциясын бастау және аяқтау үшін өзара әрекеттесулер тізбегін қамтиды. Белгілі бір факторлар транскрипцияны белсендіру және тежеуде маңызды рөл атқарады, соның арқасында бастапқы транскрипт өндірісі реттеледі. Транскрипция бастапқы транскрипттерді шығарады, олар кейіннен бірнеше процестер арқылы өңделеді. Бұл процестерге 5' қап, 3' полиаденилирлеу және альтернативті сплайсинг кіреді. Атап айтқанда, альтернативті сплайсинг жасушалардағы мРНК-ның әртүрлілігіне тікелей үлес қосады. Бастапқы транскрипттердің модификациясы осы транскрипттердің рөлі мен маңыздылығы туралы толыққанды білім алу мақсатындағы зерттеулерде одан әрі зерттелді. Бастапқы транскрипттердің молекулалық өзгерістеріне және транскрипцияға дейінгі және кейінгі процестерге негізделген тәжірибелік зерттеулер бастапқы транскрипттерге байланысты ауруларды жақсырақ түсінуге мүмкіндік берді.

Өндіріс

Бастапқы транскрипттерді құруға қатысты қадамдар жасуша ядросының ішінде ДНК транскрипциясын бастайтын молекулалық өзара әрекеттесулер тізбегін қамтиды. Нақты жасушаның қажеттіліктеріне сәйкес, ДНК-ның белгілі бір тізбектері әртүрлі РНК өнімдерін жасау үшін транскрипцияланады, олар жасушалық қолдану үшін функционалдық ақуыздарға аударылады. Жасуша ядросында транскрипция процесін бастау үшін ДНК-ның екі спиралі бұрылып, ДНК-ның үйлесімді нуклеин қышқылдарын байланыстыратын сутекті байланыстар үзіліп, екі жеке ДНК тізбегі пайда болады. ДНК матрицасының бір тізбегі бір тізбекті бастапқы транскрипт – мРНК-ны транскрипциялау үшін қолданылады. Бұл ДНК тізбегі ДНК-ның промоторлық аймағында РНК полимеразамен байланысады. Эукариоттарда үш түрлі РНК – рРНК, тРНК және мРНК – үш түрлі РНК полимеразаның әрекетіне негізделіп өндіріледі, ал прокариоттарда барлық РНК түрлерін жасау үшін бір ғана РНК полимераза бар. Эукариоттардың РНК полимераза II 5'-ден 3'-ге дейін бағытта антисенс ДНК матрицасынан мРНК-ға өңделетін бастапқы транскриптті транскрипциялайды, және бұл жаңа синтезделген бастапқы транскрипт ДНК-ның антисенс тізбегіне толықтырады. Транскрипцияның белсенділігі транскрипцияны ұзарту кешенінің, оның өзі әртүрлі транскрипция факторларынан тұратын, РНК полимеразаны күшін арттырушы аймақпен промоторды байланыстыратын медиатор кешенінен ажырауына байланысты. Транскрипция факторлары арқылы гистонның модификациясы РНК полимераза арқылы транскрипцияның маңызды реттеуші факторы болып табылады. Жалпы алғанда, гистонның ацетилденуіне әкелетін факторлар транскрипцияны белсендіреді, ал гистонның деацетилденуіне әкелетін факторлар транскрипцияны тежейді. Гистондардың ацетилденуі нуклеосомалардың ішіндегі теріс компоненттер арасында итергіш күштерді тудырады, РНК полимеразаның кіруіне мүмкіндік береді. Гистондардың деацетилденуі тығыз оралған нуклеосомаларды тұрақтандырады, РНК полимеразаның кіруін тежейді. Гистондардың ацетилдену үлгілерінен өзге, ДНК-ның промоторлық аймақтарындағы метилдену үлгілері РНК полимеразаның белгілі бір матрицаға қол жеткізуін реттей алады. РНК полимераза көбінесе мақсатты геннің промоторлық аймағында транскрипцияны белсендіретін факторлардың байланысуына кедергі келтіретін және басқа ферменттерді тығыз байланысқан нуклеосома құрылымын тұрақтандыруға тартатын метилденген цитозиндер болса, бастапқы транскриптті синтездеуге қабілетсіз болады, РНК полимеразаға қол жеткізуді болдырмайды және бастапқы транскрипттердің өндірісін тоқтатады.

РНК өңдеу

Транскрипция – гендік экспрессияның жоғары реттелетін кезеңі, ол бастапқы транскрипттерді жасайды. Дегенмен, транскрипция – бұл РНК-ның жұмысқа жарамды түрлерін алу үшін көптеген өзгерістерден өтуге тиіс алғашқы қадам ғана. Яғни, жаңа синтезделген бастапқы транскрипттер әртүрлі ақуыздар мен РНК-ларды, мысалы, мРНК, тРНК және рРНК-ны өндіру үшін пісіп, жұмысқа жарамды түрлеріне айналдыру үшін бірнеше жолмен өңделеді.

Өңдеу

Бастапқы транскрипт модификациясының негізгі процесі tRNA және rRNA үшін эукариоттық және прокариоттық жасушаларда ұқсас. Екінші жағынан, бастапқы транскрипт өңдеуі прокариоттық және эукариоттық жасушалардың мРНК-ларында әртүрлі болады. Күрделі эукариоттық жасушаларда бір бастапқы транскрипт баламалы тігілу арқасында көп мөлшерде жетілген мРНК дайындауға қабілетті. Баламалы тігілу реттеледі, сонда әрбір жетілген мРНК бірнеше белокты кодтай алады. Гендік экспрессиядағы баламалы тігілудің әсерін күрделі эукариоттарда көруге болады, олардың геномдарында гендердің белгілі бір саны бар, бірақ әр түрлі гендік өнімдердің саны одан да көп. Массачусетс штатының Кембридж қаласындағы Массачусетс технология институтының (MIT) биология кафедрасының қызметкерлері Джудит Ленгьел мен Шелдон Пенман екі қанаты бар жәндіктер – дрозофила мен эдес гендеріне қатысты бір типті бастапқы транскрипт туралы мақала жазды. Мақалада зерттеушілердің hnRNA, яғни негізінен pre-mRNA, екі түрлі жәндіктің бастапқы транскрипттерін қалай қарастырғаны сипатталған. Дрозофила меланогастер мен Aedes albopictus жасушаларының желілерінде (бір жасушадан алынған жасушалар тобы) hnRNA транскриптерінің мөлшері және мРНК-ға айналған hnRNA-ның үлесі салыстырылды. Екі жәндік те диптералар, бірақ эдестің геномы дрозофиладан үлкен. Бұл эдесте ДНК-ның көп екенін, демек, гендердің көп екенін білдіреді. Эдес желісі дрозофила желісіне қарағанда үлкен hnRNA шығарды, тіпті екі жасуша желісі де ұқсас жағдайларда өсіп, бірдей мөлшерде және тізбектік күрделіліктегі жетілген немесе өңделген мРНК өндірді. Бұл деректер hnRNA мөлшері геном мөлшерінің артуымен бірге артатынын көрсетеді, бұл эдесте анық байқалады. Прагадағы Чехия Ғылым академиясының Эксперименталды медицина институтының жасушалық биология кафедрасының қызметкерлері Иво Мелчак, Степанка Мелчак, Войтех Копский, Яромира Вецерова және Иван Раска ядролық дақтардың pre-mRNA-ға тигізетін әсерін зерттеді. Ядролық дақтар (speckles) жасуша ядросының құрамында болады және мРНК өңдеуге қатысатын тігіс факторларына бай. Ядролық дақтар көршілес белсенді гендерге осы тігіс факторларын сақтау орындары ретінде қызмет ететіні көрсетілді. Осы зерттеуде зерттеушілер жатыр мойны қатерлі ісігі бар адамның жасушаларынан алынған және тәжірибелер үшін пайдалы болып табылатын HeLa жасушаларында pre-mRNA-дағы алғашқы сплайцеосомалар осы дақтардан пайда болатынын көрсетті. Зерттеушілер әртүрлі топтарды құру үшін сплайцеосомаларды қабылдайтын және дифференциалды тігіс факторларымен байланысатын мутантты аденовирус pre-mRNA-ны микроинъекциялады, содан кейін олардың көп шоғырланған жерлерін бақылады. Сплайцеосомаларды қабылдайтын pre-mRNA тез арада дақтарға бағытталды, бірақ бұл бағытталу температураға тәуелді екені анықталды. мРНК-дағы полипиримидинді тізбек сплайцеосомалық топтардың құрылуын ынталандырады және бағытталу үшін қажет, бірақ өзіндік жеткіліксіз. Төменгі жағындағы фланкингтік тізбектер мутантты pre-mRNA-ны дақтарға бағыттауда маңызды рөл атқарды. Қосымша эксперименттерде антисенс дезоксиолигорибонуклеотидтердің (ДНҚ және РНК-ның белгілі бір тізбегіне толықтыратын тізбектер) және бұл жағдайда snRNA-ның белгілі бір тізбектері микроинъекцияланғаннан кейін дақтардың мінез-құлқы бақыланды. snRNA-лар pre-mRNA өңдеуге көмектесетіні белгілі. Осы жағдайларда эндогенді pre-mRNA-да сплайцеосомалық топтар пайда болды. Зерттеушілер микроинъекцияланған pre-mRNA-дағы сплайцеосомалық топтар дақтардың ішінде пайда болады деген қорытындыға келді. Pre-mRNA-ны дақтарға бағыттау және жинақталуы pre-mRNA-ға тігіс факторларын жүктеудің нәтижесі болып табылады, ал сплайцеосомалық топтар байқалған дақты өрнекке әкелді.

Қарым-қатынас аурулары

Зерттеулер сонымен қатар бастапқы транскрипттердегі өзгерістерге байланысты кейбір аурулар туралы көбірек білімге әкелді. Бір зерттеуде эстроген рецепторлары және дифференциалдық жарылу (splicing) қолданылды. Паола Ферро, Алессандра Форлани, Марко Музелли және Ульрих Пфеффердің "Адам эстроген рецепторының альфа-басты транскриптісінің баламалы жарылуы: экзонды өткізіп жіберу механизмдері" атты мақаласында, Генуядағы Ұлттық онкологиялық зерттеу институтының молекулалық онкология зертханасынан, эстроген рецепторының альфа (ER альфа) кодын кодтауындағы ДНК аймағындағы 1785 нуклеотид, негізгі транскрипттегі 300 000-нан астам нуклеотидті қамтитын аймаққа таралатыны түсіндіріледі. Бұл пре-мРНҚ-ның жарылуы (splicing) көбінесе бір немесе бірнеше экзонды немесе протеиндерді кодтау үшін қажетті аймақтарды жоғалтқан мРНҚ-ның түрлеріне немесе әртүрлі нұсқаларына әкеледі. Бұл түрлер сүт безі қатерлі ісігінің прогрессиясына байланысты. Ретровирустардың өмірлік циклында, провирустық ДНК инфекцияланған жасушаның ДНК транскрипциясына қосылады. Ретровирустар өздерінің пре-мРНҚ-сын ДНК-ға түрлендіруі керек болғандықтан, бұл ДНК-ны иесінің ДНК-сына енгізуге болады, сондықтан осы ДНК матрицасын құру ретровирустың көбеюі үшін маңызды қадам болып табылады. Жасушаның түрі, жасушаның дифференциациясы немесе өзгерген күйі және жасушаның физиологиялық күйі транскрипция үшін қажетті белгілі бір факторлардың қолжетімділігі мен активтілігінде маңызды өзгерістерге әкеледі. Бұл айнымалылар вирустық гендердің экспрессиясының кең ауқымын тудырады. Мысалы, құс немесе егесік лейкемия вирустарының (ASLV немесе MLV) инфекциялық вириондарын белсенді өндіретін тіндік мәдениет жасушаларында вирустық РНҚ деңгейі соншалықты жоғары, сондықтан жасушадағы мРНҚ-ның 5-10% вирустық текті болуы мүмкін. Бұл осы ретровирустар өндіретін бастапқы транскрипттер әрқашан ақуыз өндірудің қалыпты жолын ұстанбайтынын және көбейіп, кеңейту үшін ДНК-ға кері түрленбейтінін көрсетеді.