Введение
Транскрипция — это процесс копирования сегмента ДНК в РНК. Сегменты ДНК, транскрибируемые в молекулы РНК, способные кодировать белки, образуют матричную РНК (мРНК). Другие сегменты ДНК транскрибируются в молекулы РНК, называемые некодирующими РНК (нкРНК). И ДНК, и РНК — это нуклеиновые кислоты, использующие комплементарные пары нуклеотидов в качестве основы. Во время транскрипции последовательность ДНК считывается РНК-полимеразой, которая синтезирует комплементарную, антипараллельную цепь РНК, называемую первичным транскриптом. В вирусологии термин «транскрипция» также может использоваться для обозначения синтеза мРНК из молекулы РНК (то есть эквивалентного репликации РНК). Например, геном одноцепочечного РНК с отрицательной поляризацией (ssRNA) может служить матрицей для одноцепочечного РНК с положительной поляризацией (ssRNA+). Это объясняется тем, что положительная цепь содержит информацию о последовательности, необходимую для трансляции вирусных белков, требуемых для репликации вируса. Этот процесс катализируется вирусной РНК-репликазой.
Transcription is the process of copying a segment of DNA into RNA. The segments of DNA transcribed into RNA molecules that can encode proteins produce messenger RNA (mRNA). Other segments of DNA are transcribed into RNA molecules called non coding RNAs (ncRNAs). Both DNA and RNA are nucleic acids, which use base pairs of nucleotides as a complementary language. During transcription, a DNA sequence is read by an RNA polymerase, which produces a complementary, antiparallel RNA strand called a primary transcript. In virology, the term transcription may also be used when referring to mRNA synthesis from an RNA molecule (i. e., equivalent to RNA replication). For instance, the genome of a negative sense single stranded RNA (ssRNA ) virus may be a template for a positive sense single stranded RNA (ssRNA +). This is because the positive sense strand contains the sequence information needed to translate the viral proteins needed for viral replication. This process is catalyzed by a viral RNA replicase.
Предыстория
Блок транскрипции ДНК, кодирующий белок, может содержать как кодирующую последовательность, которая будет транслироваться в белок, так и регуляторные последовательности, которые направляют и регулируют синтез этого белка. Регуляторная последовательность, расположенная перед (выше по потоку от) кодирующей последовательности, называется 5'-нетранслируемой областью (5'UTR); последовательность, расположенная после (ниже по потоку от) кодирующей последовательности, называется 3'-нетранслируемой областью (3'UTR). В отличие от репликации ДНК, транскрипция приводит к образованию комплементарной РНК, в которой нуклеотид урацил (U) используется вместо тимина (T) во всех случаях, где тимин присутствовал бы в комплементарной цепи ДНК. Только одна из двух цепей ДНК служит матрицей для транскрипции. Антисмысловая цепь ДНК считывается РНК-полимеразой с 3'-конца к 5'-концу во время транскрипции (3' → 5'). Комплементарная РНК синтезируется в противоположном направлении, с 5'-конца к 3'-концу, соответствуя последовательности смысловой цепи, за исключением замены тимина на урацил. Эта направленность обусловлена тем, что РНК-полимераза может присоединять нуклеотиды только к 3'-концу растущей цепи мРНК. Использование только антисмысловой цепи ДНК (3' → 5') устраняет необходимость в фрагментах Оказаки, которые образуются при репликации ДНК. Транскрипция обладает некоторыми механизмами коррекции ошибок, но они менее многочисленны и эффективны, чем механизмы контроля при копировании ДНК. В результате точность копирования при транскрипции ниже, чем при репликации ДНК.
Основные шаги
Транскрипция подразделяется на инициацию, освобождение от промотора, элонгацию и терминацию.
Усилители, факторы транскрипции, комплекс медиаторов и петли ДНК в транскрипции млекопитающих
Настройка транскрипции у млекопитающих регулируется множеством цис-регуляторных элементов, включая основной промотор и проксимальные к промотору элементы, расположенные вблизи стартовых участков транскрипции генов. Основного промотора в сочетании с общими факторами транскрипции достаточно для инициирования транскрипции, однако, как правило, их базальная активность невысока. Другие важные цис-регуляторные модули локализованы в областях ДНК, отстоящих от стартовых участков транскрипции. К ним относятся энхансеры, сайленсеры, изоляторы и элементы закрепления. Среди этого комплекса элементов энхансеры и связанные с ними факторы транскрипции играют ведущую роль в инициировании транскрипции генов. Энхансер, расположенный в области ДНК, удаленной от промотора гена, может оказывать очень сильное влияние на транскрипцию гена, при этом у некоторых генов транскрипция может увеличиваться до 100 раз при активации энхансера. Энхансеры – это области генома, являющиеся основными регуляторными элементами генов. Энхансеры контролируют специфичные для типа клетки программы транскрипции генов, чаще всего, образуя петли на больших расстояниях, чтобы оказаться в физической близости с промоторами своих целевых генов. Хотя существует сотни тысяч областей ДНК, содержащих энхансеры, для конкретного типа ткани только специфические энхансеры приближаются к промоторам, которые они регулируют. В исследовании кортикальных нейронов мозга было обнаружено 24 937 петель, обеспечивающих взаимодействие энхансеров с их целевыми промоторами. Несколько специфичных для клеточной функции факторов транскрипции (в клетке человека насчитывается около 1600 факторов транскрипции) обычно связываются со специфическими мотивами на энхансере, а небольшая комбинация этих факторов транскрипции, связанных с энхансером, при приближении к промотору посредством петли ДНК, определяет уровень транскрипции целевого гена. Медиатор (комплекс, обычно состоящий примерно из 26 белков, образующих взаимодействующую структуру) передает регуляторные сигналы от факторов транскрипции, связанных с энхансерной ДНК, непосредственно к ферменту РНК-полимеразе II (pol II), связанному с промотором. Активные энхансеры обычно транскрибируются с обеих нитей ДНК с помощью РНК-полимераз, действующих в двух разных направлениях, что приводит к образованию двух энхансерных РНК (eRNA), как показано на рисунке. Неактивный энхансер может быть связан с неактивным фактором транскрипции. Фосфорилирование фактора транскрипции может активировать его, а активированный фактор транскрипции может затем активировать энхансер, к которому он привязан (см. маленькую красную звезду, обозначающую фосфорилирование фактора транскрипции, связанного с энхансером, на иллюстрации). Активированный энхансер начинает транскрипцию своей РНК до активации транскрипции мРНК из своего целевого гена.
Метилирование и деметилирование островков CpG
Регуляция транскрипции примерно у 60% промоторов также контролируется метилированием цитозинов в динуклеотидах CpG (где 5'-цитозин следует за 3'-гуанином, или CpG-сайтами). 5-метилцитозин (5 мЦ) является метилированной формой основания ДНК цитозина (см. рисунок). 5 мЦ – это эпигенетический маркер, который преимущественно обнаруживается в CpG-сайтах. В геноме человека содержится около 28 миллионов динуклеотидов CpG. В большинстве тканей млекопитающих в среднем от 70% до 80% цитозинов CpG метилированы (образуя 5-метилCpG или 5 мCpG). Однако неметилированные цитозины в последовательностях 5'-цитозин-гуанин-3' часто встречаются группами, называемыми CpG-островами, в активных промоторах. Около 60% последовательностей промоторов содержат CpG-остров, в то время как только около 6% последовательностей энхансеров содержат CpG-остров. CpG-острова представляют собой регуляторные последовательности, поскольку метилирование CpG-острова в промоторе гена может снижать или подавлять транскрипцию гена. Метилирование ДНК регулирует транскрипцию генов посредством взаимодействия с белками, содержащими метил-связывающие домены (MBD), такими как MeCP2, MBD1 и MBD2. Эти белки MBD наиболее прочно связываются с сильно метилированными CpG-островами. Эти белки MBD имеют как домен связывания с метил-CpG, так и домен репрессии транскрипции. Около 94% участков связывания факторов транскрипции (TFBS), связанных с генами, реагирующими на сигналы, находятся в энхансерах, в то время как только около 6% таких TFBS находятся в промоторах. В геноме млекопитающих насчитывается около 12 000 участков связывания EGR1, и примерно половина из них находится в промоторах, а половина – в энхансерах. Продукция белков транскрипционного фактора EGR1 в различных типах клеток может стимулироваться факторами роста, нейротрансмиттерами, гормонами, стрессом и повреждениями. Сплайс-изоформа DNMT3A2 ведет себя как продукт классического гена раннего ответа и, например, она устойчиво и транзиторно продуцируется после активации нейронов. Место связывания изоформы ДНК-метилтрансферазы DNMT3A2 и добавления метильных групп к цитозинам, по-видимому, определяется посттрансляционными модификациями гистонов. С другой стороны, нейронная активация вызывает деградацию DNMT3A1, сопровождающуюся снижением метилирования по крайней мере одного исследованного целевого промотора.
Удлинение
Одна нить ДНК, матричная нить (или некодирующая нить), используется в качестве шаблона для синтеза РНК. По мере продвижения транскрипции РНК-полимераза перемещается по матричной нити и использует комплементарность оснований с шаблоном ДНК для создания копии РНК (которая удлиняется в процессе этого перемещения). Хотя РНК-полимераза движется по матричной нити в направлении 3' → 5', кодирующая (нематричная) нить и вновь образованная РНК также могут служить точками отсчета, поэтому транскрипцию можно описать как происходящую в направлении 5' → 3'. В результате образуется молекула РНК, синтезируемая в направлении 5' → 3', являющаяся точной копией кодирующей нити (за исключением того, что тимины заменяются урацилами, а нуклеотиды содержат рибозу (5-углеродный сахар), в то время как ДНК содержит дезоксирибозу (с одним атомом кислорода меньше) в своей фосфодиэфирной основе). Однако у эукариот нуклеосомы выступают в качестве основных барьеров для транскрибирующих полимераз во время стадии удлинения транскрипции. Удлинение также включает механизм коррекции, способный заменять неправильно включенные основания. У эукариот это может соответствовать кратковременным паузам в процессе транскрипции, позволяющим соответствующим факторам редактирования РНК связываться. Эти паузы могут быть внутренним свойством РНК-полимеразы или обусловлены структурой хроматина. Двухцепочечные разрывы в активно транскрибируемых участках ДНК восстанавливаются посредством гомологичной рекомбинации в фазы S и G2 клеточного цикла. Поскольку транскрипция повышает доступность ДНК к экзогенным химическим веществам и внутренним метаболитам, способным вызывать рекомбиногенные повреждения, гомологичная рекомбинация определенной последовательности ДНК может быть значительно стимулирована транскрипцией.
Прекращение
Бактерии используют две различные стратегии для завершения транскрипции: завершение, независимое от Rho, и завершение, зависимое от Rho. При завершении транскрипции, независимом от Rho, транскрипция РНК останавливается, когда вновь синтезированная молекула РНК формирует GC-богатую шпильку, за которой следует ряд уридинов. Когда шпилька формируется, механическое напряжение разрывает слабые связи rU-dA, заполняя гибрид ДНК-РНК. Это высвобождает поли-U транскрипт из активного центра РНК-полимеразы, завершая транскрипцию. При завершении, зависимом от Rho, Rho, белковый фактор, дестабилизирует взаимодействие между матрицей и мРНК, тем самым высвобождая вновь синтезированную мРНК из комплекса элонгации. Завершение транскрипции у эукариот изучено хуже, чем у бактерий, но включает в себя расщепление нового транскрипта с последующим добавлением аденинов, независимым от матрицы, к его новому 3'-концу, в процессе, называемом полиаденилированием. Помимо завершения по последовательности терминатора (которая является частью гена), транскрипция также может нуждаться в завершении при столкновении с такими условиями, как повреждение ДНК или активная репликационная вилка. У бактерий Mfd АТФаза может удалить РНК-полимеразу, остановившуюся в месте повреждения, раскрывая ее зажим. Она также привлекает механизмы нуклеотидного исправления для восстановления повреждения. Предполагается, что Mfd также разрешает конфликты между репликацией ДНК и транскрипцией. У эукариот АТФаза TTF2 помогает подавлять действие РНК-полимераз I и II во время митоза, предотвращая ошибки при сегрегации хромосом. У архей предполагается, что Eta-АТФаза играет аналогичную роль.
Роль РНК-полимеразы в посттранскрипционных изменениях РНК
РНК-полимераза играет важнейшую роль на всех этапах, включая посттранскрипционные изменения РНК. Как видно на изображении справа, CTD (C-концевой домен) представляет собой изменяющий свою форму «хвост»; этот «хвост» служит платформой для сплайсинга, кэпирования и полиаденилирования, как показано на изображении слева.
Ингибиторы
Ингибиторы транскрипции могут использоваться в качестве антибиотиков, например, против патогенных бактерий (антибактериальных средств) и грибков (противогрибковых средств). Примером такого антибактериального средства является рифампицин, который ингибирует бактериальную транскрипцию ДНК в мРНК, ингибируя ДНК-зависимую РНК-полимеразу посредством связывания с ее бета-субъединицей, в то время как 8-гидроксихинолин является противогрибковым ингибитором транскрипции. Эффекты метилирования гистонов также могут способствовать ингибированию транскрипции. Недавно было сообщено об использовании мощных биоактивных природных соединений, таких как триптолид, которые ингибируют транскрипцию у млекопитающих путем ингибирования субъединицы XPB общего транскрипционного фактора TFIIH, в качестве глюкозного конъюгата для направленного воздействия на гипоксические раковые клетки с повышенной продукцией транспортеров глюкозы.
Эндогенные ингибиторы
У позвоночных большинство генных промоторов содержат CpG-остров с многочисленными CpG-сайтами. Когда многие CpG-сайты промотора гена метилированы, ген становится ингибированным (подавленным). Колоректальные раки обычно характеризуются 3–6 драйверными мутациями и 33–66 мутациями-пассажирами. Однако, транскрипционное ингибирование (подавление) может играть более важную роль, чем мутации, в прогрессировании рака. Например, при колоректальном раке около 600–800 генов транскрипционно ингибируются метилированием CpG-острова (см. Регуляция транскрипции при раке). Транскрипционная репрессия при раке может также происходить посредством других эпигенетических механизмов, таких как изменение продукции микроРНК. При раке молочной железы транскрипционная репрессия BRCA1 может возникать чаще из-за избыточного производства микроРНК 182, чем вследствие гиперметилирования промотора BRCA1 (см. Низкая экспрессия BRCA1 при раке молочной железы и яичников).
Заводы транскрипции
Активные единицы транскрипции группируются в ядре в дискретных участках, называемых фабриками транскрипции или эухроматином. Эти участки можно визуализировать, позволяя вовлеченным полимеразам удлинять свои транскрипты с использованием меченых предшественников (Br UTP или Br U) и иммуноокрашиванием меченой новообразованной РНК. Фабрики транскрипции также могут быть локализованы с помощью флуоресцентной in situ гибридизации или обозначены антителами, направленными против полимераз. В нуклеоплазме клетки HeLa насчитывается около 10 000 фабрик, среди которых около 8 000 фабрик полимеразы II и около 2 000 фабрик полимеразы III. Каждая фабрика полимеразы II содержит около 8 полимераз. Поскольку большинство активных единиц транскрипции ассоциированы только с одной полимеразой, каждая фабрика обычно содержит около 8 различных единиц транскрипции. Эти единицы могут быть связаны через промоторы и/или энхансеры, с образованием петель, формирующих "облако" вокруг фактора.
История
Молекула, позволяющая генетическому материалу быть реализованным в виде белка, была впервые предложена Франсуа Жакобом и Жаком Монодом. Северо Очоа получил Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 1959 году за разработку метода синтеза РНК in vitro с использованием полинуклеотидной фосфорилазы, что оказалось полезным для расшифровки генетического кода. Синтез РНК с помощью РНК-полимеразы был осуществлен in vitro несколькими лабораториями к 1965 году; однако, РНК, синтезированная этими ферментами, обладала свойствами, указывавшими на существование дополнительного фактора, необходимого для корректного завершения транскрипции. Роджер Д. Корнберг получил Нобелевскую премию по химии в 2006 году «за исследования молекулярных основ транскрипции у эукариот».
Обратная транскрипция
Некоторые вирусы (например, ВИЧ, вызывающий СПИД) обладают способностью транскрибировать РНК в ДНК. ВИЧ имеет геном РНК, который обратной транскрипцией превращается в ДНК. Полученная ДНК может встраиваться в ДНК-геном клетки-хозяина. Основной фермент, ответственный за синтез ДНК на основе РНК-матрицы, называется обратной транскриптазой. В случае ВИЧ обратная транскриптаза синтезирует комплементарную цепь ДНК (кДНК) к вирусному геному РНК. Затем фермент рибонуклеаза H разрушает РНК-цепь, а обратная транскриптаза синтезирует комплементарную цепь ДНК, формируя структуру двухцепочечной ДНК (кДНК). кДНК интегрируется в геном клетки-хозяина ферментом интегразой, что заставляет клетку-хозяина производить вирусные белки, которые собираются в новые вирусные частицы. В случае ВИЧ после этого клетка-хозяин подвергается запрограммированной клеточной гибели, или апоптозу, Т-клеток. Однако у других ретровирусов клетка-хозяин остается жизнеспособной, поскольку вирус покидает клетку почкованием. Некоторые эукариотические клетки содержат фермент с обратной транскрипционной активностью, называемый теломеразой. Теломераза несет РНК-матрицу, с помощью которой синтезируется теломера – повторяющаяся последовательность ДНК, добавляемая к концам линейных хромосом. Это важно, поскольку при каждом дублировании линейной хромосомы происходит ее укорочение. Наличие теломеры на концах хромосом позволяет избежать укорочения важных кодирующих последовательностей ДНК, удаляя несущественные, повторяющиеся участки. Теломераза часто активируется в раковых клетках, чтобы обеспечить неограниченное дублирование генома без потери важных кодирующих последовательностей ДНК. Активация теломеразы может быть частью процесса, позволяющего раковым клеткам стать бессмертными. Бессмертие раковых клеток, обусловленное удлинением теломер благодаря теломеразе, подтверждено в 90% всех канцерогенных опухолей in vivo, в то время как оставшиеся 10% используют альтернативный механизм поддержания теломер, называемый ALT или альтернативным удлинением теломер.