Загальний сценарій транскрипції в бактерій

Лекція № 5. Транскрипція: прокаріоти

1. РНК-полімераза

1.1. Загальний сценарій транскрипції в бактерій

1.2. Структура РНК-полімерази

2. Ініціація транскрипції

3. Елонгація транскрипції

4. Термінація транскрипції

5. Регуляція транскрипції

5.1. Лактозний оперон

5.2. Антитермінація

5.3. Атенюація

5.4. Регуляція транскрипції бактеріофага λ

5.5. Неспецифічна регуляція загального рівня транскрипції

Транскрипція (transcription) – процес синтезу РНК з використанням одного з ланцюгів ДНК як матриці, тобто переписування послідовності нуклеотидів ДНК у послідовність нуклеотидів РНК. Зростання ланцюга РНК відбувається в напрямку від 5′ до 3′-кінця. Субстратами реакції є 3′-кінцева ОН-група рибози зростаючого транскрипту (ланцюга РНК, що синтезується) і рибонуклеозидтрифосфати (rNTP). Фермент, що каталізує цю реакцію – ДНК-залежна РНК-полімераза (DNA dependent RNA Polymerase, RNAP). Приступаючи до розгляду прокаріотичної системи транскрипції, слід зауважити, що молекулярні механізми синтезу РНК є в основному спільними для всіх живих організмів.

РНК-полімераза

Загальний сценарій транскрипції в бактерій

Бактеріальна РНК-полімераза складається з кількох білкових субодиниць та існує, залежно від стадії транскрипції, у двох формах: 1) кор.-фермент (core-enzyme) у складі субодиниць, що позначаються як α (дві копії), β, β' та ω; 2) голофермент (holoenzyme) – комплекс корферменту із субодиницею σ.

Корфермент має досить високу неспецифічну спорідненість до ДНК, що дозволяє йому працювати на різноманітних послідовностях. Поява субодиниці σ у складі голоферменту приводить до зниження загальної неспецифічної спорідненості, але при цьому виникає специфічна спорідненість до особливих ділянок, з яких транскрипція має розпочинатися – промоторів (promoters).

За рахунок цього голофермент має змогу ефективно перебирати (шляхом зв’язування та швидкої дисоціації) різноманітні ділянки ДНК, здійснюючи пошук промотора, взаємодія з яким є міцнішою. Отже, субодиниця σ виконує роль загального фактора ініціації транскрипції. Різні промотори розрізняються за спорідненістю до голоферменту (силою промотора). Відповідно, упізнання слабких промоторів залежить від додаткових, специфічних для даного гена чи групи генів, факторів ініціації (див. нижче).

Робочий цикл РНК-полімерази складається з наступних стадій.

• Ініціація транскрипції, яка також є багатостадійним процесом (рис. 1):

- зв’язування голоферменту з промотором. У результаті формується закритий комплекс, у складі якого ДНК зберігає форму подвійної спіралі;

- локальне плавлення подвійної спіралі з утворенням відкритого комплексу – розходження ланцюгів ДНК, яке дозволяє використовувати один з них як матрицю;

- включення перших двох нуклеотидів до молекули РНК (синтез першого фосфодіефірного зв’язку в активному центрі полімерази) – найповільніша стадія процесу;

- зростання первинного короткого транскрипту – приєднання 8 – 9 нуклеотидів. Після цього є можливою абортивна ініціація (визволення короткого транскрипту), тобто невдала спроба ініціації;

- в іншому випадку відбувається очищення промотора – дисоціація σ-фактора, яка маркує перехід до елонгації транскрипції.

• Елонгація транскрипції, у кожному елементарному акті якої (елонгаційному циклі) відбувається приєднання чергового нуклеотиду до 3′-кінця РНК і пересування корферменту на один нуклеотид уздовж матриці (транслокація).

• Термінація транскрипції при впізнанні полімеразою спеціального сигналу термінації (особливого елемента послідовності), коли відбувається визволення транскрипту. Далі корфермент знову взаємодіє з σ-субодиницею і здійснює новий пошук промотора.

Суттєвою особливістю прокаріотичної системи транскрипції білкових генів є те, що молекула мРНК зв’язується з рибосомами безпосередньо під час транскрипції – транскрипція мРНК і білковий синтез є єдиним процесом.

Рис. 1. Ініціація транскрипції бактеріальною РНК-полімеразою.