Жизнь молекул РНК

Определение понятия РНК

Виды РНК

1. преРНК (=первичный транскрипт, =гетерогенная ядерная РНК) - молекула РНК, которая синтезировалась на соответствующем "матричном" участке ДНК в результате транскрипции.
2. Зрелая РНК - преобразованный первичный транскрипт, прошедший созревание в ядре в виде процессинга.
3. мРНК (=матричная, =информационная) - молекула РНК, которая используется в роли "информационного шаблона" (=матрицы) для синтеза на ней молекулы белка. Это, можно сказать, "главный" вид РНК, потому что именно она определяет, как будет устроен синтезирующийся в клетке белок.
4. рРНК (=рибосомная) - молекула РНК, являющаяся основой малой или большой субъединицы рибосомы. Основную массу РНК в клетке составляет вовсе не матричная, а именно рибосомальная РНК (рРНК). Рибосомальная РНК — второй «главный» вид клеточной РНК — образует «скелет» и функциональный центр рибосом у всех организмов. И именно рРНК (а не белки) регулирует основные этапы белкового синтеза.
5. тРНК (=транспортная) - молекула РНК, связывающая родственную ей молекулу аминокислоты и транспортирующая её к рибосоме для включения в белковую молекулу строящегося белка. Это третий "главный" вид РНК наряду с мРНК и  рРНК. Эти три вида РНК формируют единый белок-синтезирующий комплекс и производят белок. Согласно гипотезе «мира РНК», именно эта рибонуклеиновая кислота лежала у самых истоков жизни на Земле
6. snРНК (=малая ядерная) - молекула РНК, которая удаляет интроны и ферментативно соединяет экзоны в мРНК во время процессинга РНК в ядре.
7. snoPHK (=малая ядрышковая РНК) - молекула РНК, которая участвует в направлении или проведении модификаций оснований в рРНК и малой ядерной РНК, таких, как, например, метилирование и псевдоуридинизация. Большинство малых ядрышковых РНК находятся в интронах других генов.
8. srpPHK (=сигналраспознающая РНК) - длинная молекула РНК в составе рибопротеинового комплекса в цитоплазме, которая распознаёт сигнальную последовательность белков, предназначенных для экспрессии, и участвует в их переносе через цитоплазматическую мембрану.
9. sРНК, miРНК (=микроРНК) - мелкая двухцепочечная молекула РНК, образовавшаяся из первичного транскрипта в результате процессинга и участвующая во внутриклеточной хеморегуляции. Она контролирует трансляцию структурных генов путём комплементарного связывания с 3'-концами нетранслируемых участков иРНК Подробнее Предшественник микроРНК транскрибируется с обеих цепей геномной ДНК РНК-полимеразой II. В результате появляется промежуточная форма — при-микроРНК, — несущая признаки обычной мРНК — m7G-кэп и полиА-хвост. В этом предшественнике образуется двуцепочечная петля с двумя одноцепочечными «хвостами» и несколькими неспаренными нуклеотидами в центре. Такая петля подвергается двухстадийному процессингу: вначале эндонуклеаза Drosha отрезает от двуцепочечной шпильки одноцепочечные «хвосты» РНК, после чего вырезанная шпилька (пре-микроРНК) экспортируется в цитоплазму. Там она узнается белком Dicer’ом, наносящим ей ещё два разреза (вырезается двуцепочечный участок). В таком виде зрелая микроРНК, аналогично киРНК, включается в состав комплекса RISC. Механизм действия многих микроРНК аналогичен действию киРНК: короткая (21–25 нуклеотидов) одноцепочечная РНК в составе белкового комплекса RISC с высокой специфичностью связывается с комплементарным участком в 3′-нетранслируемой области мРНК-мишени. Связывание приводит к расщеплению мРНК белком Ago. Однако активность микроРНК (по сравнению с киРНК) уже более дифференцирована - если комплементарность не абсолютная, то целевая мРНК может и не деградировать, а только обратимо блокироваться (то есть её трансляции в белок не будет). Физиологические функции микроРНК крайне разнообразны — фактически, они выступают основными небелковыми регуляторами онтогенеза. Также микроРНК ополняют «классическую» схему регуляцию генов (индукторы, супрессоры, компактизация хроматина и т. д.). Кроме того, синтез самих микроРНК сложным образом регулируются: определенные пулы микроРНК могут включаться интерферонами, интерлейкинами, фактором некроза опухолей α (ФНО-α) и многими другими цитокинами. В результате вырисовывается потрясающая по своей сложности и гибкости многоуровневая сеть настройки «оркестра» из тысяч генов, работающая в клетке. На различных этапах жизни клеток включаются и выключаются целые пулы малых РНК. Для биологических процессов идентифицировали десятки специфичных микроРНК, уровень экспрессии которых в определённых условиях изменяется в тысячи раз, подчёркивая исключительную управляемость этих процессов. К примеру, в активно делящейся клетке микроРНК, связавшись с комплементарной последовательностью в 3′-участке мРНК, ингибирует синтез белка (трансляцию). Однако в состоянии покоя или стресса (например, при росте на бедной среде) то же самое событие приводит к прямо противоположному эффекту - усилению синтеза целевого белка  Количество разновидностей микроРНК у высших организмов превосходит 1% от числа белок-кодирующих генов (у человека, например, более 700 микроРНК). микроРНК регулируют активность около 30% всех генов в организме.
10. пиРНК (piRNA, от Piwi-interaction RNA) - короткие молекулы длиной в 24–30 нуклеотидов, закодированные в центромерных и теломерных областях хромосомы. Последовательности многих из них комплементарны мобильным генетическим элементам (МГЭ) хромосом, однако есть также множество пиРНК, совпадающих с участками рабочих генов или с фрагментами генома, функции которых пока неизвестны. пиРНК (так же, как и микроРНК) закодированы в обеих цепях геномной ДНК; они весьма изменчивы и разнообразны: до 500 000 видов в одном организме. Так что число пиРНК на порядок превосходит количество известных белков. В отличие от киРНК и микроРНК, они образуются одной цепью с характерной особенностью — урацилом (U) на 5′-конце и метилированным 3′-концом. Есть у них и другие отличия: гены пиРНК активны только в зародышевых клетках (во время эмбриогенеза) и окружающих их эндотелиальных клетках; белковый состав системы пиРНК — это эндонуклеазы класса Piwi (Piwi и Aub) и отдельная разновидность Argonaute - Ago3.. С помощью явления РНК-интерференции пиРНК сдерживают активацию МГЭ в клетке на уровне транскрипции и трансляции. МГЭ представляют собой короткие нестабильные участки ДНК, которые могут автономно транскрибироваться и мигрировать по геному. Это приводит к "перемешиванию" генов, множественным разрывам ДНК в хромосомах, что может приводить к летальным последствиям. Образно можно сказать, что пиРНК выполняют роль «намордника» для транспозонов, то есть для МГЭ.
11. киРНК - короткая интерферирующая РНК (=siRNA — small interference RNA), состоящая из двойных цепей. Она связывается с комплексом белков под названием RISC (RNA-induced silencing complex), центральный элемент которого — эндонуклеаза семейства Argonaute. Связывание с киРНК активирует комплекс RISC и запускает в клетке поиск молекул ДНК и РНК, комплементарных «шаблонной» киРНК. Судьба таких найденных молекул — быть уничтоженными или инактивированными комплексом RISC. Образно можно сказать, что киРНК - "сторожевые псы" клеток. Они ищут в цитоплазме для уничтожения молекулы мРНК с комплементарными им участками. киРНК синтезируются на основе инфицировавшей клетку «враждебной» РНК, имеют длину 20–25 нуклеотидов и «особую примету»: по 2 неспаренных нуклеотида на 3′-концах и фосфорилированные 5′-концы. Анти-смысловая киРНК способна (не сама, конечно, а с помощью RISC-комплекса) распознавать мРНК и специфически вызывать её деградацию (разрушение). киРНК - эволюционно наиболее ранние молекулы РНК, они распространены шире всего у растений, одноклеточных организмов и беспозвоночных. У позвоночных в норме киРНК практически не обнаружены, потому что их вытеснили более поздние «модели» коротких РНК. В современной экспериментальной биологии значение РНК-интерференции и коротких РНК огномно. Разработана технология «выключения» (или нокдауна) отдельных генов in vitro (на культурах клеток) и in vivo (на эмбрионах), что уже стало стандартом при изучении любого гена. Иногда даже, чтобы установить роль отдельных генов в каком-нибудь процессе, проводят систематическое «выключение» всех генов по очереди.

Строение РНК

Зрелая матричная РНК включает в себя несколько областей с различной функциональной ролью:

1. На 5'-конце находится "колпачок" (=шапочка, =кэп) - участок из одного-четырех модифицированных нуклеотидов. Такая структура защищает 5'-конец м-РНК от нападения ферментов-эндонуклеаз.
2. За "колпачком" идёт 5'-нетранслируемая область - последовательность из нескольких десятков нуклеотидов. Она комплементрана одному из отделов той р-РНК, которая входит в малую субъединицу рибосомы. За счет этого она служит местом для первичного связывания м-РНК с рибосомой, но сама не транслируется в процессе синтеза белка этой рибосомой.
3. Инициирующий кодон АУГ, кодирующий метионин. Во всех м-РНК инициирующий кодон одинаков. С него начинается трансляция (считывание) м-РНК. Если после синтеза пептидной цепи оказывается, что метионин в начале данного белка не нужен, то он, как правило, отщепляется с N-конца этой пептидной цепи.
4. За инициирующим кодоном следует кодирующая часть, которая содержит информацию о последовательности аминокислот в белке. У эукариот зрелые м-РНК являются моноцистронными, т.е. каждая из них несет информацию о структуре только одной полипептидной цепи. Другое дело, что иногда в результате процессинга белка его пептидная цепь вскоре после образования на рибосоме разрезается на несколько более мелких цепей. Так бывает, например, при синтезе инсулина и целого ряда олигопептидных гормонов. Кодирующая часть зрелой м-РНК эукариот лишена интронов — каких-либо вставочных некодирующих последовательностей. Иными словами, имеется непрерывная последовательность смысловых кодонов, которая должна читаться в направлении 5' —>3'.
5. По окончании кодирующей части находится кодон терминации — один из трёх "бессмысленных" кодонов: УАА, УАГ или УГА (см. табл. генетического кода).
6. За этим кодоном может следовать еще 3'-нетранслируемый участок, значительно превышающий по длине 5’-нетранслируемую область.
7. Наконец, почти все зрелые мРНК эукариот (кроме гистоновых мРНК) на 3'-конце содержат "хвост" - поли(А)-фрагмент из 150-200 одинаковых адениловых нуклеотидов.
8. Первым нуклеотидом в РНК всегда является один из пуринов в форме трифосфата.

 Жизнь РНК

Прокариоты

Продолжительность жизни цистронных участков мРНК, ответственных за синтез одного белка, у бактерий очень мала: они существуют всего-то в пределах 2-3 минут, после чего разрушаются.

Эукариоты

У эукариот продолжительность полужизни мРНК в клетке составляет от 10 минут до 2 суток (48 часов). Причём короткоживущими обычно бывают мРНК регуляторных белков. Это оправдано, т.к. повышает скорость изменения регуляторных сигналов при необходимости.

Основные этапы жизни РНК

1. Рождение - транскрипция. Видео

2. Созревание - процессинг.

3. Работа - трансляция. Видео

4. Смерть - деградация. Перейти

Клеточные РНК-полимеразы (РНКП) способны катализировать реакцию пирофосфоролиза, Кроме этого, они обладают эндонужлеазной активностью, которая существенно стимулируется в присутствии белковых факторов ОгеА и GreB у прокариот (Boiukhov et al., 1993) и TFHS у эукариот (Reines, 1992; Izban and Luse, 1992). Предполагается, что эцдонухлеазное расщепление РНК осуществляется в том же активном центре, что и реакции полимеризации и пирофосфоролиза. Для эукариотнческой РНКП D описана также экзонукдеазная активность, которая как и эндонуклеазная стимулируется белковым фактором TFI1S (Wang and Hawley, 1993). Была показано, что фактор* стимулируемая экзонуклеазная активность РНКП II играет важную роль в процессе коррекции синтеза РНК гл vitro (Thomas et al., 1998). (https://earthpapers.net/nukleotid-zavisimaya-degradatsiya-nukleinovyh-ki...)

Передача информации между ДНК и РНК в виде транскрипции РНК на ДНК и обратной транскрипции ДНК на РНК, т.е. перенесение информации на новый химический носитель без искажений, происходит на основе общего генетического кода и комплементарности азотистых оснований нуклеотидов.

Видео: Транскрипция и трансляция

 Транскрипция

Транскрипция ("переписывание") - это матричный синтез молекулы РНК на участке ДНК на основе комплементарности между ДНК-нуклеотидами и РНК-нуклеотидами.

Транскрипция — процесс многостадийный. Даже инициация транскрипции насчитывает несколько этапов: посадка белков, образование закрытого комплекса, плавление дуплекса (то есть расхождение цепей) с образованием открытого комплекса и т.д. 

В результате получается РНК-копия транскрибируемого участка ДНК, имеющего направление от 3' к 5' концу. Эта первичная копия назввается пре-РНК (=первичный транскрипт). Субстратом и одновременно источником энергии для синтеза РНК являются активированные дополнительными фосфатными остатками рибонуклеозидтрифосфаты (НТФ: АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ).

Участок ДНК, подлежащий транскрипции, называется транскриптоном. Он начинается промотором, а заканчивается терминатором.

Промотор - это специфический участок (сайт) ДНК, с которым связывается фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза и начинает синтез РНК.

Терминатор - это участок (сайт) ДНК, на котором завершается синтез РНК.

Процесс транскрипции управляется специальными белками - "факторами транскрипции".

Факторы транскрипции (транскрипционные факторы) — это белки́, контролирующие процесс синтеза мРНК на матрице ДНК (транскрипцию) путём связывания со специфичными для них участками ДНК. Ключевой частью таких белков является один или несколько ДНК-связывающих доменов, способных присоединяться к соответствующим участкам ДНК. Факторы транскрипции или облегчают связывание РНК-полимеразы с ДНК (это активаторы), или затрудняют (это репрессоры).

Если различные вспомогательные белки участвуют в экспрессии гена, но не имеют ДНК-связывающих доменов, то их не относят к факторам транскрипции. Это, например, коактиваторы, гистонацетилазы, киназы, метилазы.

У прокариот синтез всех видов РНК осуществляется одним и тем же ферментом - ДНК-зависимой РНК-полимеразой.
У эукариот имеется одновременно несколько видов РНК-полимераз в клетке: 3 ядерные РНК-полимеразы, митохондриальные РНК-полимеразы, хлоропластные РНК-полимеразы.
Повторим, что субстратами для РНК-полимераз служат рибонуклеозид-три-фосфаты - активированные нуклеотиды. Весь процесс транскрипции осуществляется за счёт энергии макроэргических связей этих актвированных нуклеотидов.

polymerase.png

Рисунок - РНК-полимераза II (фиолетовый цвет) дрожжей Saccharomyces cerevisiae — сложный фермент, главный в транскрипции. Во время транскрипции фермент раскручивает двойную спираль ДНК и использует одну цепь (темно-оранжевый) в качестве матрицы для создания одноцепочечной информационной РНК (зеленый), которая после модификации используется в рибосомах для синтеза белка. Источник: https://pdb101.rcsb.org/learn/flyers-posters-and-calendars/poster/award-...

Принципы транскрипции

1. Комплементарность - mRNA комплементарна матричной цепи ДНК и аналогична кодирующей цепи ДНК.
2. Антипараллельность.
3. Униполярность.
4. Беззатравочность - РНК-полимераза не требует праймера для начала своей деятельности.
5. Асимметричность.

Стадии транскрипции

1. Распознавание промотора и связывание - РНК-полимераза связывается с ТАТА-боксом 3’-промотора при помощи основных факторов транскрипции, дополнительные факторы ингибируют или стимулируют её присоединение
2. Инициация - образование первой фосфодиэфирной связи между Pu и первым нуклеотидом. К пуринтрифосфату присоединяется нуклеотид комплементарный второму нуклеотиду ДНК с отщеплением пирофосфата от нуклеозидтрифосфата с образованием диэфирной связи.
3. Элонгация ( 3’→5’) - мРНК, гомологичная нематричной (=кодирующей, =смысловой) цепи ДНК, синтезируется на матричной ДНК; какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для данной синтезирующейся РНК, определяется направлением промотора.
4. Терминация - завершение транскрипции (синтеза РНК на цепи ДНК).

Видеолекция: Регуляция транскрипции

Видео: Эпигенетическая регуляция

Инициация транскрипции

Транскрипция начинается с того, что регуляторный белок распознаёт на ДНК свою мишень - определённый участок ДНК - и связывается с ним. Именно регуляторный белок должен запустить экспрессию определённого гена в нужный момент времени, а для этого необходимо начать его транскрипцию. Регуляторный белок играет роль указателя (метки) для привлечения остальных транскрипционных факторов именно к данному участку ДНК.

Затем с промотором связывается ТАТА-связывающий белок и активирует промотор гена. ТАТА - это та последовательность нуклеотидов в ДНК, на которую реагирует домен этого белка, т.е. последовательность "тимин-аденин-тимин-аденин". Этот участок ДНК называют также "ТАТА-бокс". Активированный ТАТА-связывающим белком промотор затем легко связывается с РНК-полимеразой. РНК-полимераза, связанная с промотором, легко связывается со следующими факторами инициации, которые раскручивают один виток спирали ДНК. Таким образом, цепь ДНК становится доступной для работы РНК-полимеразы.

Видео: ТАТА-связывающий белок

=

Видео: Транскрипция

Видео: Транскрипция у эукариот  Комплекс транскрипции и энхансеры

Видео: Транскрипция (оригинал тут)

2.2. Регуляция транскрипции. Видео: Регуляция транскрипции

Видео: Работа факторов транскрипции

2.3.
2.4.

3. Преобразование транскрибированной молекулы РНК в рабочую форму (процессинг). Виды рабочих РНК

3.1. Процессинг. Видео: Процессинг РНК Процессинг РНК у эукариот Процессинг
3.2. Сплайсинг. Видео: Сплайсинг РНК

Видео: Сплайсинг РНК анимация

3.3.

4. Механизмы деятельности различных видов РНК

4.1. Информационные (матричные) мРНК.

Видео: Интерференция РНК

Функциональные виды РНК

1. Первичный транскрипт (=преРНК).

2. Информационная иРНК (=матричная РНК, =мРНК).

3. Рибосомальная рРНК.
4. Транспортная тРНК.

5. Ядерная яРНК.

6. МикроРНК

Трансляция

Трансляция - это перенесение биологической информации с РНК в другую химическую форму – полипептидную, т.е. матричный синтез белка на матрице РНК.

По смыслу слова, трансляция - это перевод с одного "химического языка" на другой, переход с "нуклеотидных букв" на "аминокислотные буквы".

Трансляция - это биосинтез белка на матрице РНК в рибосомах клетки. Синтез белка - это сборка большой и довольно длинной белковой молекулы из отдельных "деталей", которые по очереди прикрепляются с одного конца к удлинняющейся за счёт этого белковой молекуле. "Детали" - это более мелкие молекулы под общим названием "аминокислоты". Сборка осуществляется "по образцу" (это называется "матричный синтез"). Образцом (матрицей, шаблоном) служит молекула РНК - длинная молекула рибонуклеиновой кислоты. В ней указана очерёдность аминокислот для сборки молекулы белка. Занимается сборкой белковой молекулы специальное биологическое устройство - рибосома. В результате такого синтеза получается молекула белка, на построение которой ушло от 50 до 1500 молекул аминокислот.

Трансляция. Видео: Трансляция просто

Видео: Трансляция белка

Видео: Трансляция - синтез белка на иРНК (оригинал тут)

Видео: Бактериальная рибосома синтезирует белок

Видео: Белок синтезируется прямо в ЭПР (эндоплазматический ретикулум)

5.2.
5.3.

Источники:

https://biomolecula.ru/articles/obo-vsekh-rnk-na-svete-bolshikh-i-malykh