Синтез мРНК: просторова організація.

Синтез РНК (або транскрипція ДНК) – високо селективний процес: у більшості клітин ссавців тільки близько 1% нуклеотидної послідовності ДНК копіюється в функціональні послідовності РНК (зрілі матричні РНК або структурні РНК). Ця селективність досягається на двох рівнях:
1) Тільки частина послідовності ДНК транскрибується з утворенням ядерних РНК;
2) Тільки менша частина послідовності ядерних РНК подолає етапи процесингу РНК, які передують експорту молекул РНК в цитоплазму.
Внутрішньоядерної синтез мРНК і доставка зрілих транскриптів до місця їх трансляції вимагають участі безлічі збалансованих у часі, просторово організованих молекулярних механізмів.
Апарат транскрипції, який бере участь у синтезі пре-мРНК, асоційований з періхроматіновимі фибриллами, які виявляються на кордонах доменів конденсованого хроматину. Фібрили становлять собою ядерні рібонуклеопротеіновие комплекси діаметром 3-20 нм. Вони включають в себе зростаючі ланцюга пре-мРНК, і щільність фібрил корелює з транскрипционной активністю відповідних ділянок хроматину. За допомогою імунохімічних методів виявлені компоненти апарату сплайсингу, який видаляє інтрони з попередників мРНК одночасно з елонгацією транскриптів.
У дослідах по внутрішньоядерної локалізації місць синтезу специфічних транскриптів з використанням імпульсної радіоактивної або флуоресцентною міток такі РНК були виявлені у вигляді “треків” або більш компактних “точок” в одному або двох дискретних ділянках ядра, що відповідає копіям відповідних генів на гомологічних хромосомах. При цьому з використанням одночасної гібридизації ДНК і РНК було показано, що транскрібіруемие гени розташовані прямо в треках або точках на одному з кінців треку. Зонди, специфічні у відношенні послідовностей інтронів, мітять треки тільки поблизу гена, вказуючи на те, що сплайсинг відбувається уздовж цього сліду РНК.
Треки РНК тісно асоційовані з дискретними внутрішньоядерними структурами, званими межхроматіновимі гранулами, або спекл.
Після завершення синтезу та об’єднання з компонентами апарату сплайсингу, формуючими сплайсоми, пре-мРНК переноситься до ядерній оболонці і виходить у цитоплазму через пори в ядерній оболонці, що входять до складу ядерного порового комплексу (NPC). NPC є постійно існуючим мікрокомпартментом, однозначно ідентифікованим за допомогою мікроскопічних, генетичних і біохімічних методів.
Під час внутрішньоядерної транспорту молекули РНК об’єднуються з іншими білками, які беруть участь у їх процессингу, утворюючи гетерогенні ядерні рібонуклеопротеіновие комплекси (гяРНП), в яких просторова структура пре-мРНК оптимізована для її дозрівання. Ядерний матрикс, що отримується в результаті видалення з ядер більшої частини хроматину, все ще містить пре-мРНК, гяРНП і деякі компоненти апарату сплайсингу. Це може вказувати на внутрішньоядерної надмірність гяРНП і їх роль у формуванні просторової структури ядер. Для гяРНП характерно дифузне розподіл у нуклеоплазмі, однак частина з них може концентруватися в околицях Спекл і навіть слідувати за РНК з ядра в цитоплазму і знову повертатися в ядра разом з транскрипту.
Процес переміщення специфічних пре-мРНК від генів в цитоплазму клітин був досліджений в разі експорту частинок пре-мРНП кілець Бальбіані комара Chironomus tentans, експресують гени яких знаходяться в складі гігантських пуфф політенних хромосом слинних залоз. Великі транскрипти цих пуфф під час елонгації упаковуються в гяРНП у вигляді тонких фібрил, які в міру подовження пре-мРНК стають товщі і вигинаються з утворенням кільцеподібних структур. Зрілі гранули пре-мРНП, що містять у собі РНК, яка зазнала сплайсинг, рухаються в нуклеоплазмі до ядерній оболонці, де затримуються поблизу ядерних пор. У цей час вони набувають форму паличок, які проходять через ядерні пори, починаючи з 5′-кінця укладеної в них РНК. Як тільки пре-мРНК з’являються на поверхні цитоплазматичної частини ядерної мембрани, вони об’єднуються з рибосомами. Протягом всієї цієї ланцюга подій РНК перебуває в складі просторово впорядкованих РНП-часток.
Переміщення РНК від гена до ядерної мембрані не є простою дифузією, цьому суперечать факти тісної асоціації транскриптів, гяРНП і компонентів апарату сплайсингу з ядерним матриксом. У ряді випадків знаходить підтвердження гіпотеза ядерної фіксації генів (gene gating model), запропонована Г. Блобеля (1985 р.), відповідно до якої конкретні гени функціонально пов’язані з певними ділянками (і порами) ядерної мембрани, що направляє їх транскрипти для експорту в цитоплазму до цих конкретних ділянках. Однак таке правило підтверджується не завжди. Зокрема, РНК колагену виявляють розподіленої вздовж всієї ядерної мембрани, що вказує на її вихід у цитоплазму через багато ядерні пори.
Для розглянутих вище структур, утворення яких супроводжує синтез, процесинг і експорт РНК з ядра в цитоплазму, характерний динамізм – окремі їх компоненти можуть переміщатися між мікрокомпартментамі. Синтез, процесинг і транспорт РНК в ядрі відбуваються в складі дискретних компартментов нуклеоплазми, що дозволяє концентрувати регуляторні, структурні та ферментативні компоненти транскрипції і сплайсингу в місцях активно експресуються генів. Всі етапи сплайсингу можна відтворити в розведених розчинах in vitro при концентрації білка близько 1 мкг / мл. Однак швидкість цих реакцій в таких системах значно нижче спостережуваної in vivo, де внутрішньоядерної концентрація РНП перевищує 50 мг / мл. Крім того, просторово впорядкована організація ранніх етапів експресії генів створює необхідні умови і додаткові унікальні можливості для її регуляції, що було б неможливо в разі вільної дифузії компонентів цієї системи.

Comments are closed.