Реферати українською » Биология » Гіпотеза світу РНК


Реферат Гіпотеза світу РНК

Страница 1 из 4 | Следующая страница

Зміст

Запровадження

I. Сучасні уявлення, що характеризують концепцію «Світ РНК»

>I.1 Зворотний транскрипція

>I.1.1Репликациятеломерних ділянокеукариотических хромосом

>I.1.2 Механізм зворотної транскрипції

>I.2Функциональние можливості РНК

>I.3тмРНК

>I.4 Інтерференція РНК

>I.5 СтруктураРНК-содержащих стресових гранул

>I.6 Поява концепції «Миру РНК»

>I.6.1Рибозими

>I.6.2 Виникнення древнього світу РНК

Укладання

Список літератури


Запровадження

Майже півстоліття тому, в 1953 р., Д. Вотсон і Ф. Крік відкрили принцип структурної (молекулярної) організації генного речовини - дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Структура ДНК дала ключі до механізму точного відтворення - редуплікації генного речовини. Виникла нова наука - молекулярної біології. Була сформульована так звана центральна догма молекулярної біології: ДНК РНК білок. Сенс її у тому, що генетична інформація, записаний у ДНК, реалізується у вигляді білків, але з безпосередньо, а ще через родинного полімеру -рибонуклеиновую кислоту (РНК), і від нуклеїнових кислот до білків необоротний. Отже, ДНК синтезується на ДНК, забезпечуючи власнуредупликацию, тобто відтворення вихідного генетичного матеріалу в поколіннях; РНК синтезується на ДНК, у результаті відбувається переписування, чи транскрипція, генетичної інформацією форму численних копій РНК; молекули РНК служать матрицями для синтезу білків - генетична інформація транслюється до формиполипептидних ланцюгів. У цьому виникає чітке враження про значно більше різноманітних функціональні можливостірибонуклеинових кислот проти ДНК, існування якої пов'язані винятково із необхідністю зберігання й передачі з покоління до покоління спадкових ознак.

>Рибонуклеиновие кислоти (РНК), наявні у клітинах як про-, іеукариот, бувають з трьох основних типів: інформаційна (матрична,мРНК), транспортна (>тРНК) ірибосомная (>рРНК). У ядрі клітинеукариот міститься РНК четвертого типу - гетерогенна ядерна РНК (>гяРНК). В окремих вірусів РНК служить носієм генетичної інформації.


I. Сучасні уявлення, що характеризують концепцію «Світ РНК»

>I.1 Зворотний транскрипція

Сучасні знання про структурному і функціональному розмаїтті РНК не укладаються у ті канонічні уявлення про їхнє роль реалізації генетичної інформації, що виникли від початку розвитку молекулярної біології. Уявлення про те, що РНК використовують тільки інструментом трансформації генетичної програми (генотипу), закладених у структурі ДНК, в конкретний фенотип, формований розмаїттям білків, був у значною мірою зруйновано після відкриття зворотної транскрипції. Виявилося, що РНК може бути матрицею як на відтворення свого власного структури вРНК-содержащих віруснихгеномах, але й біосинтезу ДНК у вищих організмів. Цей процес відбувається також використав ході свого розвитку багато віруси, зокрема горезвісні онкогенні віруси й ВІЛ-1, викликає СНІД. РНК виконує роль матричної молекули у процесах зворотної транскрипції (біосинтезі ДНК на матриці РНК) і своєю власної реплікації уРНК-содержащих вірусів іфагов. У процесі зворотної транскрипції роль початку, яка потрібна на синтезу комплементарної ланцюга ДНК, виконуєтРНК.Матричние властивості РНК реалізуються у процесі нарощуваннятеломерних повторів в молекулах ДНК:РНК-матрица є найважливішим компонентомтеломераз — ферментів, здійснюють синтезтеломерних ділянок ДНК в хромосомах.

>I.1.1Репликациятеломерних ділянокеукариотических хромосом

На кінцях хромосомеукариот перебувають спеціалізовані повторювані послідовності ДНК, що отримали назвутеломерной ДНК, а містять її кінці хромосом —теломероми. У клітинах тварин кількість хромосом, отже, ітеломерних ділянок невелика — вони лише невелику частину від інших послідовностей.

Використання як об'єкт дослідженнятеломерной ДНКресничной інфузоріїTetrahymenathermophila, у клітинах якої десятки тисяч дрібних хромосом, отже, і безлічтеломер, показало, що теломери побудовано з коротких (містять по 6 — 8 нуклеотидних залишків) багаторазово повторюваних послідовностей (блоків). У цьому одна ланцюг ДНК збагатити залишкамигуаниловой кислоти (>G-богатая ланцюг, утетрахимени — це блокТТGGGG), акомплементарная її ланцюг збагатити залишкамицитидиловой кислоти (>С-богатая ланцюг).Теломерная ДНК людини побудована зТТАGGG-блоков, тобто. відрізняється від найпростіших лише однимнуклеотидом в повторі. ЗТТАGGG-блоков побудованотеломерние ДНК (їх багатіС-цепи) всіх ссавців, рептилій, амфібій, птахів та риб.Универсален ітеломерний повтор (>ТТТАGGG) в усіх рослин.

>Теломери відіграють істотне значення у створенні специфічної архітектури та внутрішньої упорядкованості клітинного ядра. Вони запобігають деградацію і злиття хромосом, і навіть відповідальні право їх прикріплення до спеціальної внутрішньоклітинної структурі (своєрідному кістяку клітинного ядра).

Механізми реплікаціїтеломерних ділянокеукариотических хромосом і центральної областей ДНК принципово різняться. Усі відоміДНК-полимерази, є ферментами складногорепликативного комплексуеукариот, нездатні повністюреплицировать кінці лінійних молекул ДНК. Відомо, щоДНК-полимерази, синтезуючи дочірню нитку ДНК, прочитують батьківську нитку у бік від неїЗ'-конца до5'-концу. Відповідно дочірня ланцюг синтезується у бік 5'3'. З іншого боку,ДНК-полимераза починає синтез лише з спеціальногоРНК-праймера,комплементарного ДНК. Після закінчення синтезу ДНКРНК-праймери видаляються, а пропуски на одній із дочірніх ланцюгів ДНК (відстаючої) заповнюютьсяДНК-полимеразой. Проте заЗ'-концевих ділянках ДНК такий перепустку заповнений не може, і тому вониоднотяжевими, які5'-концевие ділянки —недореплицированними. Отже, при кожному раунді реплікації хромосоми будуть коротшати на 10 — 20 нуклеотидів (в різних видів розмірРНК-затравок різний), й у першу чергу скорочувати довжинутеломерной ДНК. Виникла проблема «кінцевийнедорепликации ДНК». Що стосується реплікації кільцевих бактеріальних ДНК цієї проблеми немає, оскільки перші за часом освітиРНК-праймери видаляються ферментом, який одночасно заповнюєобразующуюся пролом шляхом нарощуванняЗ'-ОН-конца зростання ланцюга ДНК, спрямованої на «хвіст»удаляемомупраймеру. ПроблеманедорепликацииЗ'-концов лінійних молекул вирішуєтьсяеукариотическими клітинами з допомогою спеціального ферменту —теломерази. Цей фермент виявили вперше у 1985 р. у інфузоріїTetrahymenathermophila, а згодом — в дріжджах, рослинах і в тварин, зокрема в яєчниках чоловіки й безсмертних лініях ракових клітинНеLа.

>Теломераза єДНК-полимеразой,достраивающей3'-конци лінійних молекул ДНК хромосом короткими (6 — 8 нуклеотидів) повторюваними послідовностями (у хребетнихТТАGGG). Відповідно до номенклатурі, цей фермент називаютьДНК-нуклеотидилекзотрансферазой, чителомерной термінальнійтрансферазой (мовляв. маса 103—133кДа). Крім білкової частинителомераза містить РНК, виконує роль матриці нарощування ДНК повторами.

Довжинателомерной РНК коштує від 150 нуклеотидів — в найпростіших до 1400 нуклеотидів — у дріжджів, в людини — 450 нуклеотидів. Наявність у молекулітеломеразиРНК-последовательности, за якою відбувається матричний синтез фрагмента ДНК, стаття дозволяє віднестителомеразу до своєрідну оберненутранскриптазе, тобто.ферменту, здатному вести синтез ДНК по матриці РНК. Основне призначеннятеломерази — синтезуватитандемно повторювані блоки ДНК, із яких складаєтьсяG-цепьтеломерной ДНК.Матричний ділянку представленотеломеразной РНК лише одне раз. Його довжина вбирається у довжину двох повторів втеломерной ДНК.

Механізм синтезутеломерних повторів,катализируемийтеломеразой:

У першій стадії (зв'язування теломери) відбуваєтьсякомплементарное взаємодія частини матричного ділянкителомеразной РНК з3'-концевим виступаючимодноцепочечним сегментом ДНК хромосом. У цьомуЗ'-концевой фрагмент ДНК служить запалом для подовження цієї ДНК наРНК-матрице. На стадії елонгації виступає ланцюг ДНК подовжується остаточно матриці. Ця реакція здійснюєтьсяРНК-зависимойДНК-полимеразной активністютеломерази.

Після подовження виступає ланцюга ДНК остаточно матриці відбуваєтьсятранслокация, тобто. переміщення матриці і білкових субодиниць ферменту на наново синтезований кінецьтеломеразной ДНК, й усе цикл повторюється знову. Після закінчення подовженняодноцепочечнойЗ'-концевойтеломерной послідовності друга ланцюг ДНК (>С-цепь) добудовується з допомогою звичайнійДНК-полимерази. Отже відбувається розв'язання проблеми кінцевий реплікації ДНК уеукариот.


>Рис. 1.Репликациятеломерних ділянокеукариотических хромосом (>Цитировано по [1]):

А — виникненнянедореплицирования5'-конца лінійної хромосоми і синтез у цьомуконцевом ділянцітеломерной ДНК з допомогоютеломерази;

Б — основні етапи синтезутеломерного повторутеломеразой

>I.1.2 Механізм зворотної транскрипції

На зворотної транскрипції грунтується розмноження ретровірусів (віруси, які мають геномом служить не ДНК, звісно ж, а РНК) іретротранспозонов (єтранспозиционними елементами, які маютьвирионних частинок, і, отже, на відміну ретровірусів, що неспроможні незалежно «переносити себе» між клітинами), освіту проретропсевдогенов (чипроцессированниепсевдогени церетропоследовательности, які втратили своє завдання, вони несуть бачимо всі ознаки функціональнихретропоследовательностей, але мають молекулярні дефекти, які дають їмекспрессироваться) і добудова кінчиків хромосом (>теломер),укорачивающихся при кожному клітинному розподілі. Якщо молекула ДНК пошкоджена — наприклад, піддалася розриву (>double-strandbreak,DSB) — на її лагодження необхідна матриця, у якій послідовність нуклеотидів відповідає вихідному, «правильному» стану пошкодженої ділянки. Раніше вважалося, що на посаді таких матриць завжди використовуються інші молекули ДНК. Пізніше було встановлено, іноді ціДНК-матрици синтезуються шляхом зворотної транскрипції з урахуванням РНК з участюретротранспозонов.

Під час вивчення ретровірусів, геном яких представлений молекуламиодноцепочечной РНК, було знайдено, у процесі внутрішньоклітинного розвиткуретровирус проходить стадію інтеграції свого геному якдвухцепочечной ДНК в хромосомиклетки-хозяина. У 1964 р. Темін висунув гіпотезу про існуваннявирусспецифичного ферменту, здатного синтезувати наРНК-матрицекомплементарную ДНК. Зусилля, створені задля виділення такого ферменту, увінчалися, й у 1970 р. Темін зМизутани, і навіть незалежно від нього Балтімор відкрили шуканий фермент в препаратівнеклеточнихвирионов вірусу саркоми Рауса. ЦяРНК-зависимаяДНК-полимераза отримав назву зворотнатранскриптаза, чиревертаза.

Коженвирион (повноцінна вірусна частка, що складається з нуклеїнової кислоти і білкової оболонки) ретровірусів містить дві ідентичні ланцюга РНК розміром від 8000 до 10 000 нуклеотидів. Області 5'- і3'-концов обох ланцюгів модифіковані, як в усіхеукариотическихмРНК (>5'-кепи,З'-полиадениловие хвости). Вірусні РНК мають 5 структурних елементів: 1) прямі повтори п'ять'- іЗ'-концах РНК (R); 2) послідовністю 80 — 120 нуклеотидів, що знаходиться майже п'ятьконцевого повтору (>U5); 3) послідовністю 170 — 1200 нуклеотидів близькоЗ'-концевого повтору (>U3); 4) послідовністю 15 20 нуклеотидів (Р), не більше якої клітиннатРНКкомплементарно взаємодіє зіретровирусной РНК, що створюєпраймер для синтезу першої ланцюга ДНК; 5) сегментPu, які перебувають безпосередньо перед повторомU3 і є сайтом дляпраймирования другий ланцюга ДНК — такий сегмент однаковий у РНК всіх ретровірусів певного типу.

Етапи зворотної транскрипції:

1. НарощуваннятРНК-праймера на матрицяхU5 і R у бік 3'5'. РольРНК-праймера виконує одне з клітиннихтРНК (наприклад,триптофановая,пролиновая тощо.). З віддалі приблизно 100 м — 200 нуклеотидів від5'-конца РНК (кожному за вірусу — це незмінною) є ділянку, комплементарнийЗ'-концевой послідовності молекулитРНК, що використовується як початку. Ця ділянка зазвичай позначається якpbs (відангл.primerbindingsite ділянку зв'язування початку). Зворотнийтранскриптаза синтезує сегмент ДНК, комплементарний5'-концевой послідовності вірусної РНК. Цей сегмент прийнято називати (-) «>strong-stop» ДНК, оскільки синтез ДНК після завершення копіювання5'-конца матриці тимчасово зупиняється. (-) «>strong-stop» ДНК містить послідовності,комплементарниеконцевому району R районуU5. Отже, синтез ДНК починається неподалік5'-конца матриці й утворюється короткий продукт. Але це короткий продукт (-) «>strong-stop» має послідовність,комплементарную ще йЗ'-концу вірусної РНК, бо як відомо, зі зняттямДНК-копии зЗ'-конца матриці завжди потрібнопраймер. У ретровірусів комплементЗ'-конца матриці виробляється у «зручному» місці, та був переноситься на «своє» місце. Це відбувається так:5'-конец вірусної РНК, утворюючий дуплекс з (-) «>strong-stop» ДНК, руйнується під впливом властивою зворотноїтранскриптазе активностіРНКази М.

2.РНКаза М, специфічна до РНК у складі гібридногоРНК-ДНКдуплекса, розщеплює сегмент РНК цьогодуплекса. Через війну (-) «>strong-stop» (>RU5) перебувають уоднонитевой форми і може взаємодіяти зЗ'-концом (з ділянкою R) тієї ж самої або інший молекули вірусної РНК, оскільки уЗ'-конце РНК є повтор R..

3.Новосинтезированная коротка ланцюг ДНК разом ізпраймером «перестрибує» наЗ'-конец матриці і взаємодіє із комплементарних їй ділянкою До.

4. Ланцюг ДНК подовжується, як матриці використовується решта вірусної РНК. І на цій стадії як початку виступає вже (-)«>strong-stop» ДНК;елонгация початку призводить до синтезу (-) ланцюга ДНК, у якій відсутнє комплемент районуRU5, оскільки відповідний ділянку (+) матриці зруйнувалиРНКазой М.

5. На момент завершення синтезу першої ланцюга ДНК більшість вірусної РНК руйнуєтьсяРНКазой М.

6. СинтезЗ'-конца другий ланцюга ДНК.

7. ВидаленнятРНК і що залишився ділянки вірусної (+) РНКРНКазой М.

8. Другий стрибок, у результаті якогоновосинтезированная друга ланцюг ДНКкомплементарно взаємодіє зітРНК-связивающей послідовністю першої ланцюга.

9. ПодовженняЗ'-концов кожної ланцюга, освітудуплекса ДНК.

Уся послідовність реакцій протікає без явного участі ферментів реплікаціїклетки-хозяина (>топоизомерази,хеликази,праймази,ДНК-связивающего білка,лигази тощо.). У цьому треба сказати, що молекули вірусних ДНК довші молекул вірусних РНК, які послужили матрицею для зворотної транскрипції. Справді, до5'-концу (+) ланцюга вірусної ДНК додалася послідовністьU3, а до 3 -кінця цієї ланцюга — послідовністьU5. У результаті кінцях молекули вірус специфічної ДНК з'явився довгий (кілька сотень нуклеотидів) кінцевий повтор (>ДКП чиLTR.), має структуруU3U5.


Рис.2. Схема зворотної транскрипціїретровирусной РНК із заснуваннямдвуцепочечной ДНК (>DarnellJ.,et.al.MolecularCellBiology. – N. Y.: ScientificAmer. Books, 1986. –P. 1052)

Синтез ДНК наРНК-матрице in vitro іревертаза використовують у генетичної інженерії для синтезу генів та його фрагментів, і навіть цілеспрямованого синтезу на матричних РНКкомплементарних молекул ДНК (>кДНК) для розшифровки первинної структури РНК і білків.


>Рис. 3. Схема отриманнякДНК з допомогоюревертази вірусу й трьох додаткових ферментів: поли (>А)-полимерази, фрагментаКленоваДНК-полимерази I інуклеазиS1. (>Цитировано по)

Реакцію зворотної транскрипції проводять у спеціально підібраних умовах з допомогою сильних інгібіторівРНКазной активності. У цьому вдається отримувати повнорозмірніДНК-копии цільових молекул РНК. Якпраймера при зворотної транскрипції поли (А) - містятьмРНК використовуютьолигo (>dT)-праймер, а молекул РНК, які маютьЗ'-поли (А) кінців, — хімічно синтезовані олігонуклеотиди,комплементарниеЗ'-концу досліджуваної РНК. Після синтезу намРНК комплементарної ланцюга ДНК і руйнувань РНК (зазвичай застосовують обробку лугом) здійснюють синтез другий ланцюга ДНК. У цьому використовують здатністьревертази утворювати на3'-концаходноцепочечнихкДНКсамокомплементарние шпильки, що потенційно можуть виконувати функціїпраймера. Матрицею служить перша ланцюгкДНК. Ця реакція можекатализироваться якревертазой, іДНК-полимеразой I E.coli. Показано, що поєднання цих двох ферментів дозволяє підвищити вихід повноціннихдвухцепочечних молекулкДНК. Після закінчення синтезу перша й інша ланцюгакДНК залишаютьсяковалентно пов'язаними петлею шпильки, служилипраймером при синтезі другий ланцюга. Цю петлю розщеплюютьендонуклеазойS1, специфічно руйнуєодноцепочечние ділянки нуклеїнових кислот.Образующиеся у своїй кінці який завжди виявляються тупими, й у підвищення ефективності наступного клонування їхрепарируют до тупих з допомогою фрагментаКленоваДНК-полимерази I E.сoli (залишається частина молекули, яка притаманні їй каталітичні активності).

Вже за одне це відкриття формально поставило РНК до центру основного постулату молекулярної генетики, оскільки показало, що потік генетичної інформації поширюється від РНК над одному, а двох напрямах: як до білка, до ДНК. Дедалі більше глибоке насичення механізми основних молекулярно-генетичних процесів (>репликацию, транскрипцію і трансляцію) сприяло виникненню поняття про неканонічних функціях РНК, усвідомленняполифункциональностирибонуклеинових кислот.

>I.2Функциональние можливості РНК

Щоб оцінити значення РНК у природі загалом, варто спробувати з відповіддю: що може РНК?

До досить давно певним канонічним функцій РНК ставляться: здатність виконувати рольмессенджера під час передачі спадкової інформації про структуру білка від ДНК добелоксинтезирующему апарату клітин (>мРНК), брати участь у формуванні структури рибосом (>рРНК), забезпечувати специфічнеакцептирование і перенесення

Страница 1 из 4 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація