Гипотеза мира РНК (стр. 1 из 7)

Содержание

Введение

I. Современные представления, характеризующие концепцию «Мир РНК»

I.1 Обратная транскрипция

I.1.1 Репликация теломерных участков эукариотических хромосом

I.1.2 Механизм обратной транскрипции

I.2 Функциональные возможности РНК

I.3 тмРНК

I.4 Интерференция РНК

I.5 Структура РНК-содержащих стрессовых гранул

I.6 Появление концепции «Мира РНК»

I.6.1 Рибозимы

I.6.2 Возникновение древнего мира РНК

Заключение

Список литературы

Введение

Почти полвека тому назад, в 1953 г., Д. Уотсон и Ф. Крик открыли принцип структурной (молекулярной) организации генного вещества - дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Структура ДНК дала ключ к механизму точного воспроизведения - редупликации генного вещества. Возникла новая наука - молекулярная биология. Была сформулирована так называемая центральная догма молекулярной биологии: ДНК → РНК → белок. Смысл ее состоит в том, что генетическая информация, записанная в ДНК, реализуется в виде белков, но не непосредственно, а через родственного полимера - рибонуклеиновую кислоту (РНК), и этот путь от нуклеиновых кислот к белкам необратим. Таким образом, ДНК синтезируется на ДНК, обеспечивая собственную редупликацию, то есть воспроизведение исходного генетического материала в поколениях; РНК синтезируется на ДНК, в результате чего происходит переписывание, или транскрипция, генетической информации в форму многочисленных копий РНК; молекулы РНК служат матрицами для синтеза белков - генетическая информация транслируется в форму полипептидных цепей. При этом возникает отчетливое впечатление о значительно более разнообразных функциональных возможностях рибонуклеиновых кислот по сравнению с ДНК, существование которой связано исключительно с необходимостью сохранения и передачи из поколения в поколение наследственных признаков.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК), присутствующие в клетках как про-, так и эукариот, бывают трех основных типов: информационная (матричная, мРНК), транспортная (тРНК) и рибосомная (рРНК). В ядре клеток эукариот содержится РНК четвертого типа - гетерогенная ядерная РНК (гяРНК). У некоторых вирусов РНК служит носителем генетической информации.

I. Современные представления, характеризующие концепцию «Мир РНК»

I.1 Обратная транскрипция

Современные знания о структурном и функциональном разнообразии РНК уже не укладываются в те канонические представления об их роли в реализации генетической информации, которые возникли в самом начале развития молекулярной биологии. Представление о том, что РНК служит только инструментом трансформации генетической программы (генотипа), заложенной в структуре ДНК, в конкретный фенотип, формируемый разнообразием белков, было в значительной мере разрушено после открытия обратной транскрипции. Оказалось, что РНК может служить матрицей не только для воспроизведения своей собственной структуры в РНК-содержащих вирусных геномах, но и для биосинтеза ДНК у высших организмов. Этот процесс также используют в ходе своего развития многие вирусы, в том числе печально известные онкогенные вирусы и ВИЧ-1, вызывающий СПИД. РНК выполняет роль матричной молекулы в процессах обратной транскрипции (биосинтезе ДНК на матрице РНК) и своей собственной репликации у РНК-содержащих вирусов и фагов. В процессе обратной транскрипции роль затравки, необходимой для синтеза комплементарной цепи ДНК, выполняет тРНК. Матричные свойства РНК реализуются в процессе наращивания теломерных повторов в молекулах ДНК: РНК-матрица является важнейшим компонентом теломераз — ферментов, осуществляющих синтез теломерных участков ДНК в хромосомах.

I.1.1 Репликация теломерных участков эукариотических хромосом

На концах хромосом эукариот находятся специализированные повторяющиеся последовательности ДНК, получившие название теломерной ДНК, а содержащие ее концы хромосом — теломероми. В клетках животных количество хромосом, а следовательно, и теломерных участков невелико — они составляют лишь небольшую часть от всех остальных последовательностей.

Использование в качестве объекта исследования теломерной ДНК ресничной инфузории Tetrahymenathermophila, в клетках которой находятся десятки тысяч мелких хромосом, а следовательно, и множество теломер, показало, что теломеры построены из коротких (содержат по 6 — 8 нуклеотидных остатков) многократно повторяющихся последовательностей (блоков). При этом одна цепь ДНК обогащена остатками гуаниловой кислоты (G-богатая цепь, у тетрахимены — это блок ТТGGGG), а комплементарная ее цепь обогащена остатками цитидиловой кислоты (С-богатая цепь). Теломерная ДНК человека построена из ТТАGGG-блоков, т.е. отличается от простейших всего лишь одним нуклеотидом в повторе. Из ТТАGGG-блоков построены теломерные ДНК (их богатые С-цепи) всех млекопитающих, рептилий, амфибий, птиц и рыб. Универсален и теломерный повтор (ТТТАGGG) у всех растений.

Теломеры играют важную роль в создании специфической архитектуры и внутренней упорядоченности клеточного ядра. Они предотвращают деградацию и слияние хромосом, а также ответственны за их прикрепление к специальной внутриклеточной структуре (своеобразному скелету клеточного ядра).

Механизмы репликации теломерных участков эукариотических хромосом и центральных областей ДНК принципиально различаются. Все известные ДНК-полимеразы, являющиеся ферментами сложного репликативного комплекса эукариот, неспособны полностью реплицировать концы линейных молекул ДНК. Известно, что ДНК-полимеразы, синтезируя дочернюю нить ДНК, прочитывают родительскую нить в направлении от ее З'-конца к 5'-концу. Соответственно дочерняя цепь синтезируется в направлении 5'→3'. Кроме того, ДНК-полимераза начинает синтез только со специального РНК-праймера, комплементарного ДНК. После окончания синтеза ДНК РНК-праймеры удаляются, а пропуски в одной из дочерних цепей ДНК (отстающей) заполняются ДНК-полимеразой β. Однако на З'-концевых участках ДНК такой пропуск заполнен быть не может, и поэтому они остаются однотяжевыми, а их 5'-концевые участки — недореплицированными. Следовательно, при каждом раунде репликации хромосомы будут укорачиваться на 10 — 20 нуклеотидов (у разных видов размер РНК-затравок различен), и в первую очередь сокращать длину теломерной ДНК. Возникла проблема «концевой недорепликации ДНК». В случае репликации кольцевых бактериальных ДНК этой проблемы не существует, так как первые по времени образования РНК-праймеры удаляются ферментом, который одновременно заполняет образующуюся брешь путем наращивания З'-ОН-конца растущей цепи ДНК, направленной в «хвост» удаляемому праймеру. Проблема недорепликации З'-концов линейных молекул решается эукариотическими клетками с помощью специального фермента — теломеразы. Этот фермент был обнаружен впервые в 1985 г. у инфузории Tetrahymenathermophila, а впоследствии — в дрожжах, растениях и у животных, в том числе в яичниках человека и бессмертных линиях раковых клеток НеLа.

Теломераза является ДНК-полимеразой, достраивающей 3'-концы линейных молекул ДНК хромосом короткими (6 — 8 нуклеотидов) повторяющимися последовательностями (у позвоночных ТТАGGG). Согласно номенклатуре, этот фермент называют ДНК-нуклеотидилэкзотрансферазой, или теломерной терминальной трансферазой (мол. масса 103—133 кДа). Помимо белковой части теломераза содержит РНК, выполняющую роль матрицы для наращивания ДНК повторами.

Длина теломерной РНК колеблется от 150 нуклеотидов — у простейших до 1400 нуклеотидов — у дрожжей, у человека — 450 нуклеотидов. Наличие в молекуле теломеразы РНК-последовательности, по которой идет матричный синтез фрагмента ДНК, позволяет отнести теломеразу к своеобразной обратной транскриптазе, т.е. ферменту, способному вести синтез ДНК по матрице РНК. Основное назначение теломеразы — синтезировать тандемно повторяющиеся блоки ДНК, из которых состоит G-цепь теломерной ДНК. Матричный участок представлен в теломеразной РНК только один раз. Его длина не превышает длину двух повторов в теломерной ДНК.

Механизм синтеза теломерных повторов, катализируемый теломеразой:

На первой стадии (связывание теломеры) происходит комплементарное взаимодействие части матричного участка теломеразной РНК с 3'-концевым выступающим одноцепочечным сегментом ДНК хромосом. При этом З'-концевой фрагмент ДНК служит затравкой для удлинения этой ДНК на РНК-матрице. На стадии элонгации выступающая цепь ДНК удлиняется до конца матрицы. Эта реакция осуществляется РНК-зависимой ДНК-полимеразной активностью теломеразы.

После удлинения выступающей цепи ДНК до конца матрицы происходит транслокация, т.е. перемещение матрицы и белковых субъединиц фермента на заново синтезированный конец теломеразной ДНК, и весь цикл повторяется вновь. После завершения удлинения одноцепочечной З'-концевой теломерной последовательности вторая цепь ДНК (С-цепь) достраивается с помощью обычной ДНК-полимеразы. Таким образом происходит решение проблемы концевой репликации ДНК у эукариот.

Рис. 1. Репликация теломерных участков эукариотических хромосом (Цитировано по [1]):

А — возникновение недореплицирования 5'-конца линейной хромосомы и синтез на этом концевом участке теломерной ДНК с помощью теломеразы;

Б — основные этапы синтеза теломерного повтора теломеразой

I.1.2 Механизм обратной транскрипции

На обратной транскрипции основано размножение ретровирусов (вирусы, у которых геномом служит не ДНК, как обычно, а РНК) и ретротранспозонов (являются транспозиционными элементами, которые не имеют вирионных частиц, и, следовательно, в отличие от ретровирусов, не могут независимо «переносить себя» между клетками), образование так называемых ретропсевдогенов (или процессированные псевдогены это ретропоследовательности, которые потеряли свою функцию, они несут все признаки функциональных ретропоследовательностей, но имеют молекулярные дефекты, которые не дают им экспрессироваться)и достройка кончиков хромосом (теломер), укорачивающихся при каждом клеточном делении.Если молекула ДНК повреждена — например, подверглась разрыву (double-strand break, DSB) — для ее починки необходима матрица, в которой последовательность нуклеотидов соответствует исходному, «правильному» состоянию поврежденного участка. Ранее считалось, что в качестве таких матриц всегда используются другие молекулы ДНК. Позже было установлено, что иногда эти ДНК-матрицы синтезируются путем обратной транскрипции на основе РНК при участии ретротранспозонов.