Еукариотна генна транскрипция: преминаване от ДНК в иРНК

Гените се съхраняват дълбоко в клетката, в заключена стая, наречена ядро. Рибозомите – машините за производство на протеини – се намират извън ядрото, плувайки в супа от химикали, наречена цитозол. Това пространствено разделение създава логистични затруднения за клетката. Рибозомите се нуждаят от инструкциите в съответните гени, за да синтезират съответстващите протеини, но гените са заключени в ядрото. Как инструкциите в един ген излизат от ядрото и отиват в рибозомата?

Решението е просто (ако игнорираш детайлите). Инструкциите в гена (записани на езика на ДНК нуклеотидите) биват транскрибирани в преносим ген, наречен иРНК транскрипт. Тези иРНК транскрипти излизат от ядрото и пътуват до рибозомите, където доставят инструкциите за съставяне на протеин. Създаването на иРНК транскрипти (създаването на тези преносими гени) се нарича транскрипция на гени. Нека научим за нея.

Представи си, че притежаваш италиански ресторант. Съхраняваш всички рецепти, които готвачите ти използват, в голяма книга и всяка нощ, когато кухнята затвори, съхраняваш книгата в офиса си за безопасност. Сега си представи, че един съботен следобед вратата към офиса ти се развали и ти и книгата ти с рецепти бъдете заключени вътре. Ресторантът отваря след няколко часа. Опитваш да се обадиш на всеки ключар в града, но никой не работи през уикенда. Как ще предадеш рецептите от заключения си офис на готвачите отвън, така че да могат да направят ястията, които клиентите поръчват?

Измисляш следната система. Когато един клиент даде поръчка за определено ястие, караш сервитьора да дойде да почука на вратата ти и да ти каже. Обръщаш се и намираш нужната рецепта в книгата и после я записваш на бележка. Понеже пространството е тясно и времето е важно, използваш съкращения, но се уверяваш, че включваш всички необходими елементи на рецептата. После поставяш бележката в затворена пластмасова торбичка (за да я защитиш от увреждане в кухнята) и я плъзгаш през процепа под вратата. Сервитьорът отнася бележката до готвача, който чака в кухнята, и готвачът има информацията, от която има нужда, за да направи ястието на клиента. Проблемът е решен. (Ако игнорираме факта, че стоиш в заключения си офис!)

В клетките транскрипцията е процес, който наподобява копирането на рецепта върху бележка и плъзгането ѝ под вратата на офиса. Бележката с написаната върху нея рецепта е аналогична на информационен РНК транскрипт (накратко, иРНК транскрипт). иРНК транскриптът представлява единична верига РНК, която съдържа информацията, съдържаща се в един ген. Мисли за иРНК транскрипта като за преносим ген: по-малък и по-подвижен от ДНК последователността, от която е изграден, но съдържащ същата информация.

Когато учим за нещо ново, е добре да опиташ да го съпоставиш с нещо, което вече разбираш. В случая с иРНК транскриптите нещото, което вече разбираш, е единична верига ДНК (като приемем, че прочете статията ни за структурата и функцията на ДНК).

Ако си представиш картинка на такава ДНК верига в ума си, можеш да я превърнеш в иРНК транскрипт, като направиш две промени.

Хидроксилираната дезоксирибоза се нарича рибоза. Деметилираният тимин се нарича урацил. Единична верига РНК е точно като единична верига ДНК, що се отнася до компонентите, от които е изградена, освен че има рибоза на мястото на дезоксирибозата и урацил на мястото на тимина.

Струва си да отбележим, че клетките не изграждат иРНК транскрипти, като първо синтезират единична верига ДНК и после я променят по начина, който тъкмо описахме. Вместо това използват предварително наличен запас от рибоза и урацил, заедно с останалите нуклеотиди, и синтезират иРНК от нулата. Тук просто ти предлагаме един добър начин да разбереш химичната структура на иРНК, като започнеш с ДНК верига и направиш двете описани промени.

Още една възможност да съпоставиш разликите между ДНК и РНК е следната диаграма.

иРНК транскриптът се произвежда от ензим, наречен РНК полимераза II. Както подсказва името, функцията на РНК полимераза II e много подобна на тази на ДНК полимеразата. Единствената съществена разлика са използваните градивни блокове.

ДНК полимеразата използва единична верига ДНК като матрица и синтезира верига ДНК. Всеки нуклеотид в синтезираната ДНК верига е комплементарен на нуклеотида в матричната верига. РНК полимераза II също използва верига ДНК като матрица. Но вместо въз основа на тази матрица да изгради комплементарна верига ДНК, тя изгражда комплементарна верига РНК – иРНК транскриптът.

След като РНК полимеразата приключи, иРНК транскриптът трябва да бъде обработен, преди да може да излезе от ядрото и да отиде в рибозомата. Обработването има две фази: защита и сплайсинг.

По време на тази фаза се добавят нуклеотидни последователности към всеки край на иРНК транскрипта, за да го защитят от евентуално разрушаване извън ядрото. 5' краят на един Г нуклеотид (Гуанин) се прикрепва към 5' края на транскрипта. Това се нарича 5' шапка. При 3' края на транскрипта се прикрепя дълга последователност от нуклеотиди Аденин. Това се нарича поли-А опашка. 5' шапката и поли-А опашката защитават иРНК транскрипта от атаката на ензими в цитоплазмата, наречени екзонуклеази, които са специфично насочени към РНК молекули с оголени 5' краища.

Представи си тази фаза на защитна обработка в светлината на аналогията с ресторанта. Знаеш, че трябва да защитиш бележката с рецептата от увреждане, което може да претърпи в кухнята, така че слагаш бележката в пластмасова торбичка, за да я защитиш от вода, олио или други подправки, които могат да изтрият част от мастилото, с което е записано съобщението. 5' шапката и поли-А опашката имат същата защитна цел.

Другата фаза на обработването на иРНК се нарича сплайсинг. Целта на сплайсинга е да премахне интроните от иРНК транскрипта. Интроните са последователности РНК, които не съдържат никаква информация за това как да бъде построен един протеин.

Интроните се изрязват от иРНК транскрипта от комплекс ензими, наречен сплайсеозома. Една сплайсеозома намира интроните, изрязва ги и после съединява останалите части от иРНК транскрипта. Частите на иРНК транскрипа, които не са изрязани от сплайсеозомата, се наричат екзони. За разлика от интроните, екзоните са частта от иРНК транскрипт, които съдържат инструкции за изграждане на протеин. Често наричат иРНК транскрипта, който все още съдържа интрони, пре-иРНК, а свободния от интрони транскрипт, който сплайсеозомата произвежда, първична иРНК (също наричана "зряла иРНК" от някои автори).

Представи си изрязването на интроните в светлината на аналогията с ресторанта ни. Рецептите в голямата книга може да съдържат допълнителна информация, например откъде идва рецептата, нейната история в семейството ти или с какви други ястия или напитки може да бъде съчетана. За момента този вид информация не е важен за основната цел. Така че я изпускаш, когато правиш бележката, и вкарваш само необходимата информация за приготвянето на ястието. В случая с транскрипцията необходимата информация се съдържа в екзоните и всичко останало – интроните – може да бъде изпуснато. Резултатът е по-малка и по-подвижна версия на иРНК транскрипта.

След като иРНК бъде защитена и премине сплайсинг, тя е готова да напусне ядрото и да започне втората фаза на протеиновия синтез, наречена транслация.

В нашия пример ни с ресторанта си представи какво ще се случи, ако бележката, която плъзна през вратата, не достигне до кухнята. Ястието няма да бъде направено, понеже готвачът няма да има рецептата, нали така?

В последните години обещаващ клас медицински терапии използват версия на тази идея, за да развият нови терапии за различни мъчителни заболявания. Обединени под името РНК интерференция, тези терапии се базират на нарушеното производство на вредни протеини, като прихващат и блокират иРНК транскриптите, преди те да стигнат до рибозомите. Това предотвратява изграждането на съответните протеини!

Наскоро предложено лечение за Ебола представлява вероятно най-удивителното приложение на техниките за РНК интерференция.

Ебола, като повечето вируси, по същество е машина за транскрипция. Тя съдържа вирусен геном – много малка и проста хромозома – заедно с полимеразен ензим. След като вирусът попадне в една от клетките ти, полимеразният ензим синтезира иРНК транскрипти за всеки от гените в генома му. Той после командва собствените ти рибозоми и ги използва, за да изгради собствените си протеини. След като тези протеини за ебола вируса бъдат произведени, се изграждат нови ебола вируси.

Очевидно начин за преборване с вируса на ебола е да спрем целия този процес на репликация, преди той да започне.

Спомощта на клас специално проектирани молекули, наречени къси интерфериращи РНК (киРНК накратко), учените са показали, че вирусните иРНК-и, синтезирани от ебола вируса в инфектираните клетки, могат да бъдат уловени и разрушени преди да успеят да доставят генетичните си съобщения към рибозомите на клетката на гостоприемника. Няма иРНК на ебола, няма протеини на ебола. Няма протеини на ебола – еболата губи способността си да се репликира в клетките на гостоприемника!

Както с всички други нови терапии, киРНК-базираните лечения за ебола първоначално били порверени в животински модели. Но при последната епидемия на вируса в Западна Африка и последстващото му разпространение в Северна Америка, властите в Администрацията по храните и лекарствата на САЩ правят радикална стъпка да дадат изключение за киРНК-базирана терапия на ебола, наречена ТКМ-ебола. Макар подробностите да са неизвестни, знаем, че ТКМ-ебола е била назначена на няколко различни пациенти и може да е изиграла роля в последстващото им възстановяване.