Молекулярная организация и функционирование биосистем

Сплайсинг представляет собой вырезание интронов и соединение экзонов. Экзоны могут соединяться по-разному, таким образом, из одного транскрипта могут образовываться разные иРНК. В сплайсинге информационной РНК участвуют малые ядерные РНК, которые имеют участки, комплементарные концам интронов и связываются с ними. Кроме мяРНК в сплайсинге участвуют различные белки. Все вместе (белки и мяРНК) формируют нуклеопротеидный комплекс – сплайсосому. После процессинга иРНК становится короче своего предшественника иногда в десятки раз.

В ходе созревания пре-мРНК в ядре сшиваться могут не все экзоны, и в разных условиях разные экзоны отбрасываются вместе с интронами. В результате этой сшивки получаются разные варианты, или изоформы мРНК, кодирующие разные белки, а весь процесс носит название альтернативного сплайсинга. Таким образом, из одного гена может быть в конечном итоге получено несколько разных белков.

Альтернативный сплайсинг – один из основных механизмов порождения разнообразия белков у многоклеточных эукариот. Доля альтернативно сплайсируемых генов человека составляет, по различным оценкам, от 35 до 50%. Известно много примеров функциональной значимости альтернативного сплайсинга, его роли в возникновении генетических заболеваний, корреляции АС с белковой структурой, существования изоформ, специфичных для тех или иных геномов. 

Практически во всех живых клетках эукариотических организмов в ядре видно одно или несколько обычно округлой формы тельц, сильно преломляющих свет, – это ядрышки, или нуклеолы. Ядрышко – не самостоятельная структура или органоид, а производное хромосомы, один из ее локусов, активно функционирующий в интерфазе.

При изучении большого числа различных клеток животных и растений отмечена волокнистая или сетчатая структура ядрышек, заключенная в более или менее плотную диффузную массу. Были предложены названия для этих частей: волокнистая часть – нуклеонема и диффузная, гомогенная часть - аморфное вещество, или аморфная часть. Электронно-микроскопические исследования также выявили волокнисто-нитчатое строение ядрышек. Однако такое нитчатое строение ядрышка не всегда четко выражено. У некоторых клеток отдельные нити нуклеонем сливаются, и ядрышки могут быть совершенно однородными.

При более пристальном изучении ядрышка было замечено, что основные структурные компоненты ядрышка - плотные гранулы диаметром около 15 нм и тонкие фибриллы толщиной 4-8 нм. Во многих случаях (ооциты рыб и амфибий, меристематические клетки растений) фибриллярный компонент собран в плотную центральную зону (сердцевина), лишенную гранул, а гранулы занимают переферическую зону ядрышка. В ряде случаев (например, клетки корешков растений) в этой гранулярной зоне не наблюдается никакой дополнительной структуризации.

Было найдено, что аморфные участки ядрышек неоднородны. В их структуре выявляются малоокрашенные зоны – фибриллярные центры – и окружающие их более темные участки, тоже имеющие фибриллярное строение. Кроме этих двух компонентов ядрышек в последнее время большое внимание уделялось строению околоядрышкового хроматина. Этот хроматин и внутриядрышковая сеть ДНК являются единой системой и представляют собой интегральный компонент ядрышка. Гранулы и фибриллярная часть состоят из рибонуклеопротеидов. Именно светлые фибриллярные центры содержат рДНК.

Синтез белка происходит на рибонуклеопротеиновом комплексе – рибосоме, в процессе трансляции mRNA. Рибосома состоит из большой и малой субъединиц, которые соединены в области инициации трансляции mRNA во время стадии инициации трансляции. Во время элонгации рибосома скользит вдоль mRNA и синтезирует полипептидную цепь. Элонгация продолжается до тех пор, пока рибосома не достигает стоп-кодона на mRNA – терминация трансляции. После терминации рибосома отделяется от синтезированного полипептида и способна снова повторить цикл трансляции mRNA. Каждая стадия трансляции имеет свои регуляторные факторы, но у эукариот этих факторов гораздо больше, чем у прокариот.

Рибосомы прокариот инициируют трансляцию на мРНК уже во время транскрипции. Время необходимое для посадки рибосом порядка секунды, хотя это зависит от каждой мРНК. Рибосомы транслируют мРНК со скоростью приблизительно 12 аминокислот в секунду.

В инициации трансляции участвуют: рибосома, аминоацилированная и формилированная тРНК (fMet-tRNAfMet), мРНК и три белковых инициирующих фактора IF1, IF2 и IF3.

Бактериальная 70S рибосома состоит из большой 50S и малой 30S субъединицы. Имеется три tRNA связывающих сайта аминоацил – aminoacyl (A), пептидил – peptidyl (P), и сайт выхода – exit (E). Присоединение фактора IF3 к 30S рибосомной субъединице обеспечивает распад рибосомы на субъединицы. Фактор инициации IF1 связывается с A-сайтом 30S рибосомной субъединицы и служит инициатором присоединения tRNA к рибосомному P-сайту блокируя A-сайт. IF1 стимулирует активность IF3 и также распад рибосомных субъединиц. После распада субъединиц, IF2, mRNA и fMet-tRNAfMet соединяются с 30S рибосомной субъединицей. Последовательность Шайно-Дальгарно (Shine-Dalgamo -SD) mRNA взаимодействует с anti-SD последовательностью 16S rRNA и инициирующий кодон присоединяется в Р-сайте рибосомы. Инициирующие факторы, особенно IF3, способствуют этому присоединению. Инициаторная tRNA устанавливается в P-сайте 30S рибосомной субъединицы в три шага не зависимо от кодона, зависимо от кодона и fMet-tRNAfMet присоединение. Все три шага обеспечиваются фактором IF2, который взаимодействует с fMet-tRNAfMet на рибосоме. IF3 стабилизирует присоединение fMet-tRNAfMet к рибосомному P-сайту и стабилизирует кодон-антикодон взаимодействие.