Форма и содержание

Задача

РНК можно представить в виде одинарной нитки бус, в которой в качестве бусинок выступают нуклеотиды. Однако эту простую структуру одинарной нити сохраняет только один вид РНК — матричная, а всевозможные некодирующие РНК обладают самыми причудливыми формами. Например, транспортная РНК имеет сложную трехмерную структуру, которая, если развернуть ее в плоскость, напоминает трилистник; некоторые малые ядрышковые РНК можно сравнить по форме с пластмассовой палочкой с колечками, с помощью которой выдувают мыльные пузыри; а трехмерная конформация некоторых крупных некодирующих РНК, например знаменитой Xist, которая отвечает за инактивацию второй Х-хромосомы у самок млекопитающих, настолько сложна, что кратко описать ее словами просто невозможно.

Каким же образом молекулам РНК удается приобрести столь сложную форму? И зачем эта сложная форма может быть нужна?


Подсказка

Белок вначале, сразу после синтеза, тоже представляет собой одинарную нить, зато потом сам или с помощью вспомогательных белков шаперонов приобретает сложную трехмерную форму.


Решение

Рис. 1. Структура РНК-шпильки

Рис. 1. Структура РНК-шпильки. Изображение с сайта en.wikipedia.org

Нить РНК состоит из четырех нуклеотидов — аденина, урацила, гуанина и цитозина. Аденин комплементарен урацилу, а гуанин — цитозину, то есть, встречаясь друг с другом, эти нуклеотиды друг с другом сцепляются (гибридизуются) с помощью водородных связей. Собственно, это сцепление комплементарных пар и есть способ, с помощью которого нити РНК приобретают столь сложную форму: длинные комплементарные участки соединяются друг с другом наподобие двух половинок молнии, а некомплементарные области между этими участками приобретают форму кольца — такие структуры называются «шпильками» (рис. 1). При этом сцепившиеся комплементарные участки сворачиваются в двойную спираль (так же, как две нити ДНК), и эти спирали тоже могут взаимодействовать между собой, в результате чего молекула РНК приобретает еще более сложную трехмерную конформацию.

Рис. 2. Развернутая в плоскость структура тРНК напоминает трилистник

Рис. 2. Развернутая в плоскость структура тРНК напоминает трилистник. Красным цветом показаны самые важные участки — антикодон (внизу), который связывается с комплементарным кодоном на мРНК, и ССА-хвост (сверху), к которому пришивается соответствующая аминокислота. Синим цветом показаны модифицированные нуклеотиды, отличающиеся от классических аденина, урацила, тимина и цитозина. Изображение с сайта en.wikipedia.org

Вышеописанные конформационные пертурбации хорошо видны на примере одной из самых известных РНК — транспортной. Эта сложно свернутая РНК, если ее развернуть в плоскость, имеет, как уже говорилось, форму трилистника: комплементарные друг другу области этой РНК образуют его «стебли», а некомплементарные — «листья» (рис. 2). Комплементарные области образуют двойные спирали; двойные спирали взаимодействуют друг с другом; в результате объемная структура тРНК напоминает букву Г (рис. 3). Такая Г-образная структура тРНК идеально подогнана под других участников процесса трансляции: когда антикодон на тРНК сцепляется с кодоном на мРНК, аминокислота, присоединенная к ССА-хвосту, расположена именно так, чтобы быть пришитой к растущей белковой цепочке.

Рис. 3. Плоский трилистник, сворачиваясь, приобретает Г-образную форму

Рис. 3. Плоский трилистник, сворачиваясь, приобретает Г-образную форму. Одинаковые области на плоской и объемной структурах показаны одинаковым цветом. Изображение с сайта en.wikipedia.org

Другие РНК сворачиваются по тому же принципу и могут образовывать гораздо более сложные структуры, чем транспортная (рис. 4).

Рис. 4. Плоская и объемная структуры 16S-рибосомной РНК бактерии Thermus thermophilus

Рис. 4. Плоская и объемная структуры 16S-рибосомной РНК бактерии Thermus thermophilus. Одинаковые области показаны одинаковым цветом. Изображение из статьи Marat M. Yusupov et al., 2001. Crystal Structure of the Ribosome at 5.5 Resolution

В общем, сворачивание РНК сродни сворачиванию белков. Но взаимодействие между нуклеотидами куда проще взаимодействий между аминокислотами. Нуклеотиды сцепляются водородными связями в случае своей комплементарности — и только; аминокислоты притягиваются и отталкиваются из-за гидрофобных и электрических взаимодействий, тоже могут образовывать водородные связи, а, например, два цистеина вообще накрепко сцепляются дисульфидными мостиками. Поэтому и моделировать трехмерную структуру РНК относительно проще, чем делать то же самое для белков. При этом понятно, что чем длиннее на данной РНК комплементарные участки, тем прочнее будет образуемая ими структура; наоборот, коротенькие участки будут хлипко связанными и нестабильными. Стабильность структуры РНК прямо связана с ее функцией: например, рибосомные или транспортные РНК просто обязаны быть стабильными, потому что если они будут «расползаться», то нарушится весь процесс синтеза белка, во многом связанный с их четкой структурой.

Для вычисления конформаций, которые примут РНК, по их первичной последовательности существует множество программ (см. List of RNA structure prediction software).

Хорошо, скажет внимательный читатель, но как же тогда быть с мРНК? Такая длинная нуклеотидная нить просто по теории вероятностей должна нести какие-то, пусть даже коротенькие, комплементарные последовательности. А если так — на ней будут образовываться шпильки. И значит, протянуть ее сквозь рибосому не удастся и никакой трансляции не выйдет.

Ответ на этот вопрос прост: на мРНК и правда постоянно образуются шпильки. Некоторые из этих шпилек безобидны: поскольку рибосома обладает хеликазной (то есть расплетающей двойную спираль) активностью, то она просто распутывает их и всё; транслировавшись и выйдя из рибосомы, шпилька спокойно может образоваться снова — до следующей рибосомы.

Но иногда шпилька на мРНК — это не случайная и легко устранимая помеха трансляции, а нечто гораздо более интересное и важное. Приведу только один пример: изящнейший механизм регуляции транскрипции с помощью мРНК-шпилек. Называется этот механизм «аттенуация триптофанового оперона» (рис. 5).

У прокариот нет ядра, и процессы транскрипции и трансляции происходят в одном месте и одновременно: мРНК, которая еще сама не успела досинтезироваться, уже становится матрицей для транслируемого белка.

А у многих бактерий есть группа генов, которая называется «триптофановый оперон» (см. также Trp operon). Эти гены необходимы для того, чтобы синтезировать аминокислоту триптофан; экспрессироваться они должны только тогда, когда в окружающей среде триптофана нет. Поэтому у бактерий есть специальный «выключатель», который останавливает экспрессию оперона при наличии триптофана в окружающей среде. И работает этот выключатель так.

Рис. 5. Схема аттенуации триптофанового оперона

Рис. 5. Схема аттенуации триптофанового оперона. Изображение с сайта en.wikipedia.org

В начале транскрибируемых генов триптофанового оперона находится примерно 130-нуклеотидная последовательность под названием «ведущий транскрипт» (Leader transcript, или TrpL), состоящая из четырех участков: участок 1 частично комплементарен участку 2, участок 2 — участку 3, а участок 3 — участку 4. То есть участки 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4 могут образовывать шпильки, причем шпилька 1-2 предотвращает образование шпильки 2-3, а шпилька 2-3 — шпильки 3-4. Формирование же шпильки 3-4 останавливает транскрипцию из-за отделения РНК-полимеразы от ДНК.

Один из участков ведущего транcкрипта кодирует короткий 14-аминокислотный пептид под названием «ведущий пептид». В этом пептиде подряд находятся два триптофана, что очень необычно, потому что триптофан — редкая аминокислота и, например, в клетках кишечной палочки составляет обычно всего лишь одну сотую от всех аминокислот белков. Если уровень триптофана в клетке мал, то трансляция будет приостанавливаться на каждом из триптофановых остатков. мРНК застрянет в рибосоме; рибосома закроет участок 1 ведущей последовательности, не позволив ему сформировать шпильку 1-2; из-за этого образуется шпилька 2-3 и, соответственно, не сможет образоваться шпилька 3-4. Транскрипция спокойно продолжится, мРНК для триптофанового оперона досинтезируется до конца и даст начало белкам, необходимым для синтеза триптофана.

Если же триптофана в клетке достаточно, то трансляция ведущего пептида будет проходить без проблем, рибосома не закроет участок 1 и остановится только при терминации трансляции на стоп-кодоне ведущего пептида. В этом случае рибосома сдвинется и прикроет сразу участки 1 и 2; в результате участки 3 и 4 будут предоставлены сами себе и немедленно гибридизуются. Это остановит транскрипцию, и синтез триптофана в клетке не начнется. Таким образом, если триптофана нет, то в клетке синтезируется весь триптофановый оперон; в присутствии же триптофана синтезируется только ведущий пептид, а синтез оперона не происходит.

Все хитроумные вышеописанные механизмы смогут работать только в том случае, если трансляция происходит тогда, когда транскрипция еще не закончена. Поэтому на ведущей последовательности есть участок-пауза, на котором транскрипция на некоторое время приостанавливается. За это время успевает начаться трансляция — а значит, включается механизм аттенуации.


Послесловие

РНК — это целый мир, как в прямом (см. гипотеза мира РНК, так и в переносном смысле. Говорить о них можно бесконечно. Поэтому в послесловии я только кратко упомяну о том, что:

  • Существует явление РНК-интерференции — регуляция экспрессии генов с помощью специальных коротких РНК — прежде всего, микроРНК и малых интерферирующих РНК. Эти РНК присоединяются к комплементарным участкам мРНК тех или иных генов, что вызывает деградацию этих мРНК — а значит, и выключение гена. Поскольку РНК-интерференция позволяет выключать практически любой ген, принцип ее работы широко используется во множестве биологических исследований.
  • Несколько типов РНК «возятся» с другими РНК и ДНК: обеспечивают созревание различных типов РНК (малые ядерные РНК), участвуют в синтезе теломер (теломеразный РНК-компонент), играют определенную роль в репликации ДНК (RNase MRP).
  • РНК могут быть паразитами, как, например, знаменитые ретротранспозоны (см. также Retrotransposon) или просто РНК, принадлежащие РНК-содержащим вирусам.
  • Наконец, РНК бурно и плодотворно изучаются в последнее время и каждый год приносит что-то новое и интересное.


2
Показать комментарии (2)
Свернуть комментарии (2)

  • samara  | 24.07.2013 | 23:35 Ответить
    может это это я один такой туподоходящий, но непонятен ответ на часть вопроса топика: "зачем эта сложная форма может быть нужна".
    Ответить
    • VerBa > samara | 25.07.2013 | 15:20 Ответить
      Ну в таком случае я подчеркну, что:
      1. Четкая и подогнанная друг под друга структура тРНК и рРНК обеспечивает правильную работу белоксинтезирующего аппарата.
      2. Ферментативная (функция (которая, например, свойственна рРНК, пришивающей новую аминокислоту к белковой цепочке) также во многом обеспечивается структурой молекулы.
      3. Шпильки и другие временные изменения структуры на мРНК могут нести регуляторную функцию (как при аттенуации триптофанового оперона).
      4. И так далее.
      Ответить
Написать комментарий

Другие задачи


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»