Как белки в клетке определяют, какой участок из ДНК нужно скопировать для обработки в рибосомах?

Question

В живой клетке есть рибосомы, которые постоянно создают множество разных белков, необходимых для функционирования клетки. Но информацию для работы рибосом приносят информационные РНК, которые собираются специальными белками, считывающими те или иные участки ДНК. Как эти белки определяют, какие в данный момент участки ДНК нужно использовать?

Answer 1

Постараюсь описать так, чтобы было понятно большинству пользователей сайта:

Представьте, что у вас есть две продольные половинки бельевой молнии, рибосома - это собачка; зубцы на молнии - это один из комплиментарных белков (A-U(T) и G-C), механизмы сцепки на собачке (рибосоме) - это факторы (химические соединения, которые встраиваются, чтобы направлять ход сцепки нужных аминокислот, начало транскрипции, ее завершения).

Итак, упрощенно: делается слепок РНК (половины ДНК), затем режется на последовательности (с небольшим запасом на ошибки), перемещается в рибосому, где эта последовательность проходит через механизмы сцепки (факторы), как только виден старт-кодон (A-U-G), начинается процесс сцепки, снятия с матрицы слепка нужных аминокислот сразу в белковую цепочку, как только факторы попадают на стоп-кодон (U-A-A, A-G-U или U-A-G) - операция прерывается, и "молния" скользит дальше, пока не встретится новый старт-кодон, либо зацикливается (операция повторяется снова от старта до стопа) пока не появится другой фактор (хим. вещество, напоминаю)

Для лучшего восприятия, возьмите паззл с картинками и выстройте один ряд кусочков - будут те кусочки, которые подойдут только в пазы сверху, и будут те, что подойдут в пазы снизу. Это и есть комплиментарность. А кусочки с ровными краями (стенки) - это старт- и стоп-кодоны. Все ряды паззла - это рнк, а картина - это последовательность аминокислот в единой картинке: ни один кусочек не может быть встроен не на свое место (хотя не без ошибок, потерь кусочкой и т.д.)

Comments

 

 des-kitten

Итак, упрощенно: делается слепок РНК (половины ДНК), затем режется на последовательности (с небольшим запасом на ошибки), перемещается в рибосому, где эта последовательность проходит через механизмы сцепки

Вот только непонятно, как для этого  слепка РНК (половинки ДНК) выбирается нужный участок. Ведь не всю же сразу ДНК просматривают для копирования (изготовления слепка). Я полагаю, что в разные моменты времени в зависимости от потребностей клетки выбираются разные участки в ДНК. Ведь, например из одних и тех же стволовых клеток с одинаковыми ДНК  выбирается разная информация и эти клетки превращаются в специфические в в разных отделах организма. 

Answer 2

Белки РНК-полимеразы и другие белки, участвующие в транскрипции, предпочитают "тусоваться" и активироваться в районе промотора (стартовой площадки транскрипции) того гена, который расположен в участке хромосомы: 1) доступном благодаря менее плотной упаковке ДНК и отсутствию метилирования промоторных областей, 2) привлекающем и содержащем специальные белковые факторы транскрипции благодаря наличию в данном участке определённых последовательностей нуклеотидов ДНК, которые являются посадочными площадками для транскрипционных факторов (ТФ). 

Ремоделирование хроматина и усиление или ослабление экспрессии гена белками ТФ, как и экспрессия самих ТФ, часто являются специфичными для какой-либо группы клеток или для конкретных состояний клетки, что и определяет специфичную транскрипцию нужных генов в нужном месте (см. факторы транскрипции, chromatin remodeling, transcriptional regulation, эпигенетика), включая начальные этапы эмбриогенеза многоклеточных организмов, когда, после нескольких делений клетки, сигнальными факторами, направляющими экспрессию генов в сторону определённой специализации клетки, выступают градиенты физических величин и неравномерное распределение регуляторных РНК и белков, доставшихся от материнской яйцеклетки.

Вообще процесс регуляции транскрипции -- тема сложная, особенно при рассмотрении эукариотических организмов. Но для элементарного понимания схемы регуляции (сигнальной) экспрессии гена можно рассмотреть бактериальный лактозный оперон (несколько генов, которые транскрибируются в одной мРНК). Как РНК-полимераза определяет, что надо осуществить синтез матричной РНК с лактозного оперона? РНК-полимераза (и некоторые другие белки инициации транскрипции) просто имеет сродство (привлекается электрохимически) с промоторной последовательностью ДНК. Плюс нужны ещё два белка (которые всегда присутствуют в клетке бактерии в некотором количестве) -- активатор (прицепляется к ДНК в районе помотора, когда у бактерии нет/мало глюкозы), без которого маловероятен синтез  мРНК со слабого промотора, и репрессор (прицепляется к ДНК в районе промотора, когда у бактерии нет/мало лактозы). Ситуация с питанием бактерии, когда требуется экспрессия генов метаболизма лактозы --> нет глюкозы, много лактозы. В этом случае активатор (которому не мешает глюкоза) в районе промотора помогает РНК-полимеразе начать синтез мРНК, а репрессор не блокирует синтез, так как связан не с ДНК, а с лактозой. Вот таким образом бактериальная РНК-полимераза "понимает" то, что в определённый момент надо использовать определённый участок ДНК (лактозный оперон) -- система с двойной отрицательной обратной связью. 

В эукариотических клетках часто используется посттранскрипционная регуляция экспрессии генов. Например, когда при быстрой смене состояния клетки недостаточно прекратить синтез мРНК с матрицы ДНК, но требуются дополнительные факторы ускоренной деградации уже насинтезированных и взаимодействующих с рибосомами мРНК того или иного гена, чтобы как можно скорее прекратился синтез белка ненужного (или даже вредного) в текущей ситуации.