b)

Рис. 3.3. (а) Двойная спираль ДНК и белковая молекула; (Ь) локальное распле­ тание двойной спирали, которое, как предполагают, является предварительной стадией, необходимой для узнавания места связывания

Примером такого специфического взаимодействия, требующего ста­ дии узнавания, является взаимодействие белка, называемого РНКполимеразой, с промоторной областью ДНК. Это взаимодействие очень специфично. Оно происходит в начале процесса транскрипции и сопро­ вождается локальным расплетанием двойной спирали ДНК.

3.4.Экспрессия генома

Сточки зрения молекулярной биологии экспрессия генома является первичным и наиболее фундаментальным событием жизни. Экспрессией генома называют процесс синтеза белка посредством считывания инфор­ мации, хранящейся в ДНК, и ее последующей трансляции в белковую молекулу. Основная информация, необходимая для производства белка,

содержится в гене ДНК. Обычно ген имеет размер от 150 до 6000 осно­ ваний. Он может быть идентифицирован и локализован генетически или биохимически.

Экспрессия некоторого данного гена происходит в два основных этапа: этап транскрипции и этап трансляции.

Транскрипция — это процесс, в котором (линейная) генетическая информация копируется во вспомогательную нуклеиновую кислоту (мат­ ричную рибонуклеиновую кислоту мРНК). мРНК образуется, в свою очередь, при помощи РНК-полимеразы, которая может быть легко из­ влечена из бактериальной клетки и очищена в больших количествах. В дальнейшем мы будем ссылаться на РНК-полимеразу, извлеченную

из бактерии Escherichi coli (Е. coli) и имеющую «диаметр» около 150 А. Очищенная РНК-полимераза способна выполнять транскрипцию в про­ бирке с эффективностью и точностью, сравнимыми с теми, которые име­ ют место in vivo.

В общем случае транскрипция может быть охарактеризована как сложный многостадийный процесс, который происходит в многоком­ понентной системе, включающей ДНК, РНК-полимеразу, регуляторные белки, гормоны, ионы и воду. Простейшая схема транскрипции включает три основные стадии: инициацию, элонгацию и терминацию (рис. 3.4).

инициации

Рис. 3.4. Обобщенная схема основных стадий транскрипции. В каждой стадии молекула ДНК показана в виде двух длинных вертикальных линий, имитиру­ ющих две нити ДНК. Короткие горизонтальные линии, расположенные между двумя длинными вертикальными линиями, имитируют пары оснований

В первой стадии РНК-полимераза связывается с промоторной обла­ стью, которая может быть определена как точка инициации. Когда РНКполимераза займет правильное положение и образует несколько фосфодиэфирных связей, начинается вторая стадия процесса. На этой ста­ дии небольшой фрагмент (субединица а) отделяется от РНК-полимеразы и оставшаяся часть молекулы движется вдоль ДНК, удлиняя одновре-

менно шаг за шагом молекулу РНК. В третьей стадии процесс закан­ чивается и РНК-полимераза освобождается от молекулы ДНК. Сигнал для остановки процесса дает специальная область ДНК — терминатор.

Трансляцией называют процесс, в котором информация, храняща­ яся в мРНК, передается в линейную последовательность аминокислот. Произведенная на первом этапе (т. е. этапе транскрипции) мРНК функ­ ционально делится на три части. Обычно первые 15-30 оснований мРНК (Б'-конец) не транслируются. Они поддерживают ансамбль из двух рибосомных единиц, каждая из которых состоит из 50 различных белков, и устанавливают скорость ансамбля. Последние от нескольких десятков до сотен оснований (З'-конец) тоже не транслируются и, по-видимому,

восновном принимают участие в установлении времени жизни мРНК, обычно порядка 1-3 минут. Средняя часть является кодирующей по­ следовательностью, которая содержит в себе информацию, необходимую для построения белка. Эта информация расшифровывается как упорядо­ ченное линейное построение из четырех оснований. Оно транслируется

влинейную последовательность аминокислот при помощи генетического

кода.

Процессы транскрипции и трансляции схематически проиллюстри­ рованы на рис. 3.5. Здесь несколько РНК-полимеразных частиц присо­ единены к центральной нити ДНК, причем каждая синтезирует мРНК. Картинка похожа на рождественскую елку, где ДНК является стволом,

амРНК — ветками.

Сфизической точки зрения наиболее интересными элементами рас­ сматриваемых процессов являются те, которые связаны с образованием

открытого состояния (изображенного на рис. 3.4 в виде «пузыря»), с регуляцией этих процессов на данном гене и с координацией работы многих генов. Мы обсудим эти вопросы детально в главе 9.

3.5. Регуляция генной экспрессии

Физические аспекты регуляции генной экспрессии обычно связы­ вают с возможностью передачи регуляторных сигналов вдоль молеку­ лы ДНК. Передача сигналов позволяет объяснить достаточно простым способом включение и/или выключение работы различных сайтов гена и координацию работы множества генов.

Рис. 3.6. Схематическое изображение молекулы ДНК, взаимодействующей с двумя белковыми молекулами. Молекула ДНК представлена в виде черной лен­ ты; взаимодействующие с белками сайты заштрихованы; белковые молекулы изображены в виде небольших окружностей

Идея передачи сигналов возникла из результатов эксперименталь­ ных исследований так называемых эффектов дальнодействия в ДНК. Чтобы описать эти эффекты, рассмотрим простую систему, состоящую из двух молекул белка и одной молекулы ДНК (рис. 3.6). Предполагает­ ся, что первая белковая молекула может связываться (с хорошей эффек­ тивностью) со специальной областью (сайтом) молекулы ДНК. Назовем его сайтом 1. Предполагается также, что другая молекула может связы­ ваться с другим сайтом — сайтом 2. Многочисленные эксперименталь­ ные данные [203-208] свидетельствуют о том, что связывание первой белковой молекулы с сайтом 1, может повлиять на характер взаимодей­ ствия второй молекулы с сайтом 2, причем расстояние между сайтами может достигать сотен или тысяч пар оснований. Именно поэтому эти эффекты и назвали эффектами дальнодействия.

Чтобы объяснить эти эффекты, было предложено много альтер­ нативных моделей [209-211]. Несколько таких моделей показаны на

а)

Ь)

с)

d)

Рис. 3.7 Модели дальнодействия: (а) модель, объясняющая эффект дальнодей­ ствия при помощи образования петли, (Ь) модель «скольжения», (с) модель по­ следовательного связывания и (d) модель распространения конформационного возмущения вдоль молекулы ДНК

рис. 3.7 В первой модели (рис. 3.7 а) предполагается, что молекула ДНК образует петлю, и таким образом сайты 1 и 2 сближаются и становятся соседями. Во второй модели (рис. 3.7 Ь) первый белок связывается с сай­ том 1 и затем движется (скользит) вдоль молекулы ДНК до окрестности сайта 2. Третья модель (рис. 3.7 с) предполагает, что связывание первой белковой молекулы с сайтом 1 помогает связыванию некоторой другой белковой молекулы с соседним сайтом, это в свою очередь помогает еще одной молекуле белка связаться со следующим соседним сайтом и так далее. В результате белковые молекулы последовательно связыва­ ются и выстраиваются вдоль двойной спирали ДНК. В четвертой модели (рис. 3.7 d) предполагается, что связывание первой белковой молекулы с сайтом 1 сопровождается локальным конформационным возмущением,