ყველა, ვინც სწავლობს მოლეკულურ ბიოლოგიას, ბიოქიმიას, გენეტიკურ ინჟინერიას და სხვა დაკავშირებულ მეცნიერებებს ადრე თუ გვიან სვამს კითხვას: რა ფუნქცია აქვს რნმ პოლიმერაზას? ეს საკმაოდ რთული თემაა, რომელიც ჯერ კიდევ არ არის ბოლომდე შესწავლილი, მაგრამ, მიუხედავად ამისა, სტატიის ფარგლებში გაშუქდება ის, რაც ცნობილია.
ზოგადი ინფორმაცია
აუცილებელია გვახსოვდეს, რომ არსებობს ევკარიოტების და პროკარიოტების რნმ პოლიმერაზა. პირველი შემდგომში იყოფა სამ ტიპად, რომელთაგან თითოეული პასუხისმგებელია გენების ცალკეული ჯგუფის ტრანსკრიფციაზე. ეს ფერმენტები დანომრილია სიმარტივისთვის, როგორც პირველი, მეორე და მესამე რნმ პოლიმერაზები. პროკარიოტი, რომლის სტრუქტურა ბირთვისგან თავისუფალია, ტრანსკრიფციის დროს მოქმედებს გამარტივებული სქემის მიხედვით. ამიტომ, სიცხადისთვის, რაც შეიძლება მეტი ინფორმაციის დაფარვის მიზნით, განიხილება ევკარიოტები. რნმ პოლიმერაზები სტრუქტურულად ერთმანეთის მსგავსია. ითვლება, რომ ისინი შეიცავს მინიმუმ 10 პოლიპეპტიდურ ჯაჭვს. ამავდროულად, რნმ პოლიმერაზა 1 ასინთეზებს (ტრანსკრიბს) გენებს, რომლებიც შემდგომში გადაიქცევა სხვადასხვა ცილებად. მეორე არის გენების ტრანსკრიფცია, რომლებიც შემდგომში ითარგმნება ცილებად. რნმ პოლიმერაზა 3 წარმოდგენილია სხვადასხვა დაბალი მოლეკულური წონის სტაბილური ფერმენტებით, რომლებიც ზომიერადმგრძნობიარეა ალფა ამატინის მიმართ. მაგრამ ჩვენ არ გადაგვიწყვეტია რა არის რნმ პოლიმერაზა! ასე ჰქვია ფერმენტებს, რომლებიც მონაწილეობენ რიბონუკლეინის მჟავის მოლეკულების სინთეზში. ვიწრო გაგებით, ეს ეხება დნმ-დამოკიდებულ რნმ პოლიმერაზებს, რომლებიც მოქმედებენ დეზოქსირიბონუკლეინის მჟავის შაბლონის საფუძველზე. ფერმენტებს დიდი მნიშვნელობა აქვს ცოცხალი ორგანიზმების გრძელვადიანი და წარმატებული ფუნქციონირებისთვის. რნმ პოლიმერაზები გვხვდება ყველა უჯრედში და ვირუსების უმეტესობაში.
დაყოფა მახასიათებლების მიხედვით
ქვეერთეულის შემადგენლობის მიხედვით, რნმ პოლიმერაზები იყოფა ორ ჯგუფად:
- პირველი ეხება მცირე რაოდენობის გენების ტრანსკრიფციას მარტივ გენომებში. ამ შემთხვევაში ფუნქციონირებისთვის არ არის საჭირო კომპლექსური მარეგულირებელი ქმედებები. აქედან გამომდინარე, ეს მოიცავს ყველა ფერმენტს, რომელიც შედგება მხოლოდ ერთი ქვედანაყოფისგან. ამის მაგალითია ბაქტერიოფაგებისა და მიტოქონდრიების რნმ პოლიმერაზა.
- ამ ჯგუფში შედის ევკარიოტების და ბაქტერიების ყველა რნმ პოლიმერაზა, რომლებიც კომპლექსურია. ისინი წარმოადგენენ რთულ მრავალსუბერთეულ ცილოვან კომპლექსებს, რომლებსაც შეუძლიათ ათასობით სხვადასხვა გენის ტრანსკრიფცია. მათი ფუნქციონირების დროს ეს გენები რეაგირებენ მარეგულირებელ სიგნალებზე, რომლებიც მომდინარეობს ცილის ფაქტორებიდან და ნუკლეოტიდებით.
ასეთი სტრუქტურულ-ფუნქციური დაყოფა არის რეალური მდგომარეობის ძალიან პირობითი და ძლიერი გამარტივება.
რას აკეთებს რნმ პოლიმერაზა მე?
მათ ენიჭებათ პირველადი ფორმირების ფუნქციაrRNA გენის ტრანსკრიპტები, ანუ ისინი ყველაზე მნიშვნელოვანია. ეს უკანასკნელი უფრო ცნობილია 45S-RNA სახელწოდებით. მათი სიგრძე დაახლოებით 13 ათასი ნუკლეოტიდია. მისგან წარმოიქმნება 28S-RNA, 18S-RNA და 5,8S-RNA. იმის გამო, რომ მათ შესაქმნელად გამოიყენება მხოლოდ ერთი ტრანსკრიპტორი, სხეული იღებს „გარანტიას“, რომ მოლეკულები წარმოიქმნება თანაბარი რაოდენობით. ამავდროულად, მხოლოდ 7 ათასი ნუკლეოტიდი გამოიყენება უშუალოდ რნმ-ის შესაქმნელად. ტრანსკრიპტის დანარჩენი ნაწილი დეგრადირებულია ბირთვში. ამხელა ნარჩენებთან დაკავშირებით არსებობს მოსაზრება, რომ ის აუცილებელია რიბოსომის ფორმირების ადრეული ეტაპებისთვის. ამ პოლიმერაზების რაოდენობა უმაღლესი არსებების უჯრედებში მერყეობს 40 ათასი ერთეულის ნიშნულზე.
როგორ არის ორგანიზებული?
ასე რომ, ჩვენ უკვე კარგად განვიხილეთ პირველი რნმ პოლიმერაზა (მოლეკულის პროკარიოტული სტრუქტურა). ამავდროულად, დიდ ქვედანაყოფებს, ისევე როგორც სხვა მაღალმოლეკულური წონის პოლიპეპტიდების დიდ რაოდენობას, აქვთ კარგად განსაზღვრული ფუნქციური და სტრუქტურული დომენები. გენების კლონირებისა და მათი პირველადი სტრუქტურის განსაზღვრის დროს მეცნიერებმა გამოავლინეს ჯაჭვების ევოლუციურად კონსერვატიული მონაკვეთები. კარგი გამოხატვის გამოყენებით მკვლევარებმა ასევე ჩაატარეს მუტაციური ანალიზი, რაც საშუალებას გვაძლევს ვისაუბროთ ცალკეული დომენების ფუნქციურ მნიშვნელობაზე. ამისათვის, ადგილზე მიმართული მუტაგენეზის გამოყენებით, ინდივიდუალური ამინომჟავები შეიცვალა პოლიპეპტიდურ ჯაჭვებში და ასეთი მოდიფიცირებული ქვედანაყოფები გამოიყენებოდა ფერმენტების შეკრებაში ამ კონსტრუქციებში მიღებული თვისებების შემდგომი ანალიზით. აღინიშნა, რომ მისი ორგანიზაციის გამო, პირველი რნმ პოლიმერაზაალფა-ამატინის არსებობა (უაღრესად ტოქსიკური ნივთიერება, რომელიც მიღებულია ფერმკრთალი ღრძილებიდან) საერთოდ არ რეაგირებს.
ოპერაცია
როგორც პირველი, ასევე მეორე რნმ პოლიმერაზა შეიძლება არსებობდეს ორი ფორმით. ერთ-ერთ მათგანს შეუძლია იმოქმედოს კონკრეტული ტრანსკრიფციის დასაწყებად. მეორე არის დნმ დამოკიდებული რნმ პოლიმერაზა. ეს ურთიერთობა გამოიხატება ფუნქციონირების აქტივობის სიდიდეში. თემა ჯერ კიდევ გამოძიების პროცესშია, მაგრამ უკვე ცნობილია, რომ ეს დამოკიდებულია ტრანსკრიფციის ორ ფაქტორზე, რომლებიც მითითებულია როგორც SL1 და UBF. ამ უკანასკნელის თავისებურება ის არის, რომ მას შეუძლია პირდაპირ მიბმა პრომოტორთან, ხოლო SL1 მოითხოვს UBF-ს არსებობას. მიუხედავად იმისა, რომ ექსპერიმენტულად აღმოჩნდა, რომ დნმ-დამოკიდებულ რნმ პოლიმერაზას შეუძლია მონაწილეობა მიიღოს ტრანსკრიფციაში მინიმალურ დონეზე და ამ უკანასკნელის არსებობის გარეშე. მაგრამ ამ მექანიზმის ნორმალური ფუნქციონირებისთვის UBF მაინც საჭიროა. რატომ ზუსტად? ჯერჯერობით, ამ საქციელის მიზეზის დადგენა ვერ მოხერხდა. ერთ-ერთი ყველაზე პოპულარული ახსნა ვარაუდობს, რომ UBF მოქმედებს როგორც ერთგვარი rDNA ტრანსკრიფციის სტიმულატორი, როდესაც ის იზრდება და ვითარდება. როდესაც დასვენების ფაზა ხდება, ფუნქციონირების მინიმალური საჭირო დონე შენარჩუნებულია. და მისთვის ტრანსკრიფციის ფაქტორების მონაწილეობა არ არის კრიტიკული. ასე მუშაობს რნმ პოლიმერაზა. ამ ფერმენტის ფუნქციები საშუალებას გვაძლევს ხელი შევუწყოთ ჩვენი ორგანიზმის პატარა „სამშენებლო ბლოკების“რეპროდუცირების პროცესს, რომლის წყალობითაც იგი მუდმივად განახლდება ათწლეულების განმავლობაში.
ფერმენტების მეორე ჯგუფი
მათი ფუნქციონირება რეგულირდება მეორე კლასის პრომოტორების მულტიპროტეინული წინასწარი ინიციაციის კომპლექსის შეკრებით. ყველაზე ხშირად ეს გამოიხატება სპეციალურ ცილებთან - აქტივატორებთან მუშაობაში. ამის მაგალითია TVR. ეს არის დაკავშირებული ფაქტორები, რომლებიც TFIID-ის ნაწილია. ისინი არიან სამიზნეები p53, NF kappa B და ა.შ. პროტეინები, რომლებსაც კოაქტივატორებს უწოდებენ, ასევე ახდენენ თავიანთ გავლენას რეგულაციის პროცესში. მაგალითია GCN5. რატომ არის საჭირო ეს ცილები? ისინი მოქმედებენ როგორც გადამყვანები, რომლებიც არეგულირებენ აქტივატორებისა და ფაქტორების ურთიერთქმედებას, რომლებიც შედის წინასწარი ინიციაციის კომპლექსში. იმისათვის, რომ ტრანსკრიფცია სწორად განხორციელდეს, აუცილებელია აუცილებელი ინიციატორი ფაქტორების არსებობა. იმისდა მიუხედავად, რომ მათგან ექვსია, მხოლოდ ერთს შეუძლია უშუალოდ პრომოუტერთან ურთიერთობა. სხვა შემთხვევებისთვის საჭიროა წინასწარ ჩამოყალიბებული მეორე რნმ პოლიმერაზას კომპლექსი. უფრო მეტიც, ამ პროცესების დროს, პროქსიმალური ელემენტები ახლოს არის - მხოლოდ 50-200 წყვილი იმ ადგილიდან, სადაც ტრანსკრიფცია დაიწყო. ისინი შეიცავს მითითებას აქტივატორი ცილების შეკავშირების შესახებ.
სპეციალური ფუნქციები
მოქმედებს თუ არა სხვადასხვა წარმოშობის ფერმენტების ქვედანაყოფების სტრუქტურა ტრანსკრიფციაში მათ ფუნქციურ როლზე? ამ კითხვაზე ზუსტი პასუხი არ არსებობს, მაგრამ ითვლება, რომ ის სავარაუდოდ დადებითია. როგორ არის ამაზე დამოკიდებული რნმ პოლიმერაზა? მარტივი სტრუქტურის ფერმენტების ფუნქციებია გენების შეზღუდული დიაპაზონის (ან თუნდაც მათი მცირე ნაწილების) ტრანსკრიფცია. ამის მაგალითია ოკაზაკის ფრაგმენტების რნმ პრაიმერების სინთეზი.ბაქტერიების და ფაგების რნმ პოლიმერაზას პრომოტორული სპეციფიკა არის ის, რომ ფერმენტებს აქვთ მარტივი სტრუქტურა და არ განსხვავდებიან მრავალფეროვნებით. ეს ჩანს ბაქტერიებში დნმ-ის რეპლიკაციის პროცესში. თუმცა შეიძლება ამის გათვალისწინებაც: როდესაც შეისწავლეს ლუწი T-ფაგის გენომის რთული სტრუქტურა, რომლის განვითარების დროს აღინიშნა მრავალჯერადი ტრანსკრიპციის გადართვა გენების სხვადასხვა ჯგუფს შორის, გამოვლინდა, რომ გამოყენებული იყო რთული მასპინძელი რნმ პოლიმერაზა. ამისთვის. ანუ უბრალო ფერმენტი ასეთ შემთხვევებში არ არის ინდუცირებული. აქედან გამომდინარეობს მთელი რიგი შედეგები:
- ევკარიოტულ და ბაქტერიულ რნმ პოლიმერაზას უნდა შეეძლოს სხვადასხვა პრომოტორების ამოცნობა.
- აუცილებელია, რომ ფერმენტებს ჰქონდეთ გარკვეული პასუხი სხვადასხვა მარეგულირებელ ცილებზე.
- რნმ პოლიმერაზას ასევე უნდა შეეძლოს შეცვალოს შაბლონის დნმ-ის ნუკლეოტიდური თანმიმდევრობის ამოცნობის სპეციფიკა. ამისთვის გამოიყენება სხვადასხვა ცილის ეფექტორები.
აქედან გამომდინარეობს სხეულის საჭიროება დამატებითი "სამშენებლო" ელემენტების მიმართ. ტრანსკრიფციის კომპლექსის ცილები ეხმარება რნმ პოლიმერაზას ფუნქციების სრულად შესრულებაში. ეს ყველაზე მეტად ეხება რთული სტრუქტურის ფერმენტებს, რომელთა შესაძლებლობებშიც არის გენეტიკური ინფორმაციის განხორციელების ვრცელი პროგრამის განხორციელება. სხვადასხვა ამოცანების წყალობით, ჩვენ შეგვიძლია დავაკვირდეთ რნმ პოლიმერაზების სტრუქტურაში ერთგვარ იერარქიას.
როგორ მუშაობს ტრანსკრიფციის პროცესი?
არსებობს თუ არა გენი პასუხისმგებელი კომუნიკაციაზერნმ პოლიმერაზა? პირველი, ტრანსკრიფციის შესახებ: ევკარიოტებში პროცესი ხდება ბირთვში. პროკარიოტებში ის ხდება თავად მიკროორგანიზმში. პოლიმერაზას ურთიერთქმედება ეფუძნება ცალკეული მოლეკულების დამატებითი დაწყვილების ფუნდამენტურ სტრუქტურულ პრინციპს. რაც შეეხება ურთიერთქმედების საკითხებს, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ დნმ მოქმედებს ექსკლუზიურად, როგორც შაბლონი და არ იცვლება ტრანსკრიფციის დროს. ვინაიდან დნმ განუყოფელი ფერმენტია, დანამდვილებით შეიძლება ითქვას, რომ კონკრეტული გენი პასუხისმგებელია ამ პოლიმერზე, მაგრამ ეს ძალიან გრძელი იქნება. არ უნდა დაგვავიწყდეს, რომ დნმ შეიცავს 3,1 მილიარდ ნუკლეოტიდის ნარჩენს. აქედან გამომდინარე, უფრო მიზანშეწონილი იქნება იმის თქმა, რომ რნმ-ის თითოეული ტიპი პასუხისმგებელია საკუთარ დნმ-ზე. პოლიმერაზას რეაქციის გასაგრძელებლად საჭიროა ენერგიის წყაროები და რიბონუკლეოზიდის ტრიფოსფატის სუბსტრატები. მათი თანდასწრებით რიბონუკლეოზიდის მონოფოსფატებს შორის წარმოიქმნება 3', 5'-ფოსფოდიესტერული ბმები. რნმ-ის მოლეკულა იწყებს სინთეზს დნმ-ის გარკვეულ თანმიმდევრობებში (პრომოტერები). ეს პროცესი მთავრდება დამთავრებული განყოფილებებით (ტერმინაციით). საიტს, რომელიც აქ არის ჩართული, ეწოდება ტრანსკრიპტონი. ევკარიოტებში, როგორც წესი, აქ მხოლოდ ერთი გენი არსებობს, პროკარიოტებს კი კოდის რამდენიმე განყოფილება შეუძლიათ. თითოეულ ტრანსკრიპტონს აქვს არაინფორმაციული ზონა. ისინი შეიცავს სპეციფიკურ ნუკლეოტიდურ თანმიმდევრობებს, რომლებიც ურთიერთქმედებენ ადრე აღნიშნულ მარეგულირებელ ტრანსკრიფციის ფაქტორებთან.
ბაქტერიული რნმ პოლიმერაზები
ესმიკროორგანიზმები ერთი ფერმენტი პასუხისმგებელია mRNA, rRNA და tRNA სინთეზზე. საშუალო პოლიმერაზას მოლეკულას აქვს დაახლოებით 5 ქვედანაყოფი. ორი მათგანი მოქმედებს როგორც ფერმენტის დამაკავშირებელი ელემენტები. კიდევ ერთი ქვედანაყოფი მონაწილეობს სინთეზის დაწყებაში. ასევე არსებობს ფერმენტული კომპონენტი დნმ-თან არასპეციფიკური კავშირისთვის. და ბოლო ქვედანაყოფი მონაწილეობს რნმ პოლიმერაზას სამუშაო ფორმაში მოყვანაში. უნდა აღინიშნოს, რომ ფერმენტის მოლეკულები არ არის „თავისუფალი“ცურვა ბაქტერიულ ციტოპლაზმაში. როდესაც არ გამოიყენება, რნმ პოლიმერაზები აკავშირებს დნმ-ის არასპეციფიკურ რეგიონებს და ელოდება აქტიური პრომოტორის გახსნას. თემიდან ოდნავ გადახვევით, უნდა ითქვას, რომ ძალიან მოსახერხებელია ცილების შესწავლა და მათი გავლენა ბაქტერიებზე რიბონუკლეინის მჟავას პოლიმერაზებზე. განსაკუთრებით მოსახერხებელია მათზე ექსპერიმენტების ჩატარება ცალკეული ელემენტების სტიმულირებისთვის ან დათრგუნვის მიზნით. მათი გამრავლების მაღალი სიჩქარის გამო სასურველი შედეგის მიღება შედარებით სწრაფად შეიძლება. სამწუხაროდ, ადამიანთა კვლევა არ შეიძლება გაგრძელდეს ასეთი სწრაფი ტემპით ჩვენი სტრუქტურული მრავალფეროვნების გამო.
როგორ "დაფესვიანდა" რნმ პოლიმერაზა სხვადასხვა ფორმით?
ეს სტატია თავის ლოგიკურ დასკვნამდე მიდის. ყურადღება გამახვილდა ევკარიოტებზე. მაგრამ ასევე არის არქეები და ვირუსები. ამიტომ, მინდა ცოტა ყურადღება მივაქციო ცხოვრების ამ ფორმებს. არქეების ცხოვრებაში არსებობს რნმ პოლიმერაზების მხოლოდ ერთი ჯგუფი. მაგრამ ის თავისი თვისებებით ძალიან ჰგავს ევკარიოტების სამ გაერთიანებას. ბევრი მეცნიერი ვარაუდობს, რომ ის, რისი დაკვირვებაც შეგვიძლია არქეაში, რეალურად არისსპეციალიზებული პოლიმერაზების ევოლუციური წინაპარი. საინტერესოა ვირუსების სტრუქტურაც. როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ყველა ასეთ მიკროორგანიზმს არ აქვს საკუთარი პოლიმერაზა. და სადაც არის, ეს არის ერთი ქვედანაყოფი. ითვლება, რომ ვირუსული ფერმენტები მიღებულია დნმ პოლიმერაზებიდან და არა რთული რნმ-ის კონსტრუქციებიდან. მიუხედავად იმისა, რომ მიკროორგანიზმების ამ ჯგუფის მრავალფეროვნებიდან გამომდინარე, არსებობს განხილული ბიოლოგიური მექანიზმის სხვადასხვა დანერგვა.
დასკვნა
სამწუხაროდ, ახლა კაცობრიობას ჯერ არ აქვს ყველა საჭირო ინფორმაცია, რომელიც საჭიროა გენომის გასაგებად. და რა შეიძლება გაკეთდეს! თითქმის ყველა დაავადებას ძირითადად აქვს გენეტიკური საფუძველი - ეს პირველ რიგში ეხება ვირუსებს, რომლებიც მუდმივად გვაძლევენ პრობლემებს, ინფექციებს და ა.შ. ყველაზე რთული და განუკურნებელი დაავადებები ასევე, ფაქტობრივად, პირდაპირ თუ ირიბად არის დამოკიდებული ადამიანის გენომზე. როდესაც ჩვენ ვისწავლით საკუთარი თავის გაგებას და ამ ცოდნის გამოყენებას ჩვენს სასარგებლოდ, პრობლემების და დაავადებების დიდი რაოდენობა უბრალოდ შეწყვეტს არსებობას. ბევრი ადრე საშინელი დაავადება, როგორიცაა ჩუტყვავილა და ჭირი, უკვე წარსულს ჩაბარდა. იქ წასასვლელად ემზადება ყბაყურა, ყივანახველა. მაგრამ ჩვენ არ უნდა დავისვენოთ, რადგან ჩვენ ჯერ კიდევ მრავალი განსხვავებული გამოწვევის წინაშე ვდგავართ, რომლებზეც პასუხის გაცემაა საჭირო. და ის მოიძებნება, რადგან ყველაფერი ამისკენ მიდის.
