Биосинтеза на рнк след работа с този раздел студентите ще могат да постигнат следните учебни

1. Да посочат принципите, на които се основава синтезата на РНК;

2. Да изброят ензимите, необходими за синтезата на РНК в прокариоти и еукариоти;

3. Да изброят етапите, през които минава синтезата на РНК;

4. Да дефинират какво представляват промоторите, цис-действащи последователности в ДНК и транс-действащи фактори, стартова точка;

5. Да опишат структурата и функциите на промоторите при прокариоти;

6. Да опишат структурата и функциите на промоторите при еукариоти;

7. Да дефинират какво представляват транскрипционните фактори, силансерите и енхансерите;

1. Да обяснят разликите между РНК полимеразите в прокариоти и еукариоти;

2. Да обяснят разликите между РНК полимерази І, ІІ и ІІІ в еукариоти;

3. Да обяснят образуването на преинициационния и инициационния комплекс в еукариоти;

4. Да обяснят как протича елонгирането на РНК;

5. Да обяснят как протича терминирането на РНК синтезата;

6. Да опишат следсинтетичната обработка на РНК-транскриптите в прокариоти;

7. Да опишат следсинтетичната обработка на рРНК-транскриптите и тРНК-транскриптите в еукариоти;

8. Да опишат следсинтетичната обработка на иРНК-транскриптите в еукариоти;

9. Да обяснят посттранскрипционното редактиране на иРНК

      1. преценят кои инхибитори на синтезата на РНК могат да се използват като антибиотици;

      2. обяснят причините за смъртоносното действие на токсина -аманитин от отровната гъба червена мухоморка;

      3. обяснят механизма на някои заболявания като -таласемии, чуплива X-хромозома и др.

13.1 Резюме

 Транскрипцията протича в три етапа: иницииране, елонгиране и терминиране. Като матрица се използва едноверижен участък от ДНК. Синтезираната РНК е комплементарна на участък от матричната верига на ДНК. Синтезата на РНК върви в посока от 5' към 3'-края. Катализира се от ензими, наречени ДНК зависими РНК полимерази.

13.2 Обща характеристика

 Синтезата на РНК протича в два етапа - транскрипция (презаписване) на ДНК матрицата и следсинтетична обработка на първичните транскрипти (посттранскрипционно зреене). Транскрипцията протича в три етапа: иницииране (начален етап), елонгиране (удължаване на веригата), терминиране (завършване).
 Като матрица за синтеза на определена РНК се използва едноверижен участък от ДНК, много малък в сравнение с целия геном. Новосинтезираната РНК е комплементарна на матричната верига на ДНК и съвпада с кодиращата верига на ДНК (фиг. 13-1), т.е. Т, Г, Ц от ДНК определят включването на А, Ц, Г, съответно. А от ДНК определя включване на У в РНК. Дадена верига от ДНК може да бъде матрична за едни гени, а кодираща за други.




Фиг. 13-1. Комплементарност между матричната верига на ДНК и първичния иРНК транскрипт.

 Информацията в матричната верига на ДНК се чете в посока от 3' към 5'-края. Синтезата на РНК се извършва в посока от 5' към 3'-края.

13.3 Ензими

 Ензимите, които катализират синтезата на РНК върху ДНК матрица се наричат ДНК-зависими РНК полимерази. 3'-5'-фосфодиестерната връзка се образува като 3'-ОН група на последния нуклеотид във веригата атакува алфа-фосфатната група на следващия присъединяван нуклеозид трифосфат, съпроводено с отделяне на пирофосфат.

 Смяташе се, че за разлика от ДНК полимеразите, РНК полимеразите не притежават допълнителни ензимни активности. Но при някои РНК полимерази е установена 3'-5'-екзонуклеазна активност.

13.3.1 РНК полимераза в прокариоти

 Escherihia coli има една РНК полимераза с м.т. 350 000, сложно устроена. По време на елонгирането се състои от пет субединици: , , , ',  [1]. За разпознаване на промотора и за правилно иницииране ензимът се нуждае от допълнителна  (сигма) субединица или  фактор (м. т. 80 000). Когато тази субединица е свързана към ензима, той се означава като холоензим (фиг. 13-2). В бактериите има много  фактори. Всеки от тях променя способността на РНК полимеразата да разпознава различни гени.

 
 

Фиг. 13-2. Структура и действие на РНК полимераза в E. coli.

1 - Свързване на -фактор към РНК полимераза, за да се получи холоензим;

13.3.2 РНК полимерази в еукариоти

 В еукариоти има три ядрени РНК полимерази (РНКП) (500 - 600 kDa) (табл. 13-1) и една митохондриална. Ядрените ензими се означават с римски цифри I, II и III. Всички те имат общ механизъм на действие, но разпознават различни промотори и образуват различни РНК. Полимераза I синтезира повечето от рРНК, полимераза II - иРНК, а полимераза III образува малки РНК - тРНК и 5S рРНК, съответно. Различават се по чувствителността си към отровата на гъбата червена мухоморка.
 РНК полимераза II се състои от 14 субединици. Двете най-големи (около 200 kDa) съответстват на бактериалните '. В карбоксилния им край има участък с многократно повтарящ се пептид от 7 остатъка: Тир-Сер-Про-Тре-Сер-Про-Сер. Този участък е субстрат за няколко кинази. Ензимът се активира при фосфорилиране в Сер и Тре остатъци и се инактивира при дефосфорилиране. Този участък е и свързващо място за медиаторни (супресорни) белтъци (Srb). При свързването на тези Srb белтъци към РНК полимераза II, се оформя холоензимът.

 Табл. 13-1. Разлики между ядрени ДНК-зависими РНК полимерази в еукариоти.

13.4 Иницииране на транскрипцията

13.4.2 Структура и функция на промоторите в прокариоти

 Прокариотните промотори са сравнително къси участъци с около 40 bp, разстояние, съпоставимо с големината на РНК полимеразата. Холоензимът при свързването си покрива изцяло промотора. В промотора има два къси консервативни блока преди стартовата точка, разпознавани от -субединицата на РНК полимеразата, чрез което се осигурява верността на транскрипция (фиг. 13-3-1).

 1) ТТГАЦА-блок, наричан още блок на Yanofsky или -35 секвенция, тъй като отстои на около 35 бази преди стартовата точка.

 2) ТАТА-блок, наричан още блок на Pribnow или -10 секвенция, тъй като отстои на около 10 бази преди стартовата точка. Последователността в този участък е идентична или близка до следната: ТАТААТ.




Фиг. 13-3-1. Структура на промоторите в прокариотна ДНК.
Показани са консервативни участъци в промоторите, разпознавани от -субединицата на РНК полимеразата, за да се осигури вярност на транскрипцията..

 При свързване на холоензима към ТГТТГАЦА-блок се получава т.н. затворен комплекс (фиг. 13-3-2), тъй като все още няма разделяне на двете вериги в ДНК. Свързването на ензима и към ТАТА-блок улеснява разединяването на веригите и достъпа на ензима до матричната верига.

Затвореният комплекс се превръща в отворен комплекс (фиг. 13-2-3). Разтварянето на веригите в ТАТА-блок е улеснено от липсата на Г и Ц в този участък, което определя по-ниска точка на топене на ДНК. След добавянето на около 10 нуклеотиди,  факторът обикновено (но не винаги) се отделя от РНК полимеразата и ензимът продължава елонгирането.

13.4.3 Структура и функции на промоторите в еукариоти

 Еукариотните промотори са по-сложни. Промоторите за РНК полимераза I и II, също като промотора на прокариотната РНК полимераза, са разположени преди стартовата точка. Промоторите за РНК полимераза III са уникални с това, че обикновено са след стартовата точка, в рамките на кодиращия участък от гена. Известни са две строго консервативни секвенции А и В в интрагенния промотор, които кодират участъци в областта на D и ТЦ бримки.

 Промоторите, разпознавани от РНК полимераза II, съдържат два класа участъци (фиг. 13-4):

 1) Участъци, осигуряващи основната експресия.

 В голям брой случаи основната експресия зависи от разпознаването и свързването на РНК полимераза към следните олигонуклеотидни блокове в промотора:

  а) проксимален ТАТА-блок, чието разпознаване осигурява верността на транскрипцията. Винаги има ориентация 5'-3'. Обикновено отстои на 15-30 bp преди стартовата точка.

 В малък брой гени вместо ТАТА-блок има друг блок със същата роля, означаван като Inr (iniciator), който съдържа три нуклеотида преди и пет нуклеотида след стартовото място.

  б) ЦААТ-блок (или други подобни, означавани Sp1, NF1, Ap1 и др), по-отдалечен от старта в минусова посока и определящ честотата на транскрипция. Тези участъци работят най-добре, когато са ориентирани 5'-3', но могат да имат и обратна ориентация.

 2) Участъци, осигуряващи регулираната експресия

 Регулираната експресия зависи от втори клас регулаторни участъци, съдържащи други олигонуклеотидни блокове, с различна ориентация и различно отдалечени преди или след стартовата точка, наречени енхансери и силансери. Тe медиират ефекта на различни сигнали (хормони, топлинен шок, тежки метали и др.).



Фиг. 13-4. Примерна структура на промотор за иРНК в еукариотни клетки.

Промоторът се състои от два класа участъци:

 1) Участъци, отговорни за основната експресия, съдържащи ТАТА- и ЦААТ-блокове. Разпознаването на ТАТА-блока осигурява верността на транскрипцията. Разпознаването на ЦААТ-блока определя честотата на транскрипция.

 2) Участъци, осигуряващи регулираната експресия, съдържащи други олигонуклеотидни блокове (енхансери, силансери и др.) с различна ориентация и различно отдалечени преди или след стартовата точка, медииращи ефекта на хормони, топлинен шок, тежки метали и др. За тези многобройни и специфични блокове се използва и названието "респонсни елементи" (response element"), напр. СХ-РЕ - респонсен елемент за стероидни хормони, цАМФ-РЕ - респонсен елемент за цАМФ и пр.

13.4.4 Транскрипционен комплекс в еукариоти

 За осигуряване на безпогрешна и регулируема транскрипция в еукариоти РНК полимеразите се нуждаят от голям брой белтъци (около 50 на брой). Без тях РНК полимерази не разпознават промоторите. Едни от белтъците улесняват свързването към определен промотор, а други са необходими за регулиране скоростта на иницииране на транскрипцията.

  Основният комплекс (фиг. 13-5) се образува при свързване на РНК полимераза с промотора посредством белтъци, означавани като транскрипционни фактори ТF.





Фиг. 13-5. Структура на основния транскрипционен комплекс в еукариоти.

 Основният комплекс се образува при свързване на РНК полимераза с промотора посредством белтъци, означавани като транскрипционни фактори ТFII(D, B, A, F, H, E). Единствено ТFII D контактува директно с ДНК в ТАТА-участъка. TFII D се състои от ТАТА-свързващ белтък (ТВР) и 8-10 различни ТВР-асоциирани фактори (ТАFs, наричани още коактиватори, тъй като те подпомагат други белтъци активатори).

 Известни са следните ТF за РНК полимераза II (TFII):

1) TFII D - състои се от ТАТА-свързващ белтък (ТВР) и 8-10 различни ТВР-асоциирани фактори (ТАFs, наричани още коактиватори, тъй като те подпомагат други белтъци активатори). TFII D е единственият ТFII, контактуващ директно с ДНК в ТАТА-участъка.

2) други транскрипционни фактори по реда на тяхното добавяне:

 - TFII В (стабилизира комплекса, който се ориентира по-прецизно в иниициращото място)

 - TFII F (съответства структурно и функционално на  фактора в прокариоти).

 - TFII А (стабилизира комплекса и позволява взаимодействие с активатори).

 - TFII Е (усилва киназната активност на TFII Н.

 -  TFII Н (има киназна активност).

 С добавянето на тези TFII се оформя основният, наричан още преинициационен комплекс (PIC). Размерите му са такива, че той обхваща или покрива около 60 bp (от -30 до +30 спрямо стартовата точка. Този комплекс осъществява основна транскрипция.

13.4.5 Енхансери и силансери в еукариотна ДНК

 Тук спадат участъци, които медиират ефекта на различни сигнали (хормони, топлинен шок, тежки метали и други вещества). Всички тези участъци поради отдалечеността си не контактуват директно с основния комплекс. Те упражняват своя ефект чрез свързване на белтъци (транскрипционни трансактиватори), които пък се свързват с коактиваторите от основния комплекс и увеличават честотата на транскрипция. Сложните взаимодействия на отдалечените контролиращи елементи с основния комплекс, опосредени чрез транскрипционните трансактиватори и коактиватори са възможни поради възникване на огъвания в ДНК.

 Има два модела за образуване на активен инициационен комплекс (фиг. 13-6):

 Според единия модел предварително се образува основният комплекс върху ТАТА-участъка в промотора и след това към TAF коактиваторите се свързват транскрипционни трансактиватори, свързани от друга страна с отдалечени елементи в ДНК, напр. ЦААТ. Огъване в ДНК осигурява тези взаимодействия (фиг. 13-6-1).

 Според другия модел транскрипционните трансактиватори се свързват с отдалечени елементи в ДНК, напр. ЦААТ, и взаимодействат с кофактори от предварително оформен ТВР-основен комплекс, несвързан с ДНК. Новополученият комплекс се прикрепя към ДНК в ТАТА-участъка (фиг. 13-6-2).

 
 

Фиг. 13-6. Два модела за образуване на активен инициационен комплекс в еукариоти.

 1 - Предварително образуване на основен комплекс върху ТАТА-участък в промотора и последващо взаимодействие на трансактиватори, свързани с отдалечения ЦААТ елемент към TAF коактиватори от основния комплекс. Огъването на ДНК прави възможно взаимодействието на отдалечени елементи;

 2 - Транскрипционните трансактиватори се свързват с отдалечени елементи в ДНК, напр. ЦААТ, и взаимодействат с кофактори от предварително оформен ТВР-основен комплекс, несвързан с ДНК. Новополученият комплекс се прикрепя към ДНК в ТАТА-участъка.

13.5 Елонгиране

 Елонгирането се свежда до последователно присъединяване на рибонуклеотиди в посока от 5' към 3'-края, комплементарни на тези от ДНК матрицата (фиг. 13-7). Двойната спирала на ДНК веригата се развива и разтваря на около 20 bp непосредствено преди елонгационния комплекс. Това предполага, че полимеразата действа съвместно с разсукващ ензим. След отминаването на РНК полимеразата, ДНК се затваря. Топоизомераза, следваща полимеразата, предпазва от суперспирализиране. Една и съща матрична верига на даден ген едновременно в различни негови участъци може да се транскрибира от повече от една полимеразна молекула.

 Елонгирането продължава до достигане на сигнал за терминиране.

13.6 Терминиране

 В прокариоти има два начина за прекратяване на транскрипцията: зависимо от белтъчния -фактор терминиране и независимо от -фактор терминиране.

 1) Зависимо от белтъчния -фактор терминиране

 Сигналите за терминиране включват около 80 нуклеотиди преди мястото за спиране. Характерно е наличие на Ц през 12 нуклеотиди.-Факторът е АТФ-зависима ДНК-РНК хеликаза, която разделя ДНК-РНК комплекса. Новополучената РНК се отделя. РНК полимеразата се отделя от ДНК матрицата и може отново да присъедини  фактор за започване на нов транскрипционен цикъл.

 2) Независимо от белтъчния -фактор терминиране

 Сигналите за терминиране се разпознават от РНК полимеразата. Това са консервативни последователности (около 40 bp) в ДНК, съдържащи прекъснат обърнат повтор. Този повтор е богат на Г и Ц бази и предхожда участък, богат на АТ двойки. Първичният транскрипт има структура, позволяваща образуване на фуркетна бримка с по-здрави водородни връзки между Г и Ц. След тази бримка следва участък, богат на урацил. Водородните връзки между базите А в ДНК и У в РНК по-лесно се разкъсват и това води до отделяне на транскрипта от ДНК.

 В еукариоти РНК полимераза I прекратява транскрипцията с помощта на фактор, подобен на  фактора. Не се знае как полимераза III прекратява транскипцията. Известно е, че РНК полимераза II преминава 3'-края на транскрипта. Повечето гени се транскрибират няколко хиляди bp след точката на полиаденилиране. След това РНК ендонуклеаза разкъсва първичния транскрипт в позиция 15 бази преди консенсусна последователност ААУАААА, смятана като сигнал за разкъсване.

13.7 Зреене (следсинтетична обработка) на РНК транскриптите

 Зреенето на РНК предшествениците в еукариоти за всички видове РНК протича предимно в ядрото и е по-сложен процес отколкото при прокариоти.

13.7.1 Зреене на РНК транскрипти в прокариоти

 В прокариоти, където липсва ядро, получените иРНК не се обработват. Те се използват като матрици за белтъчна биосинтеза дори преди да е завършена транскрипцията. Транскрипцията и транслацията в прокариоти не са пространствено разделени.

 Транскриптите (предшествениците) на рРНК и тРНК се обработват до получаване на зрели РНК. Рибозомните РНК 16S рРНК, 23S рРНК, 5S рРНК и някои тРНК се получават от общ 30S предшественик, като ендонуклеази изрязват ненужните разделящи (спейсерни) последователности между тях. Останалите тРНК се получават от други тРНК транскрипти, съдържащи от 2 до 7 тРНК.

13.7.2 Зреене на рРНК транскрипти в еукариоти

 В еукариоти рРНК се обработват по подобен начин, както в прокариоти.

 Три от рРНК (18S рРНК, 28S рРНК и 5.8S рРНК) се получават от общ 45S предшественик (фиг. 13-8). Гените за рРНК са в ядърцето. Във всяка клетка има стотици техни копия. Този голям брой от еднакви гени е необходим, за да се синтезират достатъчно рРНК от всеки вид за образуване на 107 рибозоми във всяка новополучена клетка. Полученият 45S предшественик при отделянето си от ДНК се свързва с белтъци и образува рибонуклеопротеинова частица. Към нея се присъединява и 5S рРНК, получена извън ядърцето от друг ген. Последователностите в 45S предшественика, които ще се превърнат в зрели рРНК, се метилират преди изрязване на ненужните разделящи участъци със специфични ендонуклеази и екзонуклеази. Под тяхното действие се стига до 28S, 5.8S и 18S рРНК.

 5.8S РНК се свързва комплементарно и антипаралелно с участък от 28 S рРНК. Комплексът от 28S рРНК, 5,8S рРНК и 5S рРНК с около 50 рибозомни белтъци оформя голямата субединица на рибозомата (60S). Комплексът от 18S рРНК с около 40 рибозомни белтъци оформя малката субединица на рибозомата (40S).

Фиг. 13-8. Следсинтетична обработка на рРНК в ядърцето и изнасяне на рибонуклеопротеиновите комплекси, които в цитоплазмата образуват двете субединици (40S и 60S на рибозомата (80S).

13.7.3 Зреене на тРНК транскрипти в еукариоти

 Всеки тРНК предшественик съдържа от 2 до 7 тРНК. Специфични рибонуклеази изрязват отделни тРНК предшественици с дължина около 100 нуклеотиди от общия транскрипт, които оформят структура от типа "детелинов лист" (вж глава 3) и биват скъсявани в двата края от екзонуклеази. Някои предшественици съдържат един интрон (10-40 bp) близо до антикодонната бримка. Това налага изрязването му чрез ендонуклеази и правилното съединяване на веригата в областта на антикодонната бримка чрез РНК лигаза. Някои тРНК не съдържат ЦЦА-триплет в 3'-края и той се добавя от тРНК нуклеотидил трансфераза. Част от базите се модифицират, което е необходимо за придобиване на уникална конформация, необходима за тяхната функция. Модифицирането включва метилиране, редукция, дезаминиране и преместване на гликозидни връзки за превръщане на уридин в псевдоуридин.

13.7.4 Зреене на иРНК предшественици в еукариоти

Еукариотните иРНК предшественици са с много по-високо молекулно тегло от зрелите иРНК. Те претърпяват следните операции в процеса на зреене в ядрото:

13.7.4.1 Добавяне на т.н. шапка (вж глава 3)

Някои шапки се състоят само от от 7-метилгуанозин трифосфат, добавен към 5'-края на предшественика чрез 5'-5'-трифосфатна връзка, други имат и допълнителна 2'-метилова група в рибозата на първия нуклеотид в предшественика или още една такава група в рибозата на втория нуклеотид. Шапката е необходима за иницииране на белтъчната биосинтеза и защита на 5'-края на иРНК от 5'-->3'-екзонуклеази.

13.7.4.2 Добавяне на полиаденилова "опашка" в 3'-края (полиА)

Тези "опашки" съдържат 200-300 аденилови нуклеотиди, свързани чрез фосфодиестерни връзки. Предполага се, че "опашката" защитава 3'-края на иРНК от 3'-->5'-екзонуклеази и увеличава стабилността на иРНК. В цитоплазмата опашката бавно се скъсява. Към опашката е прикрепен 78 kDa белтък. Когато опашката намалее дотолкова, че този белтък не може да се задържа повече върху нея, той се отделя и тогава опашката и иРНК се разграждат бързо.

13.7.4.3 Отстраняване на междинни некодиращи последователности (интрони) в гените (сплайсинг)

 В иРНК-предшествениците има екзони (кодиращи последователности за белтъци), които са разпръснати и разделени от интрони (междинни некодиращи последователности). Думата екзон е съкращение от израза "expressed portion of the gene". Отстраняването на интроните и прецизното съединяване на екзоните се нарича сплайсинг (splicing = снаждане) (фиг. 13-9).




Фиг. 13-9. Принцип на механизма за следсинтетична обработка на предшествениците на иРНК чрез сплайсинг (отстраняване на интроните и снаждане на екзоните).

 Различните гени съдържат различен брой интрони - напр. само 2 в -глобиновия ген, но 50 и повече в други белтъци. Известни са консервативни последователности на границата между екзоните и интроните в иРНК предшествениците - обикновено AGGU. Почти всички известни интрони започват с 5'-ГУ и завършват с 3'-АГ (фиг. 13-10).

 Освен това в интрона има друг консервативен участък, наречен разклоняващо място. То е разположено 20-40 нуклеотида преди 3'-края на интрона. В дрожди този участък съдържа УАЦУААЦ, а в бозайници ПиНПиПиПуAПи, където Пи е пиримидинов, Пу - пуринов и Н - кой да е нуклеотид (фиг. 13-10).




Фиг. 13-10. Консервативни последователности на границите между екзони и интрон и в разклоняващото място в интрона ПиНПиПиПуAПи в бозайници, където Пи е пиримидинов, Пу - пуринов и Н - кой да е нуклеотид.

 Структурата, която осигурява снаждане на интроните с голяма точност, се нарича сплайсозома (50-60S). Тя съдържа предшественика на иРНК и 5 малки ядрени рибонуклеопротеини (snRNР, наричани още "snurps") U1, U2, U5, U4-U6. Тези "snurps" съдържат над 50 различни белтъци, а буквата U идва от това, че малките ядрени РНК в тях са богати на урацил. АТФ доставя енергия за точното снаждане.

 Тези малки ядрени рибонуклеопротеини действат като рибозими - разпознават консервативните последователности в интроните, срязват последователно 5'-края и 3'-края на интрона и сближават екзоните за безпогрешно снаждане (фиг. 13-11).

 В този сложен процес U6 действа като централен организатор и молекулярен посредник. Чрез комплементарни взаимодействия U1 се свързва към ГУ в 5'-края на интрона, а U2 в разклоняващото място. U5 благоприятства сближаването на 5'-края, разклоняващото място и 3'-края на интрона, което води до огъване на интрона. U4 се отделя. Предполага се, че двете скъсвания в 5'-края и 3'-края на интрона се катализират от комплекса U2-U6.

 Първо се срязва фосфодиестерната връзка между екзон 1 и интрона. Освобождават се 3'-OH група на екзон 1 и 5'-ОН на интрона. Последната образува необичайна 2'-5'-връзка с А в разклоняващото място, огъвайки интрона като ласо. 3'-ОН група на екзон 1 атакува и разкъсва връзката между интрона и екзон 2, след което екзон 1 и екзон 2 се съединяват. Отделеният интрон се разгражда.

 Ролята на U6 като централен организатор личи от факта, че дрожди с дефект във U6 са нежизнеспособни.

Фиг. 13-11. Следсинтетична обработка на предшественици на иРНК (сплайсинг).

13.7.5 Посттранскрипционно редактиране на иРНК

 Пример за промяна в секвенцията на иРНК след приключване на транскрицията дават аполипопротеини В100 (интегрален белтък в ЛПМНП) и В48 в хиломикроните. АпоВ100 (4536 аминокиселинни остатъка) се синтезира в черния дроб, като генът се експресира 100 %. Същата иРНК се използва в червата, но под действие на цитидин дезаминаза триплетът ЦАА (кодиращ Глн) се превръща в УАА (стоп сигнал) и се получава верига, дълга 48 % от тази в черния дроб.

13.8 Приложение на познанията върху синтеза на РНК в медицината

13.8.1 Инхибитори на РНК синтезата - антибиотици и токсини

 Значението на РНК полимераза за живота се демонстрира от последствията, които се проявяват при нейното инхибиране от антибиотици или токсини .

 Инхибиторите на РНК синтезата са вещества, които се свързват с ДНК или към РНК полимераза. Тези от тях, които инхибират бактериална РНК полимераза, но не засягат синтезата на РНК в еукариоти, се използват като антибиотици.

 Актиномицин D има феноксазинов пръстен, който се вмъква между базите в ДНК и пречи както на репликацията (фиг. 12-16), така и на транскрипцията. Твърде токсичен е за клинична употреба, но се използва експериментално за изучаване на РНК синтезата.

 Рифамицин В и рифампицин (фиг. 13-12) се свързват към бактериална РНК полимераза и пречат на иницииране на транскрипцията на РНК, но не спира елонгирането на вече започнати вериги. Особено важно, е че рифампицин, изолиран от Streptomyces, инхибира РНК полимераза от Mycobacterium tuberculosis, който не е чувствителен към голям брой други често използвани антибиотици [2]. Поради различията между бактериална и човешка РНК полимераза този антибиотик няма висока токсичност за човека. Наред с антиметаболита ниазид, рифампицинът допринася за снижаване на смъртността от туберкулоза в развитите страни. Все още обаче в много страни има ендемични огнища. Особено лесно податливи на тази инфекция са болни от СПИН.

 Стрептолидигин също се свързва към бактериална РНК полимераза, но инхибира елонгирането на РНК вериги.

 Токсинът -аманитин от смъртоносно отровната гъба червена мухоморка (Amanita phalloides) инхибира РНК полимерази II и III от бозайници (вж табл. 13-1) и причинява необратими увреждания на черния дроб и бъбреците [3]. Отравянето протича в два етапа: първоначално има само относително меки гастро-интестинални симптоми. След 48 часа се проявява пълна чернодробна недостатъчност, тъй като важни РНК и кодирани от тях белтъци, се разграждат, а нови не се синтезират.

Фиг. 13-12. Структура на рифамицин В и рифампин, инхибитори на синтезата на РНК.

13.8.2 Алтернативен сплайсинг на иРНК при -таласемии

 В различни тъкани или в различни периоди на развитието сплайсингът може да се извърши по различен начин (алтернативен сплайсинг) и да се получат различни иРНК. Това е един от начините за регулация на генната експресия в клетката. Участието на голям брой белтъци и мяРНК в този процес и неговата многостъпалност позволяват промяна в структурата на РНК. С грешки в сплайсинга се обяснява -таласемия, при която не се образуват нормални -вериги в хемоглобин [4]. Промяна в нуклеотида Г в А на границата между екзон и интрон не позволява отстраняването на интрона и обърква рамката на четене на иРНК при белтъчната синтеза.

13.8.3 Чуплива Х-хромозома

 Заболяването "чуплива Х-хромозома", с честота 1/1250 при мъже и 1/200 при жени, се характеризира с умствено изоставане [5, 6]. Неврологичните симптоми са следствие от инактивиране на гена FMR1, разположен в Х-хромозомата. В 5'-нетранскрибиращия се край на този ген нормално има от около 30 до 200 повтори ЦГГ. В пациенти с това заболяване повторите са много повече - 200 до хиляди, като броят се увеличава от поколение на поколение.

 Наличието на този висок брой повтори индуцира метилиране на ДНК в целия промотор на гена FMR1, а метилираната ДНК е транскрипционно неактивна. Не се синтезира иРНК за FMR1-белтъка. Отсъствието на този белтък е причина за патологичните прояви. FMR1-белтъкът се намира нормално в цитоплазмата на всички тъкани на плода и по-късно, в мозъка му. Смята се, че това е РНК-свързващ белтък, който помага в транслацията на специфични белтъци по време на развитието.