ძირითადი მასალა

კურსი: ბიოლოგია > თემა 15

გაკვეთილი 2: ტრანსკრიფცია

ეუკარიოტული პრე-ი-რნმ-ის გადამუშავება

5' კეპი და პოლი-A კუდი. სპლაისინგი, ინტრონები და ეგზონები.

საკვანძო საკითხები:

ეუკარიოტულ უჯრედში წარმოქმნილ რნმ-ტრანსკრიპტს პრე-ი-რნმ ეწოდება, სანამ არ გადამუშავდება და მისგან მწიფე საინფორმაციო რნმ (ი-რნმ) არ მიიღება.
რნმ-ტრანსკრიპტს დასაწყისში 5'-კეპი ემატება, ბოლოში კი - 3' პოლი-A კუდი.
სპლაისინგის პროცესში რნმ-ტრანსკრიპტის ზოგი უბანი (ინტრონები) ამოიჭრება, დარჩენილი მონაკვეთები (ეგზონები) კი ისევ ერთმანეთს გადაებმევა.
ზოგი გენის შემთხვევაში შესაძლებელია ალტერნატიული სპლაისინგი, ანუ საწყისი ტრანსკრიპტის სხვადასხვანაირად დაჭრა და მისგან რამდენიმე განსხვავებული მწიფე ი-რნმ-ის მიღება.

შესავალი

წარმოიდგინეთ, რომ წიგნების დამამზადებელ ქარხანას ხელმძღვანელობთ და თქვენი საყვარელი წიგნის ყველა გვერდი ამობეჭდეთ. ფურცლები უკვე გაქვთ, ანუ წიგნიც მზადაა? როგორც წესი, წიგნს წინა და უკანა ყდაც სჭირდება ხოლმე და ისინიც უნდა აიკინძოს. ცარიელი ან ცუდად ამობეჭდილი ფურცლებიც უჯრევია ნაბეჭდში? ალბათ, სჯობს, სანამ წიგნის გაყიდვას დაიწყებდეთ, ჯერ ეს შეამოწმოთ და ცუდი გვერდები ამოაკლოთ, თორემ უკმაყოფილო მომხმარებლები გეყოლებათ.

ეს ყველაფერი საკმაოდ ჰგავს ი-რნმ-ის ტრანსკრიპტების გადამუშავების პროცესს თქვენს უჯრედებში. ადამიანებსა და სხვა ეუკარიოტებში ახლადწარმოქმნილი რნმ-ტრანსკრიპტი (რნმ-პოლიმერაზას „საბეჭდი დაზგიდან" ახლადგამოღებული) ჯერ მზად არაა ფუნქციის შესასრულებლად. მას პრე-ი-რნმ ეწოდება და ჯერ უნდა გადამუშავდეს, რათა მწიფე საინფორმაციო რნმ (ი-რნმ) მივიღოთ და მისი ტრანსლაცია დაიწყოს ცილის წარმოსაქმნელად. ეს პროცესი შემდეგ საფეხურებს მოიცავს:

მოლეკულის ბოლოებზე კეპი და კუდი თანმიმდევრობების დამატებას. ისინი იცავენ ტრანსკრიპტს, წინა და უკანა ყდებივით.
ტრანსკრიპტიდან „უაზრო", უსარგებლო უბნების, ანუ ინტრონების, ამოჭრა. ინტრონები წიგნის ბეჭდვისას მიღებული ცარიელი ან გაფუჭებული გვერდებივითაა. ისინი უნდა ამოიჭრას, რათა წიგნის წაკითხვა შესაძლებელი იყოს.

ამ სტატიაში უფრო დეტალურად განვიხილავთ კეპის, კუდის დამატებასა და სპლაისინგს, ანუ ეუკარიოტული რნმ-ტრანსკრიპტის გადამუშავების საფეხურებს, ვნახავთ, როგორ სრულდება ისინი და რატომაა მნიშვნელოვანი რნმ-ის მიხედვით სწორი ცილის ასაწყობად.

პრე-ი-რნმ-ის გადამუშავების მიმოხილვა ეუკარიოტებში

გავიხსენოთ, რომ გენების ექსპრესია (ანუ გენების „ამოკითხვა" ცილის ან ცილის ნაწილის წარმოსაქმნელად) ცოტა განსხვავებულად მიმდინარეობს ბაქტერიებსა და ეუკარიოტებში, მაგალითად ადამიანებში.

ბაქტერიებში რნმ-ტრანსკრიპტი წარმოქმნისთანავე მზა საინფორმაციო რნმ-ია და შესაძლებელია, მისი ტრანსლაცია და ცილის აწყობა მაშინვე დაიწყოს. ეუკარიოტებში ყველაფერი ცოტა უფრო რთული, თუმცა საინტერესოა. თქვენს რომელიმე (ეუკარიოტულ) უჯრედში ტრანსკრიფციის შედეგად წარმოქმნილ მოლეკულას პრე-ი-რნმ ჰქვია, რაც იმას ნიშნავს, რომ იგი ჯერ კიდევ გადამუშავებას საჭიროებს მწიფე, საბოლოო საინფორმაციო რნმ-ის (ი-რნმ) მისაღებად. ეს შემდეგ საფეხურებს მოიცავს:

რნმ-ის მოლეკულის დასაწყისში 5'-კეპის დამატება
მოლეკულის ბოლოზე პოლი-A კუდის (A ნუკლეოტიდებისგან შემდგარი თანმიმდევრობის) დამატება.
ინტრონების, ანუ „უაზრო" თანმიმდევრობების, ამოჭრა და დარჩენილი, კარგი თანმიმდევრობების (ეგზონების) შეწებება

ამ საფეხურების დასრულების შემდეგ მწიფე ი-რნმ მიიღება. იგი ბირთვიდან გარეთ გადის და ცილის ასაწყობად გამოიყენება.

5'-კეპი და პოლი-A კუდი

პრე-ი-რნმ-ის ორივე ბოლო ქიმიური ჯგუფების დამატებით მოდიფიცირდება. დასაწყისში (5' ბოლოზე) დამატებულ ჯგუფს კეპი ეწოდება, ბოლოში (3' ბოლოზე) დამატებულს კი - კუდი. კეპი და კუდი იცავენ ტრანსკრიპტს და ეხმარებიან მას ბირთვიდან გასვლასა და ციტოზოლის რიბოსომებზე (ცილის ამწყობი „დაზგები") ტრანსლაციაში.

5'-კეპი ტრანსკრიპტის პირველ ნუკლეოტიდს ემატება ტრანსკრიფციის დროს. ეს კეპი მოდიფიცირებული, ანუ სახეცვლილი, გუანინია (გ) და იგი ტრანსკრიპტს დაშლისგან იცავს. მისი დახმარებით რიბოსომასაც უადვილდება ი-რნმ-სთან დაკავშირება და მისი ამოკითხვის დაწყება ცილის წარმოსაქმნელად.

როგორ ემატება ტრანსკრიპტს პოლი-A კუდი? რნმ-ის 3' ბოლო ცოტა უცნაურად ყალიბდება. ტრანსკრიფციის დროს რნმ-ის მოლეკულაში ე.წ. პოლიადენილაციის სიგნალის გამოჩენის შემდეგ, ფერმენტი რნმ-ის იმ ადგილას ორად ხლეჩს. მეორე ფერმენტი დაახლოებით

100

-

200

ადენინს (ა) ამატებს მოჭრილ ბოლოზე და პოლი-ა კუდს წარმოქმნის. კუდი ტრანსკრიპტს მეტ სტაბილურობას ანიჭებს და ეხმარება მას ბირთვიდან ციტოპლაზმაში გასვლაში.

რნმ-ს სპლაისინგი

რნმ-ის გადამუშავების მესამე დიდი საფეხურია მისი სპლაისინგი (ინგლ. splice - გადაბმა). რნმ-ის სპლაისინგი ნიშნავს მისი განსაზღვრული ნაწილების, ინტრონების, ამოცნობასა და ამოჭრას სპეციალური ცილა-რნმ კომპლექსის, სპლაისოსომის, მიერ. ინტრონები „უაზრო" თანმიმდევრობებია, რომლებიც უნდა ამოიჭრას და დარჩენილი „აზრიანი", ანუ მაკოდირებელი, მონაკვეთები ერთმანეთს გადაებას.

და რა არის ეს „აზრიანი მონაკვეთები"? რნმ-ის ტრანსკრიპტის იმ უბნებს, რომლებიც არ ამოიჭრება, ეგზონები ეწოდება. ეგზონებს სპლაისოსომა ისევ ერთმანეთზე აწებებს და შედეგად მიღებული საბოლოო, მწიფე ი-რნმ ბირთვიდან გაიტანება.

აქ მთავარი ისაა, რომ გენში მხოლოდ ეგზონები აკოდირებენ ცილას. ინტრონები ცილის ასაწყობად საჭირო ინფორმაციას არ შეიცავენ და მეტიც, აუცილებლად უნდა ამოიჭრან, რათა სწორი თანმიმდევრობის ი-რნმ მივიღოთ და სწორი ცილა აიწყოს მისგან. თუ სპლაისოსომამ ინტრონი ვერ ამოჭრა, წარმოიქმნება მწიფე ი-რნმ შიგ „უაზრო" მონაკვეთით და ტრანსლაციის დროსაც არასწორი ცილა აიწყობა.

სპლაისინგი ზუსტად და გულდასმით უნდა შესრულდეს. ამოჭრასა და შეწებებას სპლაისოსომა უზრუნველყოფს, ფერმენტული კომპლექსი, რომელიც ცილისა და პატარა რნმ-ებისგან შედგება. ინტრონების უმრავლესობა ორივე ბოლოზე მარკერ, ანუ მომნიშნავ, თანმიმდევრობებს შეიცავს. მათ პატარა რნმ-ები ამოიცნობენ და სპლაისოსომას აცნობებენ, რომ ინტრონი ამოსაჭრელია. ამოჭრის შემდეგ სპლაისოსომა მეზობელ ეგზონებს ისევ ერთმანეთს „შეაწებებს" (ლიგაცია).

ალტერნატიული სპლაისინგი

რატომაა საჭირო სპლაისინგი? ზუსტად არ ვიცით, რატომ არსებობს იგი და, ერთი მხრივ, ზედმეტ თავის ტკივილსა და ფუჭ პროცესს ჰგავს, თუმცა მისი მეშვეობით ხერხდება ალტერნატიული სპლაისინგი, რომელიც გულისხმობს ერთისა და იმავე გენიდან ერთზე მეტი ი-რნმ-ის წარმოქმნას. ამის მეშვეობით ჩვენ (და სხვა ეუკარიოტებს) „ჩუმ-ჩუმად" რამდენიმე სხვადასხვა ცილის კოდირება შეგვიძლია ჩვენი დნმ-ის ერთ გენში.

ალტერნატიული სპლაისინგის დროს ერთი პრე-ი-რნმ ორნაირად (ან ზოგჯერ ორზე მეტი გზით) იჭრება. მაგალითად, ქვედა დიაგრამაზე ჩანს, რომ ერთი და იგივე პრე-ი-რნმ სამნაირად შეიძლება, დაიჭრას, იმის მიხედვით, თუ რომელი ეგზონი ამოიჭრება და რომელი - დარჩება. შედეგად სამნაირი მწიფე ი-რნმ წარმოიქმნება და თითოეული მათგანის ტრანსლაციით სხვადასხვანაირი სტრუქტურის მქონე ცილა მიიღება.

_სურათის წყარო:"დნმ, ალტერნატიული სპლაისინგი," მფლობელი National Human Genome Research Institute (საჯარო დომენი)._

ძალიან კარგი კითხვაა! ბიოლოგებსაც უნდათ, პასუხი იცოდნენ. საბოლოოდ მაინც არ ვიცით, რატომაა ინტრონები და სპლაისინგი ასე ფართოდ გავრცელებული ეუკარიოტებში.

ერთი ახსნა ისაა, რომ სპლაისინგი ალტერნატიული სპლაისინგის საშუალებას იძლევა, რაც ყველა ეუკარიოტისთვის მნიშვნელოვანია (ერთი გენის მიხედვით რამდენიმე ცილის აწყობა). ინტრონები ხანდახან მარეგულირებელ თანმიმდევრობებს შეიცავს, რომლებიც აკონტროლებენ გენის ექსპრესიას (ანუ ზოგჯერ მთლად „უსარგებლონიც" არ არიან)

^{2}

. ზოგჯერ პატარა რნმ-ები, რომლებიც გენის ექსპრესიას არეგულირებენ, ამოჭრილი ინტრონებიდან მიიღება

^{3}

. ეგზონებისა და ინტრონების არსებობა აადვილებს ახალი გენებისა და ალელების წარმოქმნას მუტაციებით, რომლებიც ურევენ და აკავშირებენ გენების სეგმენტებს, რასაც შეიძლება ევოლუციური უპირატესობა ჰქონდეს ორგანიზმებისთვის

^{2, 4}

თქვენ თვითონ სცადეთ: შეტყობინების სპლაისინგი

თქვენ ასეთი რამ გევალებათ, თუკი თანახმა ხართ: გაშიფრეთ ქვემოთ მოყვანილი გასაიდუმლოებული შეტყობინება. ჯერ „უაზრო" ასოები ამოაკელით (იისფერი, ხაზგასმული), შემდეგ კი დარჩენილი ასოები სამ-სამად დააჯგუფეთ მარცხნიდან მარჯვნივ.

THEDOGR

\underset{―}{AMAPQ}

ANANDA

\underset{―}{ZAPTQM}

TETHEHAT

სცადეთ გაშიფრვა?

თუ იისფერ მონაკვეთებს ამოაკლებთ, დაგრჩებათ ასოების შემდეგი თანმიმდევრობა:
თუ დარჩენილ ასოებს სამ-სამად დააჯგუფებთ, შემდეგ შეტყობინებას მიიღებთ:

თქვენი უჯრედები გენების ექსპრესიის დროს, ფაქტობრივად, იგივეს აკეთებენ, რასაც ახლა თქვენ. როგორც ზემოთ ვთქვით, ეუკარიოტული პრე-ი-რნმ-ების უმრავლესობა „უაზრო" თანმიმდევრობებს, ანუ ინტრონებს, შეიცავს - როგორც იისფერი ასოები ამ შეტყობინებაში. ეს თანმიმდევრობები უნდა ამოიჭრას, აზრიანი მონაკვეთები (ეგზონები - ჩვენი შრტყობინების ვარდისფერი ასოები) ისევ უნდა შეწებდეს, რათა მწიფე ი-რნმ მივიღოთ.

ტრანსლაციის დროს ი-რნმ-ის თანმიმდევრობა სამ-სამ ნუკლეოტიდად ამოიკითხება. თითოეული სამასოიანი „სიტყვა" იმ ამინომჟავას შეესაბამება, რომელიც პოლიპეპტიდს (ცილას ან ცილის სუბერთეულს) უნდა დაემატოს. თუ რნმ არ დაიჭრა, მასში ზედმეტი ნუკლეოტიდები დარჩება და და ცილის ინსტრუქციაც არასწორი იქნება. თუ შეტყობინების გაშიფრვას იისფერი ასოების ამოკლების გარეშე ვეცდებით, რაღაც მსგავსი მოხდება:

THE DOG R

\underset{―}{AM APQ}

ANA NDA

\underset{―}{ZAP TQM}

TET HEH AT

ზუსტად ისე, როგორც იისფერი ასოების ამოკლებაა მთავარი შეტყობინების სწორად გასაშიფრად, სპლაისინგიც მნიშვნელოვანი პროცესია, რათა სწორი ინფორმაციის მატარებელი ი-რნმ მივიღოთ (და მის მიხედვით სწორი პოლიპეპტიდი აიწყოს).

აი, პრე-ი-რნმ-ის თანმიმდევრობა, რომელშიც ეგზონები მუქ ვარდისფრადაა გაფერადებული, ერთი ინტრონი კი - იისფრად და ხაზგასმულია:

5’- … AUGCACUAU

\underset{―}{GUAUGUGCCUUUUUGUGCUGUG}

GAAGCGUAA … -3’

თუ პრე-რნმ სწორად აიჭრა, მწიფე ი-რნმ-ის ნუკლეოტიდების სამ-სამად ამოკითხვისას ქვემოთ მოყვანილი პოლიპეპტიდი მიიღება:

5’- … AUG CAC UAU

GAA GCG UAA … -3’

Met - His - Tyr - Glu - Ala - სტოპ

თუ ინტრონი არ ამოიჭრა პრე-ი-რნმ-იდან, არასწორი ი-რნმ მიიღება, ზედმეტი ნუკლეოტიდებით. მათი სამ-სამად ამოკითხვისას კი არასწორი ამინომჟავური თანმიმდევრობის მქონე პოლიპეპტიდი აიწყობა, როგორც ქვემოთ ხედავთ. მასში ზედმეტი ამინომჟავებია და მეორე ეგზონის მიერ კოდირებული ამინომჟავები საერთოდ არაა (რადგან ინტრონმა წაკითხვის ჩარჩოს გადანაცვლება გამოიწვია):

5’- … AUG CAC UAU

\underset{―}{GUA UGU GCC UUU UUG UGC UGU G}

GA AGC GUA A … -3’

Met - His - Tyr - Val - Cys - Ala - Phe - Leu - Cys - Cys - Gly - Ser - Val …

ნუკლეოტიდების სამეულებსა და მათ მიერ კოდირებულ ამინომჟავებს შორის ზემოთ მოყვანილი ურთიერთდამოკიდებულება იხილეთ გენეტიკური კოდის ცხრილში:

ინტრონების სახეცვლილი თანმიმდევრობა აღებულია მასალიდან ბორდინისა და კოლეგების ავტორობით.

^{4}

სტატია ვრცელდება ლიცენზიით: CC BY-NC-SA 4,0.

ციტირებული შრომები:

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Alteration of mRNA ends. In Campbell biology (10th ed., p. 342-343). San Francisco, CA: Pearson.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The functional and evolutionary importance of introns. In Campbell biology (10th ed., p. 344). San Francisco, CA: Pearson.
Keren, H., Lev-Maor, G., and Ast, G. (2010). Alternative splicing and evolution: diversification, exon definition and function. Nature Reviews Genetics, 11, 345-355. http://dx.doi.org/10,1038/nrg2776. წყარო https://www.tau.ac.il/~gilast/PAPERS/nrg2776.pdf.
Standage, D. (8 აპრილი, 2012). Why do eukaryotic organisms have introns in their DNA? [Answer] In Biology stack exchange. წყარო http://biology.stackexchange.com/questions/1724/why-do-eukaryotic-organisms-have-introns-in-their-dna.
Bourdin, C. M., Moignot, B., Wang, L., Murillo, L., Juchaux, M., Quinchard, S., Lapied, B., Guérineau, N. C., Dong, K., and Legros, C. (2013). Intron retention in mRNA encoding ancillary subunit of insect voltage-gated sodium channel modulates channel expression, gating regulation and drug sensitivity. PLoS ONE, 8(8), e67290. http://dx.doi.org/10,1371/journal.pone.0067290.

დამატებითი ბიბლიოგრაფია:

3'-end cleavage and polyadenylation. (2016). In Nobelprize.org. წყარო http://www.nobelprize.org/educational/medicine/dna/a/splicing/splicing_endformation.html.

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., and Walter, P. (2002). Posttranscriptional controls. In Molecular biology of the cell (4th ed.). New York, NY: Garland Science. წყარო http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26890/.

ინტრონი/ინტრონები. (2014). In Scitable. წყარო: http://www.nature.com/scitable/definition/intron-introns-67.

Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D., and Darnell, J. (2000). Processing of eukaryotic mRNA. In Molecular cell biology (4th ed., section 11,2). New York, NY: W. H. Freeman. წყარო http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21563/.

Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D., and Darnell, J. (2000). Transcription termination. In Molecular cell biology (4th ed., section 11,1). New York, NY: W. H. Freeman. წყარო http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21601/.

Polyadenylation. (24 იანვარი, 2016). მოძიების თარიღი და ადგილია 11 თებერვალი, 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Polyadenylation.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). Genes and how they work. In Biology (10th ed., AP ed., pp. 278-303). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Eukaryotic cells modify RNA after transcription . In Campbell biology (10th ed., p. 342-345). San Francisco, CA: Pearson.

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

შესვლა

დავალაგოთ:

პოსტები ჯერ არ არის.

გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.