рРНК-Гены: транскрипция, общая характеристика
У белков, имеющих одну копию гена, и имеющих наибольшую скорость синтеза, (напр. миоглобин) за один оборот клеточного цикла на каждую молекулу мРНК приходится более 10000 молекул белка. Между тем растущие клетки за один оборот клеточного цикла должны синтезировать по 10 млн. молекул рибосомной РНК каждого типа, чтобы можно было осуществить сборку 10 млн. рибосом, присутствующих в каждой клетке. Следует учесть, что здесь нет стадии трансляции, на которой могло бы произойти резкое увеличение выхода продукции, поскольку рРНК является конечным продуктом данных генов. В этом случае синтез необходимого числа молекул рРНК обеспечивается тем, что гены, кодирующие эти РНК, (гены рРНК), представлены в геноме клетки большим числом копий ( Miller O.L., 1981 ; Long ea, 1980 ).
У животных рибосомные гены составляют около одного процента от общего числа активных генов, транскрипция рДНК соответствует 30- 40% от общего объема клеточной транскрипции ( Moss и Stefanovsky, 1995 -- обзор). На примере дрожжей, дрозофилы и ряда других организмов было многократно продемонстрировано, что достаточная копийность и уровень транскрипции рибосомных генов являются критическими для нормального роста и развития (обзоры -- Larson и сотр., 1991 , Moss и Stefanovsky ). Так, например, особи дрозофилы, несущие мутации, инактивирующие часть рибосомных генов, имеют меньший размер, причем степень такого уменьшения зависит от числа инактивированных рибосомных генов ( Tarof и Hawley, 1992 ). Мутации становятся летальными, если число интактных рибосомных генов на гаплоидный геном дрозофилы падает ниже 20.
Рибосомные гены могут транскрибироваться с очень высокой интенсивностью, чему способствует наличие нескольких энхансерных последовательностей при каждом гене ( Moss, 1983 , Reeder, 1984 ). Продукты транскрипции рибосомных генов являются стабильными и, в отличие от рибосомных белков и 5S рРНК, не подвергаются значительной посттранскрипционной деградации ( Leibhaber и сотр., 1978 ). Ключевым фактором, определяющим уровень рРНК в клетке и, следовательно, скорость синтеза рибосом и уровень общего синтеза белка , является уровень транскрипции рибосомных генов РНК-полимеразой I .
В целом ряде работ было показано, что транскрипция рибосомных генов является лимитирующей стадией синтеза рибосом (обзоры -- Larson и сотр., 1991 , Moss и Stefanovsky, 1995 ). Более того, внутриклеточный контроль синтеза рибосом осуществляется за счет регуляции транскрипции рибосомных генов, тогда как регуляция производства других рибосомных компонентов (белков и 5S рРНК) является, как правило, пост-транскрипционной. Использование пула мРНК рибосомных белков и самих белков зависит от наличия свободных рибосомных РНК, причем избыточные рибосомные белки и соответствующие мРНК подвергаются деградации ( Zahradka и сотр., 1991 , Mager и Planta, 1991 , Presutti и сотр., 1991 ). Таким образом, регуляция транскрипции рибосомных генов является ключевым звеном в регуляции общего уровня синтеза белка в клетке.
Гаплоидные клетки человека содержат около 200 генов рРНК, которые распределены в виде небольших кластеров по пяти хромосомам. Множественные копии высококонсервативных генов рРНК в любой хромосоме расположены в виде серии тандемных повторов, отделенных друг от друга нетранскрибируемым участком ДНК, который называется спейсером. В этих активно транскрибируемых участках ДНК плотно упакованы молекулы РНК-полимеразы и ассоциированные с ними новообразованные транскрипты (на один ген их приходится до 100 и более); они веером расходятся от нити ДНК, и вследствие этого вся структура приобретает вид "елочки". Верхушка каждой такой елочки представляет собой точку инициации транскрипции; конец же гена рРНК четко определяется по нижней границе "кроны".
Гены 18S-, 28S- и 5,8S-РНК рибосом транскрибируются РНК-полимеразой I . Единственная 5S-РНК большой рибосомальной субъединицы транскрибируется отдельно от других рРНК РНК-полимеразой III .
Скорость общего синтеза белка в клетке определяется в значительной мере общим количеством рибосом , доступных для взаимодействия с мРНК и, следовательно, скоростью синтеза рибосом. Эукариотическая рибосома состоит из двух субъединиц, малой и большой, в состав которых входят около 80 белков и четыре рибосомных РНК ( рРНК ). Так называемые рибосомные гены кодируют три наиболее крупных рРНК -- 18S рРНК малой субъединицы, 5.8S и 28S рРНК большой субъединицы.
Рибосомные гены транскрибируются в виде единого полицистронного транскрипта, который затем расщепляется с образованием зрелых рРНК.
У прокариот 5S рРНК является частью данного полицистронного транскрипта, однако, у эукариот она кодируется отдельным геном.
Транскрипция эукариотических рибосомных генов осуществляется РНК-полимеразой I и происходит в ядрышках . Синтезируемый предшественник рРНК не подвергается ни кэпированию ни полиаденилированию. Установлено, что формирование ядрышек непосредственно связано с транскрипцией рибосомных генов ( Oaks и сотр., 1993 ). Сформировавшись, ядрышки становятся местом транспорта рибосомных белков и малых ядерных рибонуклеопротеинов ( мяРНП ). Хорошо видимая "гранулярная" зона в ядрышках содержит частично собранные рибосомы.
