Синтез мРНК: пространственная организация
Синтез РНК (или транскрипция ДНК) - высоко селективный процесс: в большинстве клеток млекопитающих только около 1% нуклеотидной последовательности ДНК копируется в функциональные последовательности РНК (зрелые матричные РНК или структурные РНК ). Эта селективность достигается на двух уровнях:
1) Только часть последовательности ДНК транскрибируется с образованием ядерных РНК;
2) Только меньшая часть последовательности ядерных РНК преодолеет этапы процессинга РНК, которые предшествуют экспорту молекул РНК в цитоплазму.
Внутриядерный синтез мРНК и доставка зрелых транскриптов к месту их трансляции требуют участия множества сбалансированных во времени, пространственно организованных молекулярных механизмов.
Аппарат транскрипции, участвующий в синтезе пре-мРНК, ассоциирован с перихроматиновыми фибриллами, обнаруживаемыми на границах доменов конденсированного хроматина. Фибриллы представляют собой ядерные рибонуклеопротеиновые комплексы диаметром 3-20 нм. Они включают в себя растущие цепи пре-мРНК, и плотность фибрилл коррелирует с транскрипционной активностью соответствующих участков хроматина. С помощью иммунохимических методов обнаружены компоненты аппарата сплайсинга, который удаляет интроны из предшественников мРНК одновременно с элонгацией транскриптов.
В опытах по внутриядерной локализации мест синтеза специфических транскриптов с использованием импульсной радиоактивной или флуоресцентной меток такие РНК были обнаружены в виде "треков" или более компактных "точек" в одном или двух дискретных участках ядра, что соответствует копиям соответствующих генов на гомологичных хромосомах. При этом с использованием одновременной гибридизации ДНК и РНК было показано, что транскрибируемые гены расположены прямо в треках или точках на одном из концов трека. Зонды, специфичные в отношении последовательностей интронов, метят треки только вблизи гена, указывая на то, что сплайсинг происходит вдоль этого следа РНК.
Треки РНК тесно ассоциированы с дискретными внутриядерными структурами, называемыми межхроматиновыми гранулами , или спеклами .
После завершения синтеза и объединения с компонентами аппарата сплайсинга, формирующими сплайсомы , пре-мРНК переносится к ядерной оболочке и выходит в цитоплазму через поры в ядерной оболочке, входящие в состав ядерного порового комплекса (NPC) . NPC является постоянно существующим микрокомпартментом, однозначно идентифицируемым с помощью микроскопических, генетических и биохимических методов.
Во время внутриядерного транспорта молекулы РНК объединяются с другими белками, участвующими в их процессинге, образуя гетерогенные ядерные рибонуклеопротеиновые комплексы (гяРНП) , в которых пространственная структура пре-мРНК оптимизирована для ее созревания. Ядерный матрикс, получаемый в результате удаления из ядер большей части хроматина, все еще содержит пре-мРНК, гяРНП и некоторые компоненты аппарата сплайсинга. Это может указывать на внутриядерную избыточность гяРНП и их роль в формировании пространственной структуры ядер. Для гяРНП характерно диффузное распределение в нуклеоплазме, однако часть из них может концентрироваться в окрестностях спеклов и даже следовать за РНК из ядра в цитоплазму и вновь возвращаться в ядра вместе с транскриптами.
Процесс перемещения специфических пре-мРНК от генов в цитоплазму клеток был исследован в случае экспорта частиц пре- мРНП колец Бальбиани комара Chironomus tentans, экспрессирующиеся гены которых находятся в составе гигантских пуффов политенных хромосом слюнных желез. Крупные транскрипты этих пуффов во время элонгации упаковываются в гяРНП в виде тонких фибрилл, которые по мере удлинения пре-мРНК становятся толще и изгибаются с образованием кольцеобразных структур. Зрелые гранулы пре-мРНП, заключающие в себе РНК, претерпевшую сплайсинг, движутся в нуклеоплазме к ядерной оболочке, где задерживаются вблизи ядерных пор. В это время они приобретают форму палочек, которые проходят через ядерные поры, начиная с 5'-конца заключенной в них РНК. Как только пре-мРНК появляются на поверхности цитоплазматической части ядерной мембраны, они объединяются с рибосомами. На протяжении всей этой цепи событий РНК находится в составе пространственно упорядоченных РНП-частиц .
Перемещение РНК от гена к ядерной мембране не является простой диффузией, этому противоречат факты тесной ассоциации транскриптов, гяРНП и компонентов аппарата сплайсинга с ядерным матриксом. В ряде случаев находит подтверждение гипотеза ядерной фиксации генов (gene gating model), предложенная Г. Блобелом (1985 г.), в соответствии с которой конкретные гены функционально связаны с определенными участками (и порами) ядерной мембраны, что направляет их транскрипты для экспорта в цитоплазму к этим конкретным участкам. Однако такое правило подтверждается не всегда. В частности, РНК коллагена обнаруживают распределенной вдоль всей ядерной мембраны, что указывает на ее выход в цитоплазму через многие ядерные поры.
Для рассмотренных выше структур, образование которых сопровождает синтез, процессинг и экспорт РНК из ядра в цитоплазму, характерен динамизм - отдельные их компоненты могут перемещаться между микрокомпартментами. Синтез, процессинг и транспорт РНК в ядре происходят в составе дискретных компартментов нуклеоплазмы, что позволяет концентрировать регуляторные, структурные и ферментативные компоненты транскрипции и сплайсинга в местах активно экспрессирующихся генов. Все этапы сплайсинга можно воспроизвести в разбавленных растворах in vitro при концентрации белка около 1 мкг/мл. Однако скорость этих реакций в таких системах значительно ниже наблюдаемой in vivo, где внутриядерная концентрация РНП превышает 50 мг/мл. Кроме того, пространственно упорядоченная организация ранних этапов экспрессии генов создает необходимые условия и дополнительные уникальные возможности для ее регуляции, что было бы невозможно в случае свободной диффузии компонентов этой системы.
