Элонгирующие тройные комплексы: модели структуры
В 1992 г. М. Чамберлин с сотрудниками разработали модель элонгации РНК, в которой постулировалось, что процессы транслокации РНК-полимеразы вдоль ДНК и присоединение нуклеотидов к растущей цепи РНК в активном центре фермента разделены во времени. Это разделение становится возможным благодаря наличию в молекуле РНК-полимераз двух ДНК-связывающих сайтов, каждый из которых перекрывает на матричной ДНК около 10 нуклеотидных пар ( рис. I.8 ). Сайт I локализован в задней по отношению к направлению транскрипции части фермента, а сайт II - в передней. Предполагалось, что эти два сайта могут перемещаться вдоль ДНК в процессе элонгации независимо друг от друга.
В соответствии с предложенной моделью, молекула РНК- полимеразы перемещается вдоль ДНК наподобие гусеницы: когда один из сайтов связывания ДНК фиксирован, другой может двигаться вперед. Растущая цепь РНК удерживается внутри элонгирующего комплекса не 12-нуклеотидным ДНК-РНК-гибридом, а двумя сайтами связывания самой РНК-полимеразы, каждый из которых перекрывает около 10 нуклеотидов матрицы. При этом длина участка РНК, заключенного между сайтами связывания, составляет 30-40 нуклеотидов. Перемещение каталитического центра молекулы РНК- полимеразы сопряжено с движением переднего сайта связывания ДНК II и может происходить независимо от переноса заднего сайта I вперед вдоль РНК-связывающего сайта I во время добавления нуклеотидов к растущей цепи РНК, сопровождаемого заполнением этого сайта ( рис. I.8,б,1 ).
Согласно предложенной модели элонгация цепей РНК представляется в виде циклического процесса. В начале цикла каталитический центр молекулы РНК-полимеразы располагается у задней границы РНК-связывающего сайта I в соответствии с положением 3'-ОН-конца РНК. Последовательно присоединяя нуклеотиды к растущей цепи РНК, каталитический участок перемещается относительно РНК-связывающего сайта I и в конце концов заполняет этот сайт десятью нуклеотидами вновь синтезированного участка РНК ( рис. I.8,б,1 ). Во время этой фазы элонгации ДНК-связывающий сайт I остается фиксированным на ДНК, тогда как ДНК-связывающий сайт II перемещается вперед синхронно с каталитическим участком на десять нуклеотидов. В конце фазы добавления нуклеотидов ДНК- и РНК-связывающие сайты II фиксируются на своих лигандах, а ДНК-связывающий сайт I переносится вперед на десять нуклеотидов в новое фиксированное положение. Это перемещение освобождает РНК-связывающий сайт I, делая его готовым к повторению цикла транслокации.
При дальнейших исследованиях оказалось, что перемещение тройного комплекса вдоль транскрибируемой ДНК не всегда скачкообразно.
Большую часть транскрибируемых ДНК молекулы РНК-полимеразы проходят монотонно, регулярно присоединяя к растущим цепям РНК нуклеотид за нуклеотидом. Прерывистая, скачкообразная элонгация РНК имеет место лишь на участках матричной ДНК, в которых происходит задержка транскрипции или ее прекращение . Встретив препятствие на своем пути в виде специфической последовательности нуклеотидов или белков, ассоциированных с ДНК, молекула РНК- полимеразы в составе тройного комплекса переходит во внутренне напряженное состояние, которое она может разрешить тремя путями: или преодолеть препятствие, переместив свою переднюю границу вперед за пределы препятствия, и продолжить монотонную элонгацию транскрипта, или терминировать транскрипцию ( рис. I.8,б,2 ), или полностью прекратить синтез РНК. В последнем случае каталитический участок фермента смещается назад по отношению к синтезированной РНК и ее 3'-концевой нуклеотид становится недоступным для элонгации ( рис. I.8,б,3 ).
Эндонуклеазное отщепление 3'-концевого фрагмента РНК в комплексе, прекратившем элонгацию, реактивирует транскрипцию. Очищенные РНК-полимеразы, особенно РНК-полимераза II эукариот, из-за частых задержек на матрице в процессе элонгации транскрибируют молекулы ДНК со скоростью, по крайней мере, в 10 раз меньшей, чем in vivo. В этом случае стимулирующее действие на элонгацию оказывают специфические факторы элонгации .
