Механизмы инициации транскрипции у бактерий: введение
Транскрипция является первой стадией экспрессии генетического материала в клетках всех организмов. Именно на уровне транскрипции действуют основные механизмы генетической регуляции. Главным ферментом, осуществляющим транскрипцию, является РНК-полимераза (РНКП) - сложная молекулярная машина, обладающая многими каталитическими активностями и способная к разнообразным структурным перестройкам. Структура РНКП и механизм синтеза РНК высоко консервативны у всех организмов, от бактерий до человека. РНКП бактерий имеет наиболее простое строение и может служить удобной моделью для изучения механизмов транскрипции с применением самых современных методов молекулярной биологии.
Наиболее сложной и жестко регулируемой стадией транскрипции является стадия инициации. Инициация транскрипции происходит в специфических участках ДНК - промоторах , - и сама состоит из нескольких стадий. В отличие от ДНК-полимераз , РНКП способна самостоятельно осуществлять инициацию и начинать синтез РНК в отсутствие затравки.
В ходе инициации РНКП должна:
- узнать промотор;
- расплавить цепи ДНК вокруг стартовой точки транскрипции;
- связать инициаторные нуклеотиды и начать синтез РНК;
- разорвать контакты с промотором и перейти к продуктивному синтезу РНК - элонгации транскрипции.
Детальный молекулярный механизм инициации транскрипции и механизмы структурных превращений РНКП, происходящих на разных стадиях инициации, во многом остаются неизвестными. Расшифровка данного механизма является одной из фундаментальных задач молекулярной биологии. У бактерий все стадии инициации осуществляются холоферментом РНКП , состоящим из кор-фермента (субъединичный состав альфа2бетабета'омега) и фактора инициации - сигма-субъединицы , которая диссоциирует при переходе к элонгации транскрипции. Одной из основных функций сигма-субъединицы является узнавание промоторов и плавление ДНК в районе стартовой точки транскрипции. Появились данные, показывающие, что сигма-субъединица может также играть активную роль на последующих стадиях инициации, в том числе, в процессах инициации синтеза РНК и ухода РНКП с промотора. Таким образом, сигма-субъединица является одним из основных регуляторов транскрипции, действующим на всех стадиях инициации.
Анализ функций сигма-субъединицы представляет огромный интерес для понимания механизма транскрипции в целом и основных принципов транскрипционной регуляции.
Анализ трехмерной структуры РНКП, проведенный для РНКП термофильных бактерий Thermus aquaticus и Thermus thermophilus , позволил создать структурные модели промоторного и элонгационного комплексов . Предложенные модели, хотя и не дают исчерпывающей информации о механизмах структурных превращений РНКП на разных стадиях синтеза РНК, позволяют предположить функции различных участков фермента и могут являться основой для расшифровки детального молекулярного механизма транскрипции. Наличие структурных моделей транскрипционных комплексов открывает возможности для исследований конформационной подвижности РНКП на всех стадиях транскрипции, начиная от взаимодействия сигма- субъединицы с кор-ферментом, узнавания и плавления промоторов до структурных перестроек транскрипционного комплекса в ходе инициации транскрипции и механизмов катализа в активном центре РНКП.
Термофильные бактерии являются исключительно интересной моделью для изучения механизмов транскрипции и структурной подвижности РНКП, поскольку, при сохранении консервативного механизма транскрипции, они приобрели особенности, связанные с адаптацией к высоким температурам. В частности, РНКП термофилов обладают повышенной жесткостью структуры и сниженной конформационной подвижностью, обеспечивающей термостабильность. Сравнение транскрипционных свойств РНКП термофильных и мезофильных бактерий дает уникальную возможность для поиска функционально-важных участков РНКП, задействованных в узнавании промоторов и в катализе и обеспечивающих адаптивные различия между различными группами бактерий.
Понимание детального механизма транскрипции представляет не только фундаментальный интерес, но имеет и важнейшее практическое значение, поскольку многие заболевания человека связаны с нарушениями процессов инициации и элонгации транскрипции. Кроме того, анализ механизма транскрипции необходим для разработки новых методов подавления активности РНКП, получения новых ингибиторов фермента и антибиотиков, которые могут найти применение в терапии многих инфекционных заболеваний.
