Е.В. Зуева

Казахский Национальный Университет им. аль-Фараби,

г. Алматы, Казахстан

Базовый механизм регуляции транскрипции

С современным темпом ускоренного развития информационных систем, достижения этой области начинают использовать во многих отраслях научных исследований, как в космических проектах, так и в исследованиях связанными с молекулярной физикой. Но одним из основных объектов изучения, все-таки является человек, его происхождение, его генетический код, все процессы, происходящие в нем на клеточном уровне.

Одним из основных процессов, протекающих внутри организма человека, являются процессы, происходящие на клеточном уровне, такой как реализация и передача генетической информации, а точнее сам процесс транскрипции.

Известно, что хранение информации – генетическая информация закодированная в последовательность нуклеотидов ДНК (DNA), организованных в функциональные участки, называемые генами (РНК (RNA) как носитель генетической информации используется только некоторыми вирусами).

Описание метода транскрипции

Для экспрессии гена, т.е. синтеза закодированных в нем белков, последовательности нуклеотидов кодирующей цепи ДНК должна быть трансформирована в аминокислотную последовательность. Поскольку ДНК не принимает непосредственного участия в синтезе белка, информация, хранящаяся в ядре, должна быть перенесена на рибосомы, где собственно и осуществляется синтез белков. Для этого соответствующий участок кодирующей цепи ДНК считывается (транскрибируется) с образованием гетерогенной ядерной РНК, т.е. последовательность этой РНК комплиментарна кодирующей цепи ДНК. Поскольку в РНК вместо тимина содержится урацил. Иными словами, транскрипция - это процесс переноса генетической информации с ДНК на РНК.

«Перевод» кода ДНК в структуру белка начинается с того, что фермент РНК-полимераза узнает «стартовую» последовательность оснований в ДНК (такой триплет называется промотор) и связывается с ней, делая доступным для взаимодействия обе составляющие ее цепи, и делит ДНК пополам. Затем происходит транскрипция одной из ее цепей – ее «переписывание» в нуклеотидную последовательность мРНК. По мере продвижения полимеразы вдоль молекулы ДНК образуется одноцепочная мРНК согласно закону комплиментарности. После стартовой последовательности (промотора) каждые три нуклеотида отсчитываются как один кодон. РНК-полимераза движется вдоль цепи РНК до тех пор, пока не встретит последовательность нуклеотидов, называемую терминатором транскрипции. Тогда фермент отделяется от транскрибированной цепи ДНК и происходит восстановление структуры двойной спирали. Синтезированная мРНК тоже отделяется.

Молекулы мРНК относительно не велики и копируют не всю цепь ДНК, а отдельные ее участки – гены. В отличии от ДНК стабильно сохраняющейся в клетке, мРНК довольно быстро распадаются (максимум через несколько дней у высших животных). Это важно, поскольку дает возможность остановить синтез определенных белков, когда в клетке он больше не нужен.

Рис 1. Механизм транскрипции

Таблица 1. Комплиментарность между основаниями ДНК и мРНК

Основание ДНК	Основание мРНК
А (аденин)	У (Урацил)
Г (гуанин)	Ц (цитозин)
Т (тимин)	А (аденин)
Ц (цитозин)	Г (гуанин)

Описание базового механизма

Понимание самого главного базового механизма, поможет понять основу взаимодействия ДНК и мРНК, передачу информации, так же поможет для дальнейшего моделирования системы передачи генной информации, возможность поиска новых решений для разработки новых лекарств.

Рассмотрим один из вариантов проектирования данного механизма.

Т.к. переход от ДНК к мРНК происходит только на одной цепи, то мы можем рассматривать только одну последовательность оснований нити ДНК (например, в качестве строки, такой как «(промотор) АТГТЦГТ… (терминатор)»). Возьмем функцию, которая будет считывать строку с начала (от промотора) по тройкам (триплетам), и составлять соответствующую строку мРНК согласно комплиментарности. В итоге мы должны получить выходную строку, соответствующую последовательности нити РНК.

Это будет выглядеть примерно так:

ДНК

Рис 2. Структура механизма транскрипции

Для удобства хранения информации, можем хранить наши полученные триплеты в структуре (или в базе данных, для сохранения полученного результата), например, согласно полученному результату:

У	А	Триплеты А
Г	У	Т
У	А	Г

Рис 3. Структура триплета мРНК

После этого, мы можем составить карту генетического кода, согласно полученной в результате транскрипции мРНК, пробегая по полученной структуре и поиском соответствующей последовательности кодирующих триплетов.

Таблица 2.Карта кодирующего кода

Аминокислота	Кодирующие триплеты
Аланин	ГЦУ ГЦЦ ГЦА ГЦГ
Аргинин	ЦГУ ЦГЦ ЦГА ЦГГ АГА АГГ
Аспарагин	ААУ ААЦ
Аспарагиновая кислота	ГАУ ГАЦ
Валин	ГУУ ГУЦ ГУА ГУГ
Гистидин	ЦАУ ЦАЦ
Глутамин	ЦАА ЦАГ
Глутаминовая кислота	ГАА ГАГ
Изолейцин	АУУ АУЦ АУА
Лейцин	ЦУУ ЦУЦ ЦУА ЦУГ УУА УУГ
Лизин	ААА ААГ
Метионин	АУГ
Пролин	ЦЦУ ЦЦЦ ЦЦА ЦГГ
Серин	УЦУ УЦЦ УЦА УЦГ АГУ АГЦ
Тирозин	УАУ УАЦ
Треонин	АЦУ АЦЦ АЦА АЦГ
Триптофан	УГГ
Фенилаланин	УУУ УУЦ
Цистеин	УГУ УГЦ
Стоп-коддоны	УАА УАГ УГА

В данном случае мы не рассматриваем случай вырожденности кода, и считаем, что код идеален.

Получив таблицу соответствующих аминокислот и зная их химическую структуру, можно проектировать химический вид генетического кода.

Список использованных источников

1. Кольман Я., Рём К.Г. Наглядная Биохимия. 2-е изд. – М.: Мир, 2004. - 469c.

2. М.А. Каменская Информационная биология –М.: ACADEMA, 2006. -368 с.

3. Ю.Б. Филлипович Биохимические основы жизнедеятельности человека – М.: Гуманитар. Изд. Центр ВЛАДОС, 2005. – 407 с.