Гены класса II кодируют все цитоплазматические мРНК и все, за исключением одной (U6) мяРНК. Гены класса II имеют наиболее типичное для эукариот строение.
Гены эукариот имеют прерывистое (мозаичное) строение - последовательности, кодирующие последовательность аминокислот в белке (экзоны) чередуются с последовательностями, не несущими информации о структуре белков (интроны). мРНК после синтеза подвергаются модификации (процессингу). Одним из этапов процессинга является сплайсинг – вырезание интронов и сшивание экзонов. Все транскрипты (мРНК, мяРНК) генов класса II имеют характерные группировки (кэпы) на 5׳-конце и poly(A)-хвосты на 3׳-конце, сразу за кодирующей последовательностью. Многие гистоновые мРНК и некоторые мяРНК не имеют хвостов. мРНК эукариот несет информацию о структуре одного белка (моноцистронная). Только в некоторых случаях (альтернативный сплайсинг) с одной мРНК можетобразовываться несколько близких по строению белков.
Во время инициации транскрипции к регуляторным последовательностям промотора присоединяются факторы транскрипции. Эти белки участвуют в связывании РНК-полимеразы II с промотором. Факторами транскрипции РНК-полимеразы II являются: TFIIA, TFIIB, TFIIC, TFIID и т.д. Фактор TFIID непосредственно связывается с ТАТА-боксом, поэтому его называют ТАТА-связывающим белком. После связывания ДНК с этим белком, с ним ассоциирует не менее семи факторов транскрипции, формируя комплекс, который затем взаимодействует с РНК-полимеразой. В конце инициации образуется открытый комплекс, после чего начинается элонгация.
Сразу после образования 5׳-конца мРНК происходит кэпирование – первый этап посттранскрипционной модификации (процессинга). Кэпирование состоит в присоединении к 5׳-концу синтезирующейся мРНК 7-метилгуанозина (шапочки). Кэп защищает 5׳-конец мРНК от действия нуклеаз.
Транскрипция многих генов белков эукариот заканчивается далеко за сайтом, в котором происходит расщепление РНК с образованием 3׳-конца мРНК. Терминация осуществляется во множественных сайтах последовательности ДНК протяженностью в сотни, а иногда и тысячи пар нуклеотидов. Некоторые гены белков эукариот, напротив имеют четко определенные сигналы терминации транскрипции. Такие последовательности богаты остатками Т и А. Одна из них – последовательность ААТААА, находящаяся на 10-30 нуклеотидов левее сайта расщепления-полиаденилирования (ЦА). 3׳-конец РНК отщепляется ферментами в указанной точке, затем происходит полиаденилирование этого конца молекулы РНК. Поли (А)-хвост есть практически у всех мРНК, за исключением транскриптов гистоновых генов. В отсутствии поли (А)-хвоста РНК-транскрипты быстро деградируют под действием ферментов. Полиаденилирование является вторым этапом процессинга мРНК. После полиаденилирования образуется предшественник зрелой мРНК - гетерогенная ядерная РНК (гяРНК), которая содержит в своем составе последовательности интронов. Третьим этапом созревания мРНК является сплайсинг – процесс вырезания интронов и сшивание экзонов.
Сплайсинг
С плайсинг – процесс вырезания интронов и сшивание экзонов.
Существует несколько механизмов сплайсинга: аутосплайсинг, собственно сплайсинг и альтернативный сплайсинг.
Аутосплайсинг осущестляется без участия каких-либо белков. Аутосплайсинг выявлен для генов рРНК у примитивных эукариот (Tetrahymena), мРНК и тРНК митохондрий и хлоропластов. Интрон содержится в 26S рРНК тетрахимены. Вырезание данного интрона и сшивание экзонов осуществляется в присутствии ионов магния и свободного гуанозина. Аутосплайсинг катализируется гуанозином, гидроксильная группа которого атакует фосфатную группу на 5׳-конце интрона, в результате чего разрывается фосфодиэфирная связь и высвобождается 3׳-конец экзона 1. Затем гидроксильная группа, содержащаяся на 3׳-конце экзона 1, атакует фосфатную группу на 3׳-конце интрона, что ведет к вычленению интрона и замыканию фосфодиэфирной связи между ОН-группой 3׳-конца экзона 1 и 5׳-фосфатной группой экзона 2. Таким образом, в результате реакции трансэтерификации без дополнительных затрат энергии осуществляется лигирование двух экзонов с образование зрелой рРНК. В состав вышепленного интрона входит последовательность из 19 нуклеотидов, которая представляет собой РНК-фермент (рибозим). Т.о. интрон обладает ферментативной активностью, необходимой для вырезания себя самого. Данный рибозим узнает последовательности ЦУЦУ в составе атакуемого субстрата.
В настоящее время осуществляется искусственный синтез специально сконструированных рибозимов, способных расщеплять РНК вируса ВИЧ 1, что открывает возможности создания антивирусных преператов пренципиально нового типа.
Собственно сплайсинг характерен для пре-мРНК высших эукариот. Интроны в незрелых предшественниках ядерных мРНК могут достигать большой длины и их удаление требует более сложного механизма. В сплайсинге пре-мРНК у высших эукариот задействован ряд белков, а также РНК особого вида – малые ядерные РНК (мяРНК). мяРНК богаты урацилом, поэтому они обозначаются как U1, U2, U3, U4, U5, U6 и т.д. Гены мяРНК транскрибируются РНК-полимеразой II и имеют различную локализацию в геноме: часть из них представляет собой независимые гены, не имеющие интронов, другая часть располагается внутри интронов генов, кодирующих белки (чаще рибосомальных).
мяРНК присутствуют в ядрах в комплексах с белками, получившими название малые рибонуклеопротеиновые частицы (мяРНП). Комплекс мяРНК и мяРНП носит название сплайсингосомы. Сплайсингосома собирается на интроне перед его вышеплением. Различные мяРНК по принципу комплементарности связываются с пограничными участками интронов в РНК. Для этого взаимодействия существенны короткие последовательности, находящиеся на концах интронов. На 5׳-конце находится последовательность ГУ, на 3׳-конце – АГ. Взаимодействие мяРНК и мяРНП с концами интрона придает ему петлеобразную структуру. При этом сближаются концы экзонов, чему способствует образование неканонических водородных связей между двуми гуанинами, на 5׳- и 3׳-сайтах сплайсинга. Сближение экзонов создает условия для реакций трансэтерификации. В результате в интроне образуется структура типа «лассо» и он вышепляется с соединением экзонов.
Альтернативный сплайсинг. Несколько экзонов, содержащихся в составе мРНК, могут сшиваться в разных комбинациях с образованием различных мРНК.
У эукариот альтернативный сплайсинг мРНК, содержащих большое количество интронов, является эффективным способом регуляции активности генов, создает возможность для возникновения изоформ белков, наборы которых могут существенно различаться в различных клетках, тканях и органах многоклеточных организмов. Альтернативный сплайсинг позволяет организму синтезировать разные по структуре и свойствам белки на базе одного гена. Такие гены кодируют семейства родственных белков, участвующих в мышечных сокращениях, формировании цитоскелета, нервных волокон, молекул иммуноглобулинов, пептидных гормонов.
В формировании альтернативных мРНК могут быть задействованы три основные механизма. Первый из них состоит в том, что для образования различных мРНК могут использоваться разные промоторы. В этом случае образуются транскрипты, имеющие по длине 5׳-концы и разное число экзонов. Такой механизм выявлен для пре-мРНК легкой цепи миозина позвоночных животных.
Второй тип альтернативного сплайсинга имеет место при изменении сайта полиаденилирования. В этом случае изменяются размеры и структура 3׳-концевого участка пре-мРНК. Таким способом образуются два вида мРНК тяжелой цепи иммуноглобулинов.
Третий тип альтернативного сплайсинга включает выбор различных экзонов из одинаковых пре-мРНК. При этом часть инторнов не включается в сплайсинг. Таким образом происходит сплайсинг пре-мРНК тропонина Т скелетных мышц млекопитающих, содержащий 18 экзонов. Выбор экзонов зависит от стадии развития организма: экзон 16 присутсвует в мРНК тропонина Т у взрослых, экзон 17 – у эмбрионов. Одной из причин возникновения альтернативных продуктов могут служить мутации, нарушающие последовательности сайтов сплайсинга и возникновение новых сайтов. Такой механизм выявлен у больных талассемией (у больных резко падает содержание гемоглобина). Т.о. подобные мутации могут стимулировать образование новых белков, а альтернативный сплайсинг может играть решающую роль в эволюции высших организмов.
Процесс созревания РНК кроме кэпирования, полиаденилирования и сплайсинга может включать еще ряд модификаций первичной структуры, называемых редактированием РНК (эдитинг). К этим реакциям относятся модификации азотистых оснований (дезаминирование, метилирование, и др.), в результате которых образуются необычные для РНК основания (инозин, тимин, дегидроурацил). К редактированию относятся вставки и делеции нуклеотидов внутрь цепи РНК. В результате трансляции таких «отредактированных» РНК в клетке могут синтезироваться белки, аминокислотная последовательность которых будет не вполне соответствовать нуклеотидной последовательности ДНК матрицы (гена).