Транскрипция (от лат. transcriptio, букв-переписывание), биосинтез РНК на матрице ДНК; первая стадия реализации генетической информации, в ходе которой нуклеотидная последовательность ДНК считывается в виде нуклеотидной последовательности РНК (см. Генетический код). В основе этого процесса лежит принцип комплементарного спаривания пуриновых и пиримидиновых оснований (см. Комплементарность). Т. осуществляется с участием фермента РНК-полимеразы, использующей в качестве субстратов рибонуклеозидтрифосфаты. В транскрипции участвует большое число вспомогательных белков, регулирующих работу РНК-полимеразы.
Транскрипция происходит на участках ДНК, называемых единицами транскрипции или трапскриптонами. В начале и конце транскриптона расположены специфические нуклеотидные последовательности - соответственно промотор и терминатор. Существование множества транскриптонов обеспечивает возможность независимого считывания разных генов, их индивидуального включения и выключения. У животных, растений и других эукариот в состав транскриптона, как правило, входит один ген. Транскриптоны бактерий обычно называют оперонами; многие из них содержат по несколько генов, обычно функционально связанных (например, кодирующих несколько ферментов, участвующих в синтезе той или иной аминокислоты).
Процесс синтеза РНК можно разделить на четыре основные стадии: 1) связывание РНК-полимеразы с промотором, 2) начало синтеза цепи РНК (инициация), 3) рост цепи РНК (элонгация), 4) завершение синтеза цепи РНК (терминация).
Связывание РНК-полимеразы с промотором включает по крайней мере два этапа. На первом РНК-полимераза образует с промотором закрытый комплекс, в котором ДНК сохраняет двухспиральную структуру, а РНК-полимераза еще не способна начать синтез РНК. На втором закрытый комплекс превращается в открытый, в котором РНК-полимераза расплетает примерно один виток двойной спирали ДНК в районе стартовой точки - нуклеотида, с которого начинается комплементарное копирование матрицы.
При наличии субстратов РНК-полимераза в открытом комплексе осуществляет инициацию. Первый нуклеотид (обычно это аденозин- или гуанозинтрифосфат) входит в состав цепи целиком, а последующие присоединяются к группе 3'-ОН предыдущего нуклеотида с образованием фосфодиэфирной связи и освобождением пирофосфата (см. Нуклеиновые кислоты). На стадии инициации образующаяся РНК связана с матрицей и ферментом непрочно и может отделиться от комплекса. В этом случае РНК-полимераза, не покидая промотора, снова инициирует РНК (такой синтез коротких рибонуклеотидов называют абортивным). Стадия инициации завершается, когда цепь РНК достигает критической длины (от 3 до 9 нуклеотидов на разных промоторах); при этом от РНК-полимеразы отделяется s-субъединица.
Считают, что в процессе элонгации примерно 13 нуклеотидов РНК образуют гибридную спираль с матричной нитью расплетенной ДНК (всего на этой стадии в ДНК расплетено примерно 18 нуклеотидов). По мере движения РНК-полимеразы по матрице впереди нее происходит расплетание, а позади восстановление двойной спирали ДНК. Одновременно происходит вытеснение очередного звена растущей цепи РНК из комплекса с матрицей.
Цепь РНК растет в направлении 5' : 3' по мере продвижения РНК-полимеразы по цепи ДНК в направлении от 3'-конца к 5'-концу. Средняя скорость роста цепи РНК у бактерии Escherichia coli (E. coli) составляет 40-45 рибонуклеотидов в секунду. В процессе удлинения цепи РНК фермент движется по ДНК с непостоянной скоростью. В некоторых участках матрицы происходят длительные задержки в его продвижении, так называемые паузы (некоторые стадии транскрипции показаны на рисунке).
На стадии элонгации в состав транскрибирующего комплекса входит ряд дополнительных белков, от которых зависит протекание завершающей стадии транскрипции - терминации. Один из таких белков, кодируемых геном nusA E. coli, занимает в РНК-полимеразе место s-субъединицы. Другой бактериальный фактор терминации r взаимодействует с РНК.
Терминация транскрипции, как правило, происходит в строго определенных участках матрицы - терминаторах, в которых от матрицы отделяются РНК и РНК-полимераза; последняя, объединившись со свободной s-субъединицей, может вступить в следующий цикл транскрипции. В терминаторах, для узнавания которых РНК-полимеразе не требуется фактора р, нуклеотидная последовательность характеризуется двумя особенностями: по ходу транскрипции перед точкой терминации расположен участок, богатый парами dG-dC (дезоксигуанозин-дезоксицитидин), а затем участок, состоящий из 4-8 расположенных подряд остатков дезоксиадениловой кислоты. Предполагают, что после прохождения РНК-полимеразой участка, богатого dG-dC, в РНК возникает шпилька, которая препятствует продвижению фермента и разрушает часть спирали РНК-ДНК транскрибирующего комплекса. Оставшаяся часть гибридной спирали, включающая концевую полиуридиловую последовательность РНК, легко плавится (разрушается) ввиду крайней нестабильности комплементарной пары уридин-дезоксиаденозин, что и приводит к освобождению РНК.
Многие терминаторы узнаются РНК-полимеразой только с помощью белковых факторов терминации. Из них наиболее изучен фактор r E. coli - олигомерный белок с молекулярной массой 46 тыс. Фактор r присоединяется к определенным участкам синтезируемой РНК (не имеющим протяженных двухспиральных структур) до того, как РНК-полимераза достигает терминатора. Предполагается, что фактор r передвигается вдоль РНК вслед за РНК-полимеразой, используя для этого энергию гидролиза нуклеозидтрифосфатов, и способствует диссоциации гибрида РНК с матричной нитью ДНК.
Скорость транскрипции различных генов может отличаться в тысячи раз; в столь же больших пределах может изменяться скорость транскрипции одного и того же гена в разных тканях многоклеточного организма или в одной клетке в зависимости от изменяющихся внешних условий или внутренней программы. На стадии инициации регуляция транскрипции осуществляется благодаря наличию особых белков-регуляторов (см. Регуляторные белки), способных присоединяться к определенным участкам ДНК и тем самым препятствовать или помогать РНК-полимеразе инициировать синтез РНК на промоторе.
У прокариот регуляция транскрипции часто осуществляется на стадии терминации в особых терминаторах (называемых аттенюаторами), расположенных в начале или внутри оперонов.
Существует также обратная транскрипция - синтез ДНК на матрице РНК. Такой синтез осуществляется у ретровирусов (семейство РНК-содержащих вирусов, например, ВИЧ) с участием фермента ревертазы (обратная транскриптаза). В ходе обратной транскрипции образуется вначале гибрид РНК-ДНК, который реплицирует под действием ДНК-зависимой ДНК-полимеразы (см. Полидезоксирибонуклеотид-синтетазы) с образованием двухцепочечной спирали ДНК. Последняя также подвержена репликации и способна включаться в геном инфицированной клетки и служить там матрицей для вирусной РНК. Таким образом, поток генетической информации у ретровирусов направлен от РНК к ДНК и затем обратно к РНК.
РНК-полимеразу открыли С.Вейс, Ж.Гурвиц и О.Стивене в 1960; ими же установлено ее значение в синтезе РНК. Концепцию транскриптона (оперона) сформулировали Ф.Жакоб и Ж.Моно в 1961. X.Темин и Д.Балтимор в 1970 открыли обратную транскриптазу и механизм синтеза ДНК на РНК-матрице.
Лит.: Пташне М., Переключение генов: регуляция генной активности и фаг l, пер. с англ., М., 1988; Молекулярная биология. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот, М., 1990.
