Взаимодействия ядра и цитоплазмы. Избирательная активность генов в развитии. Регуляция на уровне траскрипции и ттрансляции.
ЯДЕРНО-ЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ, процессы взаимодействия ядра и цитоплазмы, обеспечивающие морфолого-функциональное единство клетки. Под действием входящих из цитоплазмы в ядро регуляторов активности генов (обычно белков) происходит активация или же инактивация транскрипции тех или иных ядерных генов. В ядро поступают также предшественники и ферменты, необходимые для репликации ДНК, синтеза РНК, а также белки, входящие в состав хроматина, ядрышек и других структур ядра.
Механизмы избирательной активности генов
Согласно полностью подтвердившейся гипотезе «один ген - один фермент», сформулированной в 1941 году (Дж. Бидл и Э. Татум за это открытие в 1958 году были удостоены Нобелевской премии), каждый ген контролирует синтез одного фермента. Однако принцип экономии (а все экономно работающие механизмы получают селективное преимущество в эволюции) требует, чтобы в клетке синтезировались только те ферменты, которые необходимы в данных обстоятельствах. Такой организм не будет расходовать вещество и энергию на ненужные синтезы, имея потенциальный резерв генов, которые в случае нужды он может снова использовать. Поэтому гены, кодирующие синтез ненужных на данной стадии развития ферментов, инактивированы (избирательно блокированы).
В ходе эволюции сформировался ряд специальных механизмов избирательной активации генов. Один из них осуществляется с участием белков
с низким молекулярным весом (2000-10000), входящих в состав хромосом - гистонов. Соединяясь с определёнными генами в цепи ДНК, гистоны препятствуют преждевременному считыванию информации, которая понадобится позже. Возможно, что и другие (негистоновые) белки, в т.ч. такие, синтез которых определяется генами-регуляторами, участвуют в инактивации генов, входящих в состав оперона (транскриптона).
Современными исследованиями показано, что структурные перестройки ДНК (инсерции) влияют на активацию генов. Инсерция (врезание молекулы ДНК или её фрагмента в ген) приводит к инактивации гена.
Общепризнанным является тот факт, что разные участки цитоплазмы зиготы (яйцеклетки), различающиеся молекулярной и субклеточной структурой и отходящие в различные бластомеры, влияют на активацию и инактивацию генов ядер этих бластомеров. Следовательно, различия участков цитоплазмы ранних бластомеров, как следствие явления ооплазмати-ческой сегрегации, могут обеспечивать активацию-инактивацию различных однотипных клеточных ядер.
Наблюдение над политенными (гигантскими, состоящими из нескольких сот и даже тысяч хромонем) хромосомами секреторных клеток слюнных желез насекомых показало наличие расширений или вздутий - пуф. Как оказалось, в области пуф хромонемы деспирализованы. Участки, в которых появляются пуфы, меняются в ходе онтогенеза в зависимости от стадии развития. По общему признанию, деспирализованные участки являются активными, служащими матрицей для биосинтеза иРНК. Поэтому изменение морфо-функционального состояния ДНК путём спирализации-деспирализации ДНК обоснованно рассматривается в качестве одного из основных механизмов избирательной активации генов.
На избирательную активность генов влияют перемещения (морфогенетические движения) клеток, их пространственное расположение. Они обеспечиваются способностью клеток к активному движению и адгезивности (избирательному образованию контактов друг с другом, в котором важную роль играет гликокаликс). Соседние клетки оказывают физические, химические и др. влияния на мигрировавшие и вступившие с ними в контакт клетки, избирательно активируя-инактивируя гены их ядер. Морфогенетические движения клеток являются одним из механизмов избирательной активации генов.
На дифференциальную активность генов оказывают влияние гормоны, которые выделяются специализированными клетками и целенаправленно действуют на другие клетки и ткани. У млекопитающих, известно более 40 гормонов. Различают 3 группы гормонов: а) пептидные и белковые (инсулин, соматотропин, пролактин, лютеинизирующий и др.); б) производные аминокислот (адреналин, норадреналин, тироксин); в) стероидные (андрогены и эстрогены). Под контролем гормонов протекают все основные процессы клеточного метаболизма (начиная с зиготы), включая транскрипцию генома, регуляцию активности генов.
Регуляция генетической активности имеет важное значение в приспособлении организмов к изменяющимся условиям среды. К сожалению, несмотря на достижения молекулярной биологии и генетики, многие вопросы дифференциальной активности генов в онтогенезе далеки от разрешения и остаются без ответов.
Осложнеиния при раковый заболеваниях как правило сопровождаются кахексией и органной недостаточностью.Но если обнаружены метастазы в печени то возможно развитие печеночной недостаточности и смерти от интоксикации.
Регуляция биосинтеза белка - принципиальный атрибут любой живой клетки. Регуляция необходима для поддержания баланса разнообразных белков в клетке или организме, для изменения этого баланса в меняющихся условиях окружающей или внутриорганизменной среды, для обеспечения смены белков в процессах клеточной дифференцировки и развития организма, для адекватного ответа на специфические внешние сигналы или неблагоприятные воздействия. Синтез белков в клетке регулируется на трех уровнях: 1) путем изменения активности генов, то есть через тотальную или избирательную модуляцию продукции мРНК на матрице ДНК (уровень транскрипции); 2) путем изменения активности мРНК в ее трансляции рибосомами (уровень трансляции); 3) путем деградации мРНК посредством ее тотального или избирательного расщепления рибонуклеазами.
В статье рассмотрена проблема регуляции биосинтеза белка на уровне трансляции. Живые клетки используют несколько различных способов или путей такой регуляции, но практически во всех случаях она осуществляется через регуляцию инициации трансляции (механизмы инициации трансляции см. [2]). Это означает, что регуляторные механизмы трансляции направлены на то, чтобы разрешить или не разрешить инициацию трансляции данной мРНК, и если разрешить, то с какой эффективностью (скоростью инициации).
Существуют три основных способа, как регулировать трансляцию. Первый способ - позитивная регуляция на основе сродства мРНК к инициирующей рибосоме и факторам инициации (дискриминация мРНК). Второй способ - негативная регуляция с помощью белков-репрессоров, которые, связываясь с мРНК, блокируют инициацию (трансляционная репрессия). Этими двумя способами регулируются индивидуальные мРНК, то есть трансляция каждой мРНК может специфически контролироваться независимо от других мРНК клетки. Третий способ - тотальная регуляция трансляции всей совокупности мРНК клетки посредством модификации факторов инициации.
При наличии общих черт регуляции на уровне трансляции у прокариотических (бактерии) и эукариотических (животные, растения, грибы и простейшие) организмов эти два надцарства живых существ обладают также только им свойственными путями или способами регуляции, обусловленными спецификой их мРНК и их аппарата инициации трансляции. Так, тотальная регуляция за счет модификации факторов инициации характерна, по-видимому, только для эукариот. Другие особенности регуляции трансляции у прокариотических и эукариотических организмов будут указаны в дальнейшем изложении.
ДИСКРИМИНАЦИЯ мРНК
Скорость или частота инициации трансляции рибосомами может сильно различаться для разных мРНК. У прокариотических организмов это определяется тем, что инициирующие или рибосомосвязывающие участки разных мРНК (см. [2]) имеют разное сродство к рибосомам и, таким образом, с разной эффективностью связывают рибосомные частицы. На основании разницы в эффективности инициации можно говорить о <сильных> и <слабых> мРНК. На сильных мРНК инициация происходит часто, на них нанизывается много рибосом (образуются плотные полирибосомы) и соответственно продуцируется много молекул белка (рис. 1). Редкая инициация трансляции на слабых мРНК дает в результате редкую посадку рибосом на эти мРНК и, следовательно, низкую белковую продукцию.
Похожая ситуация наблюдается и в эукариотических клетках, но там дискриминация мРНК обусловлена скорее разным сродством факторов инициации, а не самих рибосом к разным 5'-проксимальным инициаторным структурам мРНК. Так как факторы инициации в любом случае локализуются на инициирующих малых рибосомных субчастицах, то они и определяют разную эффективность посадки рибосом на разные мРНК и, таким образом, дискриминируют их на сильные и слабые.
Различная сила мРНК в значительной мере определяет соотношение продукции различных белков в клетке. Так, структурные белки мембран, рибосомные белки, факторы элонгации, белки оболочки вирусов и другие белки, требуемые в большом количестве, кодируются сильными мРНК, а многие специализированные ферменты и регуляторные белки - слабыми мРНК. Как правило, если белок имеет четвертичную структуру, построенную из разных субъединиц в различном соотношении, то сила мРНК или ее отдельных участков (цистронов), кодирующих эти субъединицы, координирована с пропорцией субъединиц в структуре. Например, мембранный комплекс протонной АТФазы бактерий построен из трех типов субъединиц: a, b и c - в соотношении 1 : 2 : 10 (a1b2c10), и соответственно субъединица c кодируется очень сильным цистроном мРНК, субъединица a - слабым, а субъединица b - цистроном промежуточной силы. Таким образом, дискриминацию мРНК можно рассматривать как механизм конститутивного контроля надлежащего фиксированного соотношения продуктов белкового синтеза.
ТРАНСЛЯЦИОННОЕ СОПРЯЖЕНИЕ У ПРОКАРИОТ
В статье [2] отмечалось, что у прокариот одна длинная полинуклеотидная цепь мРНК может содержать несколько кодирующих последовательностей (цистронов) для различных белков и такие мРНК называются полицистронными. Пользуясь механизмом внутренней инициации, во многих случаях рибосомы могут инициировать трансляцию последовательных цистронов независимо друг от друга (рис. 2, а), и интенсивность инициации и, следовательно, продуктивность цистронов будут определяться их собственной силой (см. выше). В других случаях, однако, инициация трансляции внутренних цистронов зависит от трансляции предшествующего (5'-проксимального) цистрона: часто инициация трансляции внутреннего цистрона оказывается невозможной без трансляции предшествующего (рис. 2, б и в). Это и есть трансляционное сопряжение.
Различают два типа трансляционного сопряжения. Первый тип - когда рибосомы, транслирующие предшествующий цистрон, расплетают вторичную и / или третичную структуру мРНК, в которой участвует инициаторный участок последующего цистрона. В результате этот инициирующий участок освобождается и становится доступным для инициации свободными рибосомами (рис. 2, б ). Другой тип трансляционного сопряжения - реинициация: сам по себе внутренний цистрон вообще недоступен для свободных инициирующих рибосомных частиц и его инициация может быть осуществлена только частицами, терминировавшими на предыдущем цистроне (см. [3]) и еще не успевшими соскочить с мРНК (рис. 2, в).
ТРАНСЛЯЦИОННАЯ РЕПРЕССИЯ
Типичный механизм трансляционной репрессии состоит в том, что специальный белок, называемый репрессором, специфически связывается с участком мРНК, перекрывающимся, как правило, с участком связывания рибосомной частицы при инициации трансляции. Таким образом, связываемый белок-репрессор мешает связываться инициирующей рибосомной частице и тем самым либо уменьшает скорость инициации, либо полностью блокирует ее. Часто в месте связывания белка-репрессора имеется не очень стабильная двуспиральная структура - шпилька, которая легко расплетается инициирующей рибосомой. Белок-репрессор стабилизирует шпильку, превращая ее в плохо преодолимый барьер для инициирующей рибосомы (рис. 3).
В научной литературе описано много случаев, когда репрессором является сам белок, кодируемый данной мРНК. Другими словами, мРНК репрессируется своим же продуктом. В результате получается регуляция по типу обратной связи: производство избыточного количества белка на данной мРНК приводит к связыванию этого белка с инициаторным участком своей мРНК и таким образом к репрессии собственного синтеза. Пример регуляции трансляции по типу обратной связи - репрессия синтеза фермента треонил-тРНК-синтетазы бактерии избыточным количеством этого фермента, связывающегося с инициаторным участком своей мРНК (подробнее см. [1]).
В других случаях репрессором является специальный белок, и его способность связываться с определенными мРНК зависит от присутствия того или иного низкомолекулярного компонента - эффектора. Яркий пример такого рода приведен в статье Л.П. Овчинникова [1]. Там описано, как в животных клетках белок-репрессор блокирует инициацию синтеза белка ферритина, а железо в качестве эффектора лишает репрессор его мРНК-связывающих свойств и дерепрессирует ферритиновую мРНК, тем самым разрешая ее трансляцию.
В целом механизмы трансляционной репрессии обеспечивают пути модуляции скоростей инициации трансляции в широких пределах либо в зависимости от внешних сигналов (эффекторов), либо по типу обратной связи. Трансляционная репрессия используется для тонкой регуляции белкового синтеза как прокариотическими, так и эукариотическими организмами.
МАСКИРОВАНИЕ мРНК У ЭУКАРИОТ
Кроме типичной трансляционной репрессии эукариоты выработали интересный механизм маскирования мРНК, когда соответствующая мРНК становится недоступной не только для инициации трансляции, но и фактически выведена из всех других процессов ее возможных превращений или изменений - деградации нуклеазами, ферментативной модификации ее 3'-конца путем полиаденилирования. Маскирование, как и типичная трансляционная репрессия, тоже осуществляется белками и зависит от внешних сигналов (эффекторов). Маскирование и демаскирование мРНК являются особенно характерными для процессов гаметогенеза (оогенеза и сперматогенеза), раннего эмбрионального развития, клеточной дифференцировки, гормонального включения или выключения функций. Например, в оогенезе происходит запасание некоторых материнских мРНК в маскированной форме, и часть этих мРНК демаскируется в ответ на оплодотворение яйцеклетки, обеспечивая белковый синтез на самых ранних стадиях эмбриогенеза: дробления, бластулы и ранней гаструлы.
Наиболее интересным моментом в маскировании мРНК является то, что маскирующий белок связывается не с 5'-проксимальным участком инициации трансляции на мРНК, а с нетранслируемым хвостом мРНК - с 3'-проксимальной некодирующей областью, так называемой 3'-UTR (3'-UnTranslated Region) или 3'-НТО (см. [1], рис. 5). В пределах 3'-НТО имеется специальная посадочная площадка для маскирующего белка - сегмент маскирования. Связывание маскирующего белка с сегментом маскирования 3'-НТО приводит не только к блокаде событий, развивающихся при 3'-конце мРНК, таких, как 3'-экзонуклеазная деградация и полиаденилирование, но и к репрессии - блокаде - инициации трансляции при 5'-конце мРНК (рис. 4).
Каким же образом воздействие на хвост мРНК может закрыть ей рот? Существуют два, необязательно взаимоисключающих объяснения этого явления. Первое состоит в допущении, что 5'- и 3'-проксимальные нетранслируемые области (5'-UTR и 3'-UTR) эукариотических мРНК пространственно сближены, образуя своего рода циклическую структуру, как показано на рис. 4. Тогда маскирующий белок, сидящий в 3'-НТО, может прямо или через сегмент маскирования блокировать участок инициации трансляции мРНК. Другое объяснение предполагает, что связывание маскирующего белка с 3'-НТО приводит к глобальной структурной перестройке всей молекулы мРНК, делающей ее компактной и недоступной для взаимодействий с другими макромолекулами, включая рибосомные частицы, нуклеазы, ферменты полиаденилирования и деаденилирования. Действительно, маскирование требует не только посадки маскирующего белка на 3'-НТО, но и присутствия большого количества менее специфического РНК-связывающего белка на всей мРНК, с которым мРНК образует рибонуклеопротеидные комплексы, в свое время названные информосомами. Можно полагать, что маскирование мРНК есть компактизация информосом.
ТОТАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ТРАНСЛЯЦИИ У ЭУКАРИОТ
Наиболее обычный путь тотальной регуляции белкового синтеза у эукариот, во всяком случае у животных и грибов, - это активация специальной фосфокиназы, которая фосфорилирует фактор инициации eIF2 (cм. [2]), что приводит к подавлению инициации трансляции всех мРНК клетки. Сигналами для активации фосфокиназы в клетке являются тепловой шок и другие виды стрессовых воздействий, недостаток ростовых факторов, аминокислотное голодание, недостаток железа, вирусные инфекции. Сильное подавление синтеза белка в этих условиях есть следствие именно активации фосфокиназы и катализируемого ею фосфорилирования eIF2. Степень подавления белкового синтеза может варьировать в зависимости от уровня стресса.