Основные этапы транскрипционно-трансляционного потока информации у эукариот
Транскрипционно-трансляционная система или экспрессия гена.
Эта многокомпонентная система обеспечивает передачу наследственной информации из ядра в цитоплазму.
Начинается этот поток информации с биологически активного вещества (БАВ) – первичного сигнала. Это вещество несёт информацию, закодированную в его химической структуре. БАВ, имеющие различное молекулярное строение, несут и различную информацию. Первичный сигнал может нести информацию в клетку из внешней, окружающей человека среды, из внутренней среды организмы или из самой клетки о состояние её обменных процессов. Однако сам по себе первичный сигнал не способен перестроить множество её биохимических реакций на соответствующий режим работы. Этим занимаются специально сформированные в эволюции транскрипционно-трансляционные системы (ТТС). В сущности, функция первичного сигнала чрезвычайно проста – он изменяет активность соответствующей ТТС. Первым звеном ТТС на которое действует первичный сигнал является ген. Первичный сигнал изменяет его активность, что в свою очередь меняет активность всей последующей цепочки ТТС, которые связывают ген с его конечным продуктом – белком. Последний специфично влияет на метаболизм клетки, формируя определённый клеточный ответ. Таким образом первичным звеном ТТС является ген, а конечным – белок-фермент . Часто говорят, что метаболизм клетки находится под контролем генов. Это действительно так. В ядро функционирующей клетки постоянно поступают первичные сигналы из множества источников. Этот поток влияет на активность самых различных генов и связанных с ними ТТС и белков-ферментов. В такой ситуации метаболизм клетки всегда находится в динамическом равновесии. Нет первичного сигнала – не функционирует ген и соответствующая ТТС. Слаб первичный сигнал – в такой же мере меняется интенсивность метаболизма. Безусловно, изложенная схема функционирования ТТС слишком проста и даёт только общее представление о её деятельности. В действительности всё обстоит намного сложнее. Дальше мы покажем это на ряде примеров. Начнём с рисунка 1 , где схематично изложена работа ТТС.
Прежде всего, сделаем одно важное уточнение: первичный сигнал чаше всего воздействует не на сам ген, а на области генома, которые обслуживают данный ген – это области называются регуляторные зоны или гены регуляторы (мы их рассмотрим дальше). Часто эти зоны объединяют понятием – ядерный рецептор. Химическая реакция между БАВ и ядерным рецептором приводит к своеобразной цепной реакции, конечным результатом которой является изменение активности гена – ген может потерять активность или наоборот приобрести её. Об активности гена обычно судят по интенсивности транскрипции – синтезе на гене какой-либо РНК (тРНК, рРНК, иРНК или регуляторных РНК). Транскрибированная на гене РНК носит название транскрипт. Ген активен – значит, на нём формируется какой либо транскрипт, какая либо РНК, не активен – синтез РНК прекращён. В свою очередь только что синтезированные РНК чаще всего бывают не активными, не зрелыми, поэтому их ещё называют про-РНК (предшественники РНК и записывают так – про- иРНК, про-тРНК , про-рРНК и т.д.).На рисунке 2 в качестве транскрипта представлена про- иРНК. Для её активации (или, как чаще говорят, «для её созревания») в ядре имеется целый ряд механизмов, которые изменяют химическую и пространственную структуру про-РНК. Совокупность этих процессов носит название – процессинг. Процессинг происходит в ядре и по его завершению не активная про-РНК превращается в активную РНК. В таком виде она выходит через ядерные поры в цитоплазму и в комплексе с рибосомами и целым рядом других веществ (например, АТФ) осуществляет трансляцию. В результате происходит синтез полипептидной цепочки, которая, как правило, так же не активна. Для её активации и превращения в полноценный, функционирующий белок необходим процесс, который носит название фолдинг . Он происходит в цитоплазме и заключается в формировании у полипептидной цепочки вторичной, третичной и четвертичной структуры. Только после этого белок способен выполнять свои функции и становится полноправным участником клеточного метаболизма.
Рис. 1. Схема транскрипционно-трансляционного пути переноса информации в клетке.
В заключении ещё раз подчеркнём, что изложенная выше система (поток) передачи информации носит название ТТС или экспрессия гена. В ней различают два компонента: структуры (молекулы и органоиды) – носители информации и механизмы – совокупность процессов обеспечивающих перенос информации с одного носителя на другой. К обслуживающим структурам относятся: ядерный рецептор (регуляторная зона) – ген (структурный ген) – про-иРНК – иРНК – рибосома – полипептид – полноценный белок. К процессам относятся: регуляция активности гена - транскрипция гена – процессинг РНК – трансляция – фолдинг белка – изменение метаболизма клетки. Здесь уместно подчеркнуть, что не все учёные включают в экспрессию генов регуляцию активности гена, фолдинг и изменение метаболизма.
В медицинском аспекте функционирование ТТС в организме человека можно рассматривать с двух позиций. Во-первых, эта система принимает активное участие в поддержании постоянства внутренней среды организма путём регуляции соответствующих метаболических процессов. И, во вторых, повреждения любых звеньев этой системы может быть причиной развития патологии. Поясним это на примере потока информации ( или ТТС, что практически одно и тоже), который индуцируется (запускается) тироксином, т.е. в качестве первичного сигнала выступает тироксин. В этом случае принято говорить:- «тироксин-индуцированный поток информации».