Регуляция экспрессии генов на уровне трансляции

В процессе биосинтеза белка рибосомами вовлекается большое количество мРНК, экипированных разнообразными регуляторными элементами. Даже в случае клеток дрожжей количество транслируемых видов мРНК превышает 6000. Регуляторные последовательности мРНК влияют на эффективность транскрипции двумя основными путями: 1) изменение активности компонентов системы трансляции, взаимодействующих с регуляторными доменами мРНК; 2) изменением структуры регуляторных элементов самих мРНК. Как в случае транскрипции, механизмы регуляции экспрессии генов на уровне трансляции обеспечивают контроль эффективности всех основных этапов синтеза полипептидных цепей: инициации, элонгации и терминации.

Синтезом полноценного полипептида в результате трансляции кодирующей его мРНК рибосомами обычно завершается процесс передачи генетической информации от генов к белкам как у бактерий, так и у высших организмов. Однако в большинстве случаев при синтезе конечного белкового продукта эукариотическими клетками используются различные его модификации, в результате которых он и приобретает требуемые свойства.

Кроме того, необходимо иметь в виду, что конечный уровень содержания конкретных белков в клетке зависит не только от скорости их биосинтеза рибосомами, но и от скорости внутриклеточной деградации. Поэтому дифференциальная регуляция стабильности белков является важнейшим механизмом, регулирующим экспрессию генов у любого организма.

Фолдинг. В процессе трансляции растущие полипептидные цепи начинают приобретать высокоспецифическую пространственную структуру, которая формируется полностью вскоре после завершенияих биосинтеза. Процесс сворачивания полипептидной цепи в правильную пространственную структуру получил название фолдинга. В результате фолдинга в водных растворах у водорастворимого полипептида уменьшается свободная энергия, гидрофобные остатки аминокислот упаковываются преимущественно внутрь молекулы, а гидрофильные остатки располагаются на поверхности белковой глобулы. Гидрофобные области образуются и на внешней поверхности молекул белков, формируя полости активных центров, а также места контактов субъединиц мультимерных белков друг с другом и биологическими мембранами. Увеличение гидрофобности поверхности белков снижает их внутриклеточную стабильность, так как множество протеолитических ферментов гидролизуют с большой скоростью пептидные связи, образуемые гидрофобными аминокислотами или находящиеся вблизи отних. Опасность протеолитической деградации для растущей полипептидной цепи возникает сразу после ее появления на поверхности транслирующей рибосомы. Установлено, что ~1/3 вновь синтезированных полипептидных цепей претерпевает протеолитический распад сразу же после завершения их синтеза рибосомами.

Большинство вновь синтезированных белков избегает подобной участи благодаря образованию так называемого комплекса NAC, ассоциированного с растущими полипептидными цепями. Имеется группа белков с молекулярными массами 21-33 кДа, которые взаимодействуют как с такой цепью, так и с самой рибосомой, предохраняя растущий полипептид от деградации путем формирования NAC. Когда же гидрофобная сигнальная последовательность синтезируемого белка достигает длины в ~70 аминокислотных остатков и покидает NAC, с ней взаимодействует комплекс белков SRP, который не только предохраняет гидрофобную часть растущего полипептида от ранней деградации протеиназами, но и направляет ее к месту назначения - к мембранам эндоплазматического ретикулума.

Растущие полипептидные цепи, у которых отсутствует сигнальная последовательность, покидая NAC, взаимодействуют с обеспечивающей фолдинг системой, в состав которой входят, в частности, шапероны Hsp70 и Hsp40. Эти белки теплового шока, образуя комплекс с растущей полипептидной цепью, предотвращают их неспецифическую агрегацию и деградацию под действием внутриклеточных протеиназ, способствуя их правильному фолдингу, происходящему с участием других шаперонов.

Время существования внутриклеточных белков может различаться на несколько порядков. Структурные и конститутивно экспрессирующиеся белки обычно обладают большой продолжительностью жизни. Напротив, регуляторные белки, как правило, быстро распадаются. Протеолитический гидролиз регуляторных белков, который может точно регулироваться, позволяет эукариотической клетке быстро переключаться с одной функциональной программы на другую. По времени полужизни белки животных разделяют на четыре группы:

1) очень быстро обновляющиеся белки (время полужизни - < 1 ч): белок-супрессор опухолей р53, продукты протоонкогенов c-fos и с-тус, орнитиндекарбоксилаза, циклины;

2) быстро обновляющиеся белки (время полужизни - 1-24 ч): тирозинаминотрансфераза, трипто-фан-2, 3-диоксигеназа, γ -глутамилтрансфераза, Hsp70, РНК-полимераза I, рецептор инсулина, убиквитин;

3) медленно обновляющиеся белки (время полужизни - 1-5 дней): каталаза, калпаины, катепсины, протеасомы, тубулины, актины, альдолаза, лактатдегидрогеназа, аргиназа;

4) очень медленно обновляющиеся белки (время полужизни -> 5 дней): митохондриальная фумараза, цитохромы b и с, миозин, гемоглобин, гистоны в интерфазном ядре, эластин, коллаген.

Большинство внутриклеточных белков заканчивают свое существование в результате протеолитического гидролиза, превращаясь в небольшие пептиды и свободные аминокислоты, которые далее утилизируются в синтезе новых белков. Многие протеолитические ферменты используют в качестве субстратов индивидуальные белки, проявляя тем самым высокую специфичность.Тем не менее, в клетке имеется и множество протеиназ широкой субстратной специфичности, чья неразборчивость в субстратах компенсируется их строгой компартментализацией. Они локализованы в лизосомах и вакуолях, где гидролизуют любые белки после их попадания в эти органеллы. Такая компартментализация протеолитических ферментов является жизненно важным условием существования клетки.

Одним из характерных примеров специфического действия протеиназ служит активация предшественников (зимогенов) протеолитических ферментов (трипсина и химотрипсина) после их переноса от места синтеза (поджелудочная железа) к месту функционирования в пищеварительном тракте. Активация происходит вследствие протеолитического отщепления части полипептидной цепи зимогена, приводящего к появлению у укороченного полипептида требуемой ферментативной активности. Необходимость в посттрансляционной регуляции активности зимогенов очевидна - таким путем организм защищает клетки, синтезирующие протеолитические ферменты, от разрушения этими же ферментами.

Аналогичный механизм посттрансляционной активации используется во время биосинтеза инсулина и других пептидных гормонов. Предшественник инсулина синтезируется в виде длинного полипептида с тремя дисульфидными связями. Полипептид приобретает активность гормона только после протеолитического отщепления центральной части полипептида-предшественника и избыточной N-концевой аминокислотной последовательности. Две оставшиеся части предшественника, удерживаемые дисульфидными связями, составляют активную молекулу инсулина.

Феномен сплайсинга белков, обнаруженный в 1990 г. в группой Т.Стивенса, пошатнул еще один постулат молекулярной биологии, в соответствии с которым последовательности нуклеотидов зрелых мРНК всегда колинеарны аминокислотным последовательностям кодируемых ими полипептидов.

Во время сплайсинга белков удаление избыточной генетической информации из макромолекул происходит не на уровне пре-мРНК, как это имеет место во время обычного сплайсинга, а на уровне синтезированного полипептида путем вырезания из его внутренней части короткой аминокислотной последовательности. Именно данный механизм отличает сплайсинг белков от повсеместно распространенного процессинга предшественников полипептидов, который, как известно, сопровождается только протеолитическим расщеплением полипептида-предшественника с образованием более коротких белков без изменения их внутренней первичной структуры.

Внутренняя часть полипептида, удаляемая в результате белкового сплайсинга, получила название интеина, а наружные N- и С-концевые части - экстеинов.

Белки, изменяемые посттрансляционно в результате белкового сплайсинга, были обнаружены у многих микроорганизмов. Во всех случаях аминокислотные последовательности интеинов фланкированы короткими консервативными последовательностями. На основании особенностей первичной структуры интеинов и экстеинов разработаны алгоритмы поиска белков, подвергаемых сплайсингу посттрансляционно, в соответствующих базах данных.

Генетическая мобильность последовательностей интеинов в ДНК является одной из самых больших неожиданностей, обнаруженных после их открытия. Оказалось, что полипептидная цепь интеина обладает эндонуклеазной активностью, которая обеспечивает транспозиции последовательностей интеинов в геноме. В результате хоуминга происходит однонаправленный перенос копии последовательности ДНК интрона (или интеина) из гена, содержащего эту последовательность, к аллельному гену, не содержащему ее. Данная цепь реакций инициируется эндонуклеазным разрывом обеих цепей ДНК в аллельном безинтеиновом гене, образующемся под действием эндонуклеазы интеина. Далее с использованием последовательности ДНК интеина в качестве донора информации происходит репарация двухцепочечного разрыва, которая сопровождается конверсией гена с включением в его состав последовательности интеина.

Литература

Патрушев Л.И. Экспрессия генов. - М.: Наука, 2000. - 527 с.