Надмолекулярная сборка

Последняя форма посттрансляционной регуляции, которую мы рассмотрим, связана со сборкой новосинтезированных белков в функциональный комплекс. Мы уже рассмотрели ряд белков, которые могут спонтанно собираться в функциональные комплексы. Например, гемоглобин и лактатдегидрогеназа состоят из четырех полипептидных цепей, которые образуют с помощью нековалентных связей функциональный белок. Пример на несколько более высоком уровне – два сократительных белка, тубулин и актин, существуют в полимерных и неполимерных формах. Мы видели, что полимеризация актина из глобулярных мономеров в микрофила-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

____________ ТРАНСЛЯЦИОННАЯ И ПОСТТРАНСЛЯЦИОННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ РАЗВИТИЯ ______________ 227

Рис. 14.31. Модель адресования белков в специфические области внутри митохондрии. Все митохондриальные белки, кодируемые ядерными генами, содержат сигнальную последовательность, направляющую в матрикс (изображена прямоугольником с положительными зарядами). Если транспорт белка следует прервать до достижения матрикса, то второй (гидрофобный) сигнал (изображен в виде черного квадрата) позволяет белку задержаться в мембране. Останется ли он в мембране или войдет в межмембранное пространство, зависит от того, будет ли белок отщеплен от этой сигнальной последовательности. Предполагается, что вход предшественников происходит в участках, где две мембраны сближаются друг с другом (Schleyer, Neupert, 1985). Модель составлена по работам Hurt, van Loon (1986), van Loon, Schatz (1987).

Рис. 14.32. Модель роста и деполимеризации микротрубочек. К растущим микротрубочкам добавляются ГТФ-содержащие субъединицы тубулина (обозначены буквой Т), которые плотно ассоциируют с другими субъединицами тубулина. По мере старения субъединиц связанный с тубулином ГТФ гидролизуется до ГДФ. Тубулин, содержащий ГДФ (обозначен буквой Д), относительно быстро отделяется от микротрубочек. Если гидролиз превосходит сборку, то «головка» из ГТФ-тубулина исчезает и микротрубочка быстро укорачивается. (По Kirschner, Mitchison, 1986.)

менты необходима для развития акросомного процесса при оплодотворении. Сходным образом тубулин собирается в микротрубочки митотического аппарата и распадается на мономеры при завершении митоза. Затем эти тубулиновые единицы могут быть реорганизованы в новые микротрубочки, которые важны для детерминации формы клеток.

Рост микротрубочки регулируется гидролизом молекул ГТФ, которые ковалентно связаны с тубулином. Новополимеризованный тубулин присоединяется к ГТФ и образует стабильные комплексы с другими молекулами тубулина. При старении тубулинов (или при реорганизации клетки) ГТФ гидролизуется с образованием ГДФ. Тубулин, связанный с ГДФ, не образует комплекс с соседними молекулами тубулина. Полагают, что эта пониженная стабильность вызывает деполимеризацию микротрубочки (рис. 14.32). Как мы увидим в следующей главе, дифференциальный рост микротрубочек может оказывать определяющее влияние на клеточный и эмбриональный морфогенез.

Способность формировать волокна свойственна

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

228 _______________ ГЛАВА 14 ______________________________________________________________________________

Рис. 14.33. Образование волокон гемоглобина при серповидноклеточной анемии. А. Электронная микрофотография волокон дезоксигенированного аномального гемоглобина, выходящих из эритроцита, разрушенного осмотическим шоком. Б. Модель формирования волокон, согласно которой мутантный ß -глобин способен присоединяться к ß -глобиновому пептиду другого гемоглобинового тетрамера. (А- из Wellems, Josephs, 1979; фотография с любезного разрешения авторов. Б. – по Dickerson, Geis, 1983.)

относительно небольшому набору клеточных белков. Приобретение этой способности другими белками благодаря мутации может приводить к гибельным последствиям. Такое явление наблюдается при серповидноклеточной анемии. Замена одной аминокислоты (глутамина на валин в шестом положении ß -цепи глобина) вызывает образование гидрофобного кармана, который позволяет взаимодействовать гемоглобиновым тетрамерам в восстановленной форме. Такие волокна растягивают клетку, придавая ей характерную форму серпа, и уменьшают ее гибкость (рис. 14.33).

Некоторые белки образуют комплексы с нуклеиновыми кислотами. Например, гистоны нужны только для того, чтобы вместе с ДНК формировать нуклеосомные частицы. Эукариотическая 80S-рибосома состоит приблизительно из 70 белков и 4 различных рибосомных РНК. Эти белки и нуклеиновые кислоты для своего функционирования должны собираться вместе, и что примечательно, эта сборка происходит быстро и эффективно внутри всех клеток. После этого не должен вызывать удивление тот факт, что полноценные инфекционные вирусы могут быть получены при совместной инкубации структурных белков и нуклеиновых кислот. Белки, которые «маскируют» мРНК в ооцитах, также являются примерами белков, которые могут формировать специфические комплексы с нуклеиновыми кислотами. Белок TFIIIA, который комплексируется с 5S-pPHK в гене 5S-pPHK Xenopus, связывается также с 5S-pPHK в ооците и образует стабильную 7S-частицу (Pelham, Brown, 1980). Таким образом, спонтанная самосборка является еще одной важной формой посттрансляционного контроля.

Коллаген: конспект посттрансляционной регуляции

При рассмотрении синтеза коллагена, одного изглавнейших структурных белков тела, мы можем показать важность и разнообразие механизмов посттрансляционного контроля (см. обзоры Prockop et al., 1979; Davidson, Berg, 1981).

Во-первых, последовательность мРНК коллагена транслируется в пептид проколлагена. Аминоконец проколлагена содержит сигнальную последовательность, которая позволяет ему войти в полость гранулярного эндоплазматического ретикулума. Этот сигнальный пептид отщепляется от остальной части молекулы коллагена. Внутри эндоплазмати-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

ТРАНСЛЯЦИОННАЯ И ПОСТТРА НСЛЯЦИОННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ РАЗВИТИЯ ___________ 229

Рис. 14.34. Модель посттрансляционных модификаций молекулы коллагена внутри гранулярного эндоплазматического ретикулума, а также после секреции. (По Alberts et al., 1983.)

ческого ретикулума молекулы коллагена встречаются также с тремя ферментами, которые его гидроксилируют. Два из этих ферментов гидроксилируют остатки пролина в 3-гидроксипролин и 4-гидроксипролин; третий превращает лизины в оксилизиловые остатки. Эти ферменты узнают остатки пролина и лизина только в определенных положениях (рис. 14.34).

Когда цепи коллагена становятся гидроксилированными, к оксилизинам могут быть добавлены остатки сахаров. Первый фермент – галактозил-трансфераза – добавляет к оксилизину галактозу; второй фермент – глюкозилтрансфераза – добавляет к оксилизилгалактозе глюкозу. Участок около карбоксильного конца модифицируется глюкозамином и маннозой.

Следующий этап включает образование внутрицепочечных дисульфидных связей и организацию трех коллагеновых полипептидов в тройную спираль. Дисульфидные связи образуются на карбоксильных концах между прилежащими молекулами коллагена, создавая тем самым условия для формирования тройной спирали. Если пролины были гидроксилированы правильно, то три цепи скручиваются одна вокруг другой, образуя протяженный участок тройной спирали, ограниченный с обеих сторон глобулярными областями.

В таком виде молекула коллагена выделяется во внеклеточное пространство. Процессинг продолжается даже там. Сначала протеолитические ферменты удаляют глобулярные домены на аминоконце и карбоксильном конце. В результате этого отрезания образуется фрагмент совершенной тройной спирали. На следующем этапе эти фрагменты самопроизвольно собираются в фибриллы. Однако эти фибриллы не обладают достаточной механической прочностью, чтобы функционировать в качестве структурных белков до тех пор, пока различные тройные спирали не будут ковалентно связаны друг с другом с помощью дополнительных поперечных сшивок. Это связывание осуществляется путем ферментативной модификации лизилов в оксилизиловых остатках и присоединения их друг к другу· Таким образом, существует значительное число необходимых этапов модификации белка после трансляции (как мы увидим в следующих двух главах, коллаген не только исключительно важный структурный белок, но, как полагают, он ответствен

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

230 _______________ ГЛАВА 14 ______________________________________________________________________________

также за некоторые эмбриональные взаимодействия).

Итак, мы рассмотрели различные уровни регуляции экспрессии гена: транскрипцию, процессинг РНК, трансляцию и посттрансляционную модификацию. Было показано, что каждый тип регуляции важен для контроля экспрессии генов в ходе развития. Мы приближаемся к раскрытию тайны дифференцировки, и новые методы клонирования генов (как предсказывал Бовери в 1904 г.) позволят понять дифференцировку на химическом уровне. Однако проблема дифференцировки индивидуальных клеток не единственная в биологии развития. Нам нужно понять также, как взаимодействуют друг с другом клетки тела, чтобы обеспечить развитие в надлежащее время и в надлежащем месте. В следующей части книги мы рассмотрим клеточные взаимодействия в развитии, приводящие к формированию тканей и органов.

ЛИТЕРАТУРА

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

__________________ ТРАНСЛЯЦИОННАЯ И ПОСТТРАНСЛЯЦИОННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ РАЗВИТИЯ 231

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

232 _______________ ГЛАВА 14 ______________________________________________________________________________

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

__________________ ТРАНСЛЯЦИОННАЯ И ПОСТТРАНСЛЯЦИОННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ РАЗВИТИЯ ____________________ 233

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

Оглавление