Влияние гормонрецепторных комплексов на хроматин

После этапа активации, обусловливаемого взаимодействием стеро­идных гормонов с их специфическими внутриклеточными рецеп­торными белками, гормонрецепторные комплексы приобретают способность быстро связываться с хроматином и влиять на транс­крипцию специфических молекул мРНК. Отдельные белки, синтез которых, как было установлено, индуцируется действием стероид­ных гормонов на образование яРНК, перечислены в табл. 4—6.

По всей вероятности, будет показано, что многие другие белки, о которых известно, что на их содержание влияют стероидные гор­моны, также регулируются через первичное действие гормонре­цепторных комплексов на транскрипцию генов и скорость образо­вания мРНК.

Таблица 4—6. Специфические белки, регулируемые стероидными гормонами через контроль синтеза мРНК

Известны многие другие зависимые от стероидных гормонов белки (напри­мер, субстрат ренина, тироксинсвязывающий глобулин, кортикостероидсвязывающий глобулин), но уровень регуляции их продукции пока не установлен прямыми опре­делениями образования мРНК при действии гормонов [1].

Точный механизм регуляции экспрессии специфических генов все еще изучается, но недавно были начаты исследования струк­туры и функции генов с целью определения главных стадий этого процесса. Большинство соответствующих сведений было получено при изучении влияния эстрогенов на синтез РНК и белка в двух тканях-мишенях: незрелой матке крыс [80] и яйцеводах цыплят [95]. При первичной стимуляции этих тканей эстрогенами в тече­ние фазы клеточного роста и дифференцировки происходит синтез ДНК, всех видов РНК и многих белков [98]. В матке ранней реак­цией на эстроген является синтез мРНК, кодирующей характерный «индуцированный белок» [99]. В яйцеводе цыпленка начальная реакция пролиферации клеток трубчатых желез сопровожда­ется синтезом нескольких протеинов яичного белка, главным ком­понентом которых является овальбумин. После регресса первич­ной реакции на эстроген повторное воздействие эстрогеном или прогестероном вызывает в яйцеводе быстрое увеличение продук­ции мРНК, контролирующих синтез специфических «экспортируе­мых» белков, в том числе овальбумина и кональбумина. Скорость синтеза овальбуминовой мРНК, регистрируемая либо путем транс­ляции in vitro, либо с помощью гибридизации с комплементарной ДНК (кДНК), после введения эстрогена быстро увеличивается и тесно коррелирует со скоростью синтеза овальбумина. После отме­ны эстрогена число молекул овальбуминовой мРНК быстро умень­шается, что согласуется с представлением о необходимости присут­ствия эстрогенов для продолжения транскрипции мРНК на матрице овальбуминового гена [1, 95].

Эти, а также аналогичные данные об эффектах андрогенов и глюкокортикоидов in vivo и in vitro, подтверждают предположение о том, что стероидные гормоны действуют путем повышения син­теза специфических мРНК, исчезающих после удаления индуци­рующего гормона. В некоторых случаях повышенный синтез мРНК снижается при добавлении второго гормона, ингибирующего дей­ствие первого, что наблюдается при добавлении антагонистов эст­рогенов или андрогенов. Хотя эффекты стероидных гормонов заключаются обычно в увеличении скорости синтеза мРНК, но бывают случаи, когда гормональное воздействие приводит к «выключению» специфических мРНК, как это происходит, напри­мер, при ингибиторном действии глюкокортикоидов на синтез и секрецию АКТГ клетками передней доли гипофиза. Здесь уровень специфического 31 К-предшественника кортикотропина и b-липопротеина увеличивается после адреналэктомии и снижается при действии глюкокортикоидов, что свидетельствует о регуляции ими скорости образования молекул мРНК предшественника [100]. Ана­логичный эффект глюкокортикоидов наблюдается в культуре кле­ток опухоли гипофиза, хотя острое подавление секреции АКТГ под действием глюкокортикоидов представляется слишком быстрым, чтобы быть обусловленным только снижением синтеза мРНК [101]. За исключением этой формы ингибиторного контроля, которая, ве­роятно, имеет общее значение для эффектов стероидных и тиреоид­ных гормонов по механизму обратной связи на секрецию соответ­ствующих тропных гормонов, большинство воздействий стероид­ных гормонов на синтез белка первично реализуется, по-видимому, через дерепрессию специфических генов. Полный эффект гормон-рецепторных комплексов в ядрах клеток-мишеней включает, веро­ятно, несколько аспектов синтеза и процессинга РНК с главным влиянием на повышение синтеза РНК [81].

Гормонрецепторные комплексы оказывают прямое воздействие на активность РНК-полимеразы в изолированных ядрах, а также на матричную функцию хроматина клеток-мишеней. Эстрогены и андрогены стимулируют активность ядрышковой [I] и нуклеоплазменной [II] РНК-полимераз в соответствующих клетках-мишенях (матке и предстательной железе), а прогестеронрецепторные комплексы повышают матричную активность хроматина из яйце­водов цыплят, но не из тканей, не являющихся мишенями для про­гестерона. Эти данные позволяют считать, что системы синтеза и процессинга РНК в гормонзависимых тканях и опухолях в отсут­ствие гормона ограничиваются или подавляются, отчасти за счет ограничения матричной функции хроматина, и что гормонрецепторные комплексы снимают это ингибирование. Поскольку пры стимуляции ткани, например эстрогенами, в клетках-мишенях синтезируется огромное количество белков, следует полагать, что в трофических эффектах гормонов должны принимать участие многие гормонрецепторные комплексы, даже если экспрессия генов главных секретируемых белков зависит от активации очень неболь­шого числа участков генома.

Накопление мРНК при действии стероидных гормонов могло бы определяться как прямыми быстрыми влияниями на транскрипцию" так и вторичными эффектами белков, образующихся вследствие начальной стимуляции синтеза мРНК. Так, влияние экдизона на хроматин слюнных желез насекомых заключается в индукции кратковременных вздутий (пуффов) на хромосомах, которые пред­ставляют собой активные гены, причем синтез белка необходим для образования поздних, но не ранних пуффов [102а]. Экдизон локализуется в специальных участках политопных хромосом, реа­гирующих образованием пуффов. Удаление стероида приво­дит к регрессии ранних, но не поздних пуффов. Это свидетельст­вует о том, что ранние эффекты стероида включают синтез белка,, индуцирующего поздние пуффы. Гормональные влияния на накоп­ление мРНК могли бы опосредоваться и изменениями в скорости-их деградации, как это видно, например, по гораздо более длитель­ному периоду полужизни овальбуминовой мРНК в яйцеводах полу­чавших эстроген цыплят, чем у цыплят, лишенных эстрогенов. Таким образом, эффекты стероидрецепторных комплексов могли бы включать индукцию белка, увеличивающего стабильность мРНК, равно как и первичное действие, сводящееся к повышению синтеза мРНК. Быстрый прогресс представлений о структуре в организации гена обнаружил неожиданную сложность основных транскрипционных единиц в эукариотических клетках, а также процессинга мРНК, образующейся под влиянием стероидных гор­монов и других регуляторов генов.

Структура гена и процессинг продуктов транскрипции (мРНК)

Известно, что между транскрипцией РНК на матрице ДНК и появ­лением транслируемой мРНК в цитоплазме существует несколько стадий. До недавнего времени полагали, что транскрипция приво­дит к образованию высокомолекулярной РНК, процессинг которой сводится к простому нарезанию специфических молекул мРНК, которые затем и проходят в цитоплазму, где транслируются с об­разованием соответствующих белков. Однако в настоящее время выяснилось, что стадии процессинга, участвующие в образовании мРНК, более сложны и включают такие модификации, как полиаденилирование 3 -конца и присоединение метилированного гуанозина и к 5 -концу молекулы мРНК. Последовательности-ДНК, определяющие первичную структуру мРНК, также оказа­лись не смежными, как полагали раньше, а, как правило, разъеди­ненными «вставками» (или интронами), которые отсутствуют в комплементарной структуре соответствующих мРНК. Таким обра­зом, мРНК не прямо копируется с генной последовательности, а-транскрибируется вначале в виде гораздо более крупного продук­та, из которого в ходе процессинга вырезаются промежуточные последовательности с образованием зрелой мРНК, непосредствен­но транслирующейся на рибосомном уровне [104].

Присутствие промежуточных последовательностей ДНК в эука­риотических генах впервые было обнаружено в генах b-глобулина, легких цепей иммуноглобулинов и альбумина. Позднее такие вставки были найдены также в генах овальбумина, кональбумина и овомукоида, равно как и в других генах специфических белков [1, 104]. Современная точка зрения на организацию овальбуминового гена, отраженная на рис. 4—28, заключается в том, что струк­турный ген разъединяется по меньшей мере 7 промежуточными последовательностями. Стимуляция эстрогеном вызывает коорди­нированное повышение транскрипции структурных и промежуточ­ных последовательностей овальбуминового гена с накоплением как высокомолекулярной РНК, содержащей ов альбуминовую последо­вательность, так и цитоплазматической овальбуминовой мРНК [105]. Молекулы крупного предшественника мРНК, содержащего промежуточные последовательности, подвергаются воздействию ферментов с вырезанием вставок и последующим сшиванием, что приводит к образованию зрелой мРНК (см. рис. 4—28). Функция промежуточных последовательностей (или интронов) в эукариотических структурных генах не выяснена. Одно из предположений заключается в том, что они ограничивают участки гена, кодирую­щие домены белка, ответственные за отдельные части его общей функции, и что структурные участки ДНК (или экзоны) сближа­лись в процессе эволюции при участии интронов [106]. Применимы ли эти объяснения к овальбумину, не ясно, поскольку специфиче­ские функции этого белка яйцеводов не известны. Однако данные о том, что ген кональбумина (овотрансферрина) содержит 17 экзонов, позволяют проверить эту концепцию путем анализа функцио­нальных доменов, принимающих участие в секреции (сигнальная последовательность) белка и связывании железа [107].

Рис. 4—28. Структурная организация и транс­крипция гена овальбумина. Эстроген стимули­рует экспрессию всего гена, а промежуточные последовательности за­тем вырезаются со сши­ванием отрезков и обра­зованием зрелой мРНК овальбумина цыплят (Chan и соавт. [1] в мо­дификации). ов — овальбумин; светлый участок — структурный ген темный участок — вставоч­ные последовательности ДНК: линия — боковые последовательности ДНК.

Анализ генома клеток яйцеводов вблизи овальбуминового гена позволил недавно обнаружить два соседних гена с последователь­ностями, гомологичными овальбуминовому гену [108]. Эти два до­полнительных гена имели и интроны, сходные с таковыми в гене овальбумина, и экспрессировались при стимуляции эстрогенами, хотя и в меньшей степени, чем овальбуминовый ген. Такой клас­тер родственных генов мог бы возникнуть в процессе эволюции-путем параллельной сборки из смеси родственных и неродствен­ных участков или путем удвоения исходного гена, в котором соче­тание нитронов и экзонов было зафиксировано с самого начала [109]. Отражает ли разная экспрессия трех генов при действии эстрогенов различия в эффективности транскрипции или различия в последующем процессинге и стабилизации мРНК, пока не уста­новлено. Организация овальбуминовой области генома аналогична таковой генов глобина, и кластеризация структурно и функцио­нально близких генов может быть общей чертой генома эукариотических клеток [108].