Синтез рибосомных РНК

В обычных клетках синтез трех видов рРНК (28S, 18S и малой 5S) координирован, т. е. на одну молекулу 28S образуется одна молекула 18S и одна молекула 5S. Синтез 28S и 18S происходит в виде одного большого, общего для них предшественника (пре‑рРНК), который затем тут же, в ядрышке, подвергается процессингу – отщеплению и распаду «лишних» кусочков РНК (транскрибированных со спейсеров), в результате чего из одной молекулы пре‑рРНК получается одна молекула 28S и одна молекула 18S рРНК. Очевидно, что образование больших рРНК в эквимолярных количествах не требует специальной регуляции. Иное дело с 5S рРНК.

Эта рРНК кодируется множественными генами, которые в количестве нескольких тысяч рассеяны по многим хромосомам. Их транскрибирует особая РНК‑полимераза III, транскрибирующая и другие малые РНК (например, тРНК). Очевидно, что синтез эквимолярных количеств больших и малых рРНК требует специальных механизмов регуляций, которые, однако, пока неизвестны.

Оказалось, что в ооците в отличие от обычных клеток эти РНК синтезируются некоординированно. В ранних ооцитах синтеза 28S и 18S рРНК почти нет, а малые РНК – и 5S рРНК, и тРНК (4S РНК), – напротив, синтезируются с большой интенсивностью. Оказалось также, что 5S рРНК считываются в это время с гораздо большего числа генов, чем в клетках зародыша или взрослого организма. Если у лягушки в обычных клетках действует около тысячи этих генов, то в ядрах ооцитов работают 23 тыс. этих генов. Они немного (в шести нуклеотидах из 120) отличаются от «взрослых» 5S р‑генов. Смысл этих отличий пока непонятен, но для чего этих генов так много, совершенно ясно: для того, чтобы обеспечить быстрое накопление 5S рРНК во время оогенеза. Ведь амплификации 5S‑генов нет.

В обычных клетках 5S рРНК не накапливаются, а сразу встраиваются в новые рибосомы. В ранних же ооцитах это невозможно, так как в это время не хватает больших рРНК и рибосомы почти не образуются. Поэтому «ненужные» пока малые рРНК образуют комплексы, состоящие из 5S рРНК, тРНК и нескольких молекул специальных белков. Эти комплексы хранятся в ооцитах до тех пор, пока те не достигнут приблизительно середины оогенеза.

На этой стадии в ооцитах начинает откладываться желток, который синтезировался в печени, и в это же время начинается интенсивный синтез больших рРНК на всех сверхчисленных ядрышках. Эти рРНК соединяются с рибосомными белками и образуют новые рибосомы. В рибосомы встраиваются и ранее накопленные 5S рРНК, которые в это время освобождаются от комплексов, где они хранились. Так в оогенезе амфибий создается большой запас рибосом, равный их количеству в 100 000 обычных клеток.

Причины некоординированности синтеза большых и малых рРНК в оогенезе, по‑видимому, заключаются в необходимости компенсировать отсутствие амплификации 5S р‑генов. Частично это достигается тем, что в ооците амфибий их работает примерно в 23 раза больше, чем в обычной клетке. А кроме того, эти гены работают еще и значительно дольше, так как их функционирование начинается раньше.

Транспортные РНК, которые интенсивно синтезировались в раннем оогенезе, тоже освобождаются из комплексов и готовы к участию в синтезе белка. Однако их относительное количество оказывается меньше, чем в обычных клетках. Для нормальной скорости синтеза белка необходимо, чтобы на одну рибосому приходилось приблизительно по 10 молекул различных тРНК. В ооците же это соотношение намного меньше – всего в среднем по одной молекуле тРНК на рибосому. При таком соотношении или синтез белка должен быть сильно замедлен, или не все рибосомы должны в нем участвовать. Верным оказалось последнее: около 90 % рибосом в ооцитах и в ранних зародышах неактивны и созданы как запас на будущее. Когда в раннем развитии синтез белка ускоряется, а образование новых рибосом еще не началось, используются рибосомы, созданные в оогенезе. В эмбриональном развитии амфибий и рыб синтез тРНК начинается раньше, чем синтез рРНК, и тогда быстро достигается оптимальное соотношение числа молекул рРНК и тРНК, близкое к 1: 10.

Таким образом, в растущем ооците амфибий и многих других животных не только изменяется структура ядра – увеличиваются его размеры, появляются хромосомы типа «ламповых щеток» и сверхчисленные ядрышки. Изменяется и регуляция синтеза различных РНК: интенсивный синтез малых молекул (5S рРНК и тРНК) с середины оогенеза дополняется преимущественным синтезом больших молекул рРНК. Для этого в структуре генома содержится много тысяч генов для 5S рРНК, специально функционирующих только в оогенезе, и происходит амплификация генов, кодирующих 18S и 28S рРНК.