Экспрессия генов.

Как известно, в ДНК содержится определенная генетическая информация:

- о структуре всех белков и РНК организма,

- о порядке реализации этой информации в разных клетках в процессе онтогенеза (индивидуального развития) и при различных функциональных состояниях.

Поскольку во всех соматических клетках организма один и тот же набор из 46 хромосом, то, несмотря на подчас сильные отличия между клетками, все они содержат в своих ДНК одну и ту же генетическую информацию. (Некоторое исключение составляют лимфоциты, в процессе формирования которых происходит перестройка генов иммуноглобулинов - антител.)

Данное обстоятельство - генетическая эквивалентность ядер всех соматических клеток организма послужило основанием для клонирования животных. В процессе репликации ДНК генетическая информация воспроизводится целиком, чтобы затем передаваться дочерним клеткам.

Но, кроме того, эта информация экспрессируется (реализуется) в клетке, обуславливая все проявления ее жизнедеятельности. Однако экспрессии подвергается отнюдь не вся имеющаяся в ядре генетическая информация, а лишь какая-то (обычно весьма небольшая) ее часть.

Этим-то и обусловлены особенности тех или иных клеток тем, каков спектр (набор) функционирующих генов и каковы при этом уровни их активности.

Экспрессия информации о структуре определенного белка включает 2 основных этапа (рис. 1).

Рисунок 1. Основные этапы экспрессии генов

Первый этап — транскрипция: образование в клеточном ядре на соответствующем гене (локализующемся в одной из хромосом) специального посредника — матричной РНК (м-РНК).

Смысл этого процесса — переписывание информации о структуре белка с огромного неподвижного носителя (ДНК в составе хромосомы) на небольшой подвижный носитель - м-РНК. Примерно так же обстоит дело, когда с жесткого диска компьютера, содержащего тысячи файлов, переписывают один из них на дискету. С той лишь разницей, что м-РНК в процессе записи информации образуется из новых нуклеотидов. Следовательно, м-РНК, считанные с разных генов, должны отличаться друг от друга — как отличаются друг от друга сами гены. Другое важное обстоятельство: непосредственный продукт транскрипции гена правильней называть предшественником м-РНК (пре-м-РНК). Дело в том, что новообразованная м-РНК подвергается, тут же (в ядре) созреванию, или процессингу. При этом она претерпевает существенную модификацию.

И лишь после того зрелая м-РНК (видимо, в комплексе со специальными белками) поступает из ядра в цитоплазму.

Второй этап — трансляция: синтез белка на рибосомах по программе, диктуемой м-РНК. Суть этой программы - определение очередности, в которой аминокислоты должны включаться в строящуюся пептидную цепь. Причем в процессе участвуют не свободные, а активированные аминокислоты: каждая из них связана с т. н. транспортной РНК (т-РНК), т. е. находится в виде аминоацил-т РНК (аа-т РНК). Для каждой из 20 аминокислот имеется своя специфическая форма т-РНК, а чаще — даже не одна, а несколько форм.

Рибосомы же играют в трансляции роль молекулярных машин, обеспечивающих правильное взаимодействие участников. В состав рибосомы входят четыре молекулы т. н. рибосомной РНК (р-РНК) — по одной молекуле каждого из 4-х видов р-РНК. Объединяясь с рибосомными белками, они образуют две субъединицы рибосомы и выполняют в них структурную, а также, возможно, каталитическую функции.

Таким образом, в трансляции участвуют РНК трех классов — м-РНК, т-РНК и р-РНК.

После окончания трансляции новый белок обычно не работает. Он должен приобрести рабочую (третичную или четвертичную) структуру. Этот процесс называется фолдинг(рис. 2).

Рисунок 2. Схема фолдинга.

Таким образом, как видим, фолдинг - очень важный этап в образовании работоспособных белков.

Вместе с тем оказалось, что добавление в среду некоторых белковых фракций клетки значительно облегчает рефолдинг (восстановление активности) денатурированных белков. Отсюда и возникло представление о вспомогательных белках (или факторах) фолдинга.

Затем было обнаружено, что данные факторы можно разделить на две группы.

Первая группа - это белки с каталитической активностью, т.е. ферменты фолдинга, или фолдазы. Пока обнаружено только два таких белка.

Как и прочие ферменты, они требуются лишь в каталитических количествах, т. е. в концентрациях, на порядки меньших, чем у «обслуживаемых» ими белков.

Вторая группа - т. н. молекулярные шапероны. Полагают, что сюда входят белки с самыми разными механизмами действия. Например, шапероны могут обеспечить белку удобное место для безопасного сворачивания в третичную структуру - котел с крышкой.

Объединяют же их следующие два обстоятельства:

- они требуются в количествах, близких к стехиометрическим, т. е. сравнимых по величине с концентрацией сворачиваемых белков;

- они, как и фолдазы, не входят в состав конечных продуктов фолдинга, какими бы сложными олигомерными образованиями эти продукты ни были.

Показательно в связи с этим исходное значение слова «шаперон» в английском языке: это пожилая дама, сопровождающая молодую девушку на балах.

Аналогично и молекулярные шапероны: способствуя правильному фолдингу, они как бы впервые выводят «в свет» новосинтезированные белки.

Из предыдущего изложения можно представить, что фолдинг - особенно с участием фолдаз и шаперонов - всегда приводит полипептидную цепь к «правильной», наиболее оптимальной в энергетическом и функциональном отношениях, структуре.

К сожалению, это не так. Существует группа тяжелых неврологических болезней, которые обусловлены закономерно повторяющимся «неправильным» фолдингом одного, вполне определенного белка.

Данный белок, если он находится в нормальной конформации, называется прионовым белком. Обнаруживается он в мозгу; функция его неизвестна.

При ряде же заболеваний тот же полипептид оказывается в другой конформации. В последней преобладают участки с бета-структурой, почти отсутствующие в нормальной нативной форме, а молекулы белка имеют повышенную склонность к агрегации. Такой белок называется прионом(от proteinaceous infection particle - белковая инфекционная частица). В данной форме он, видимо, не способен к выполнению своей обычной функции.

Но самое худшее заключается в том, что «неправильная» форма белка вызывает переход в такую же форму и «правильных» форм. Как это происходит, неясно. Возможно, имеет место захват «правильных» молекул агрегатами приона, в результате чего эти молекулы разворачиваются и организуются заново, но по подобию прионов.

Таким образом, прионы в отношении своих исходных молекул играют роль антишаперонов,осуществляющих как бы фолдинг наоборот. Более того, процесс, очевидно, является автокаталитическим: вновь образовавшиеся порции «испорченного» белка начинают «портить» очередные порции нативного белка. Процесс продолжается, пока весь белок не оказывается «испорчен». Болезнь развивается в течение нескольких лет, но неотвратимо приводит к гибели животного или человека.

Как возникают в организме первые порции приона? Иногда, чрезвычайно редко, это происходит спонтанно - в результате ошибки фолдинга. Несколько чаще встречаются мутации, тогда болезнь передается по наследству. Наиболее часто болезнь возникает в результате употребления в пищу тех тканей животного, в которых содержатся прионы. Потому-то данные белки и названы инфекционными частицами.

Их отличает еще одна очень важная особенность - устойчивость к протеазам. Это помогает прионам проникать в неизмененном виде из желудочно-кишечного тракта в нервную ткань, где и запускается вышеизложенный автокаталитический процесс.

Все вместе это делает прионы уникальным инфекционным агентом: это, видимо, единственный случай, когда подобный агент лишен нуклеиновой кислоты (белковая инфекция).

Как же называются вызываемые прионами болезни? У коров это т. н. губчатая энцефалопатия (BSE - bovine spongiform encephalopathy), или коровье бешенство. Употребление человеком мяса таких коров вызывает болезнь Крейнцфельда-Якоба. Использование в популярной литературе термина «вирус коровьего бешенства» неграмотно. Прионы не вирусы. Кроме того, среди туземцев Новой Гвинеи известна еще одна болезнь той же природы - куру, при которой на лице человека то и дело появляются гримасы, как при смехе. Считают, что куру передается в результате каннибализма. Наконец, у овец болезнь называется почесухой: постоянный зуд заставляет животных все время тереться о твердые предметы. Открытие прионовых болезней позволяет некоторым биологам усомнится в так называемой «центральной догме молекулярной биологии». Определяющей однонаправленность потока информации от нуклеиновых кислот к белкам (ДНК↔РНК→белок).

Дополнительная литература.

1. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3-х т. Т.1: Пер. с англ. / Под ред. Р. Сопера. -М: Мир, 1993. С.206-217.

2. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. М.: 2003. 554 с.