ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ

Эволюция человека сформировала на основе молекулы ДНК внутриклеточные генетические процессы; основной из них — биосинтез полипептидных цепей (белков) как главных носителей биологических функций клетки и организма.

Производство белков в рибосомах клетки основано на механизме перевода наследственной информации, зашифрованной в последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, в последовательность аминокислот в молекуле полипептида — это механизм экспрессии (работы) генов или главный механизм функционирования генов.

Рассмотрим вопрос: что с молекулярных позиций представляют собой экспрессия генов и результаты ее реализации — белки?

Экспрессия генов — механизм передачи наследственной информации от молекулы ДНК с помощью различных типов РНК к молекуле полипептида, однонаправленный поток информации (ее путь) из ядра в рибосомы цитоплазмы клетки (рис. 13). Основные звенья экспрессии генов:

 ядро клетки, в котором происходят расплетение нитей молекулы ДНК, транскрипция мРНК с помощью РНК-полимеразы II, процессинг и сплайсинг (созревание) мРНК;

 цитоплазма клетки, в которой происходят транспорт созревшей мРНК от ядра к рибосомам, перевод (трансляция) с помощью рРНК и тРНК информации о последовательности нуклеотидов в молекуле мРНК в последовательность аминокислот в молекуле белка.

Благодаря механизму генной экспрессии в клетке образуется множество молекул мРНК; число их соответствует числу генов, активных в момент экспрессии.

Подразумевается, что одна молекула мРНК приносит в рибосомы информацию о конкретной последовательности нуклеотидов, на основе которой рРНК формирует в них конкретную последовательность аминокислот, поставляемых с помощью тРНК (см. главу 2).

Рис. 13. Механизм экспрессии генов (по В. Эллиот, Д. Эллиот, 2002)

Все эти процессы происходят при участии ряда ферментов, и в результате из рибосом выходят белковые (полипептидные) цепочки (рис. 14).

Как сказано выше, образование копий мРНК обеспечивает РНКполимераза II. Именно она служит для таких молекул своеобразной «штамповочной машиной». РНК-полимераза II выполняет еще ряд функций, например, отбор подлежащих экспрессии генов, определение в гене места, откуда надо начинать копирование ДНК, и места, где следует остановиться, а также контроль скорости, времени экспрессии и количества производимого белка. В последние годы установлено: для образования в молекуле ДНК основного инициаторного комплекса или кэп-сайта, к которому присоединяется РНКполимераза II в ходе транскрипции гена (см. главу 2), требуется ряд

Рис. 14. Примерная схема формирования полипептидов из аминокислот (АК) при взаимодействии мРНК, рРНК и тРНК в рибосомах цитоплазмы

специфических белков — факторов транскрипции. В настоящее время их выделено несколько сотен (см. главу 8). Они присутствуют во всех клетках, в том числе среди них есть TBP-белок или TATA-белок, присоединяющийся к ТАТА-боксу (см. рис. 11). С ТАТА-боксом связаны около 10 TAF-белков (или ТВР-связывающих факторов). Они формируют TFPD-комплекс, фактор транскрипции D для РНК-полимеразы II и белков, образующих ОИК. Вышеперечисленное происходит в генах, имеющих ТАТА-боксы.

Если ТАТА-бокса нет, то кэп-сайт собирается в инициаторной области гена, но, по-видимому, уже с использованием другого фактора (для достижения правильного положения РНК-полимеразы II).

Кроме основного фермента — РНК-полимеразы II, у человека выделены РНК-полимераза I (транскрибирует большую часть молекул рРНК) и РНК-полимераза III (транскрибирует тРНК и более мелкие рРНК).

В случаях с РНК-полимеразами I и III формируются другие стабильные инициаторные комплексы.

Следует отметить, каким образом взаимодействие факторов транскрипции и ОИК регулирует инициацию транскрипции, сегодня еще не вполне ясно. Вероятно, здесь важна «гибкость» регуляции механизма экспрессии генов, ибо многие факторы транскрипции вносят свой вклад в эту регуляцию при наличии на молекуле ДНК соответствующих участков их связывания (взаимодействия ДНК — белок).

В главе 2 сказано: экспрессия — главное свойство гена. Как продукт эволюции, процесс экспрессии имеет свои особенности.

Во-первых, для постоянной экспрессии нужна постоянная транскрипция мРНК. Причем, находящаяся в клетке молекула ДНК неизменно стабильна и готова к функционированию, тогда как образовавшаяся на одной из ее цепей молекула мРНК имеет период полужизни всего от 20 мин до нескольких часов, т.е. любой ген способен лишь к кратковременному производству полипептида.

Во-вторых, объем и скорость производства полипептидов зависят от числа рибосом в клетке и активности ферментов для биосинтеза белков.

В-третьих, в любой момент жизненного цикла клетки в состоянии экспрессии одновременно находятся не более 5-10\% генов генотипа, тогда как остальные гены репрессированы.

Последнее объясняется одинаковым генотипом всех соматических клеток, и все без исключения гены этого генотипа могут экспрес-

сироваться в любые полипептиды, необходимые для жизни клетки и организма в разные моменты их развития. Иными словами, все гены в хромосоме (ДНК, связанной с белками) находятся в «выключенном», репрессированном состоянии (вне транскрипции мРНК), поскольку нуклеосома блокирует область инициации транскрипции каждого промотора (см. главу 2). И до тех пор пока блок не снят (что позволило бы осуществить сборку ОИК), ген не будет транскрибироваться.

Экспрессия одной части генов клетки имеет постоянный характер (например, экспрессия генов «домашнего хозяйства»), тогда как экспрессия другой части генов имеет временный характер (например, экспрессия тканеспецифических генов).

Примерами генов «домашнего хозяйства« служат гены, кодирующие белки-ферменты, необходимые для синтеза ДНК, или гены, кодирующие ферменты гликолиза. Их экспрессия постоянно нужна любой клетке, кроме высокоспециализированных зрелых эритроцитов.

Примерами тканеспецифических генов служат гены, кодирующие белки клеток крови, печени, почек, мышц и т.д.

В-четвертых, если говорить о количественном участии генов в распределении белковых функций, то синтез РНК и белков контролируют 22\% генов, внутриклеточный метаболизм — 17\% генов, обеспечение механизмов деления, защиты, клеточных сигналов — по 12\% генов (всего 36\%), формирование клеточных структур — 8\% генов; другие функции — 17\% генов. Наибольшее число генов кодируют белки-ферменты (каждый третий ген — 31,2\%). Существуют гены, кодирующие белки-модуляторы белковых функций, они стабилизируют, активируют или свертывают белки — их 13,6\%.

Кроме перечисленных групп генов, выделены индуцибельные гены, экспрессия которых зависит от действия стероидных гормонов, и ряд других.

Как сказано выше, в активации экспрессии одного и того же или разных генов принимают участие разные факторы транскрипции. К ним относятся факторы, связывающиеся с ГЦ- и ЦААТ-боксами. Они расположены перед стартовой точкой транскрипции и присутствуют во всех клетках. Причем каждый фактор транскрипции имеет два участка: один для связывания с ДНК, другой для связывания с белками, формирующими ОИК.

Дифференцированная экспрессия генов, очевидно, контролируется внутриклеточными и внеклеточными (организменными) фак-

торами на основе программы онтогенеза, но как реально обстоит дело, пока неясно.

Вместе с тем в последние годы установлено: гены, кодирующие факторы транскрипции, избыточно представлены среди генов, обусловливающих развитие врожденных болезней. Например, более 30\% таких генов связано с фенотипическим проявлением врожденных заболеваний (табл. 2).

Таблица 2. Фенотипическое проявление генов врожденных заболеваний

Название и локализация гена

Врожденное заболевание

MITF (3p12)

Синдром Ванденбурга, тип 2

KIT (4q12)

Неполный альбинизм

SHH (7q36), (7q32.3) и (2р21)

Голопрозэнцефалия

PTC (9q22)

Синдром Горлина

TBX5 (12q24)

Синдром Холта-Орама

LIGAM (Xq28)

Гидроцефалия

PAX (2p25.2) и (11p13.1)

Аниридия 1 и 2

Особенно высок удельный вес врожденных болезней, проявляющихся на первом году жизни ребенка, обусловленных мутациями в генах, кодирующих белки-ферменты (47\%) и свидетельствующих о нарушениях гомеостаза в метаболизме таких детей (до их рождения метаболизм контролировался через плаценту и соответствовал материнскому гомеостазу).

Болезни, вызванные мутациями в генах, кодирующих белкирецепторы, выявляются после первого года жизни на протяжении всего периода пубертата, а болезни, обусловленные мутациями в генах, кодирующих белки-модуляторы белковых функций, — в зрелом возрасте (до 50 лет).

Следует отметить, что механизм экспрессии генов длительное время считался соответствующим только формуле, предложенной Дж. Бидлом и Э. Тейтемом в 1941 г. («один ген — один фермент») и в дальнейшем преобразованной в формулу «один ген — одна полипептидная цепь». Эта формула длительное время считалась центральной догмой молекулярной биологии, однако затем произошло ее дополнение другими формулами, объясняющими механизмы экспрессии генов, и она перестала так называться.

Такое событие произошло в 1965 г., когда У. Дрейер и Дж. Беннет предложили для объяснения механизма биосинтеза иммуноглобулинов формулу «два гена — одна полипептидная цепь».

Оказалось, что в случае биосинтеза антител один ген отвечает за синтез вариабельной области иммуноглобулина (всего таких V-генов выделено 500), а другой ген отвечает за синтез константной области иммуноглобулина (как правило, либо единственный С-ген, либо резко ограниченное их число).

Благодаря указанному соотношению (500:1) рекомбинация (перегруппировка) наследственного материала в ходе образования лимфоцита происходит таким образом, что только один из всех V-генов создает информационный комплекс с С-геном в виде созревшей мРНК.

Спустя 30 лет Р. Дулиттл (1995) предположил: раз белковый домен — синтетаза жирных кислот — имеет только одну полипептидную цепь, но содержит в ней все необходимое для катализа семи реакций, значит, налицо общий результат действия семи разных генов. Тем самым была предложена еще одна формула: «семь генов — одна полипептидная цепь».

В результате выполнения международной программы «Геном человека» право на существование теперь имеют и такие формулы: «один ген — две, три или более полипептидные цепи», а также «разные участки одного гена — разные полипептидные цепи».

Например, мутации в разных частях онкогена RET обусловливают развитие четырех разных наследственных болезней: двух форм полиэндокринного аденоматоза (ZA — 10q21.2; ZB — 10q13), семейной медуллярной тиреоидной карциномы (10q21.2) и болезни Гиршпрунга (10q11).

Из вышесказанного следует вывод: независимо от того, один, два, семь генов или разные участки одного гена контролируют биосинтез одной или нескольких полипептидных цепей, конечным результатом их действия (взаимодействия) является образование многочисленных и сложно организованных полипептидов — носителей разных биологических функций на уровне клетки и организма.

Таким образом, данные о различной специфичности генной экспрессии не только расширили границы ранее существовавших представлений о непоколебимости центральной догмы молекулярной биологии, но и существенно их дополнили. Стала очевидной необходимость дальнейшего изучения характера связей между генами и полипептидами. Это касалось не только формулы, объясняющей механизм или путь от гена к полипептиду («обратная генетика«), но и формулы, объясняющей механизм альтернативного пути: от полипептида к гену («прямая генетика» и концепция клинической протеогеномики).

Говоря о механизмах альтернативного пути, предположим существование обратной связи или системы управления (контроля) за экспрессией генов со стороны продуцируемых ими белковых продуктов.

В частности, есть факт: биосинтез белков идет параллельно с экспрессией генов. Значит, должна поддерживаться тесная связь между указанными процессами.

Оказывается, такая связь действительно имеется: конкретные гены в ходе экспрессии создают конкретные белковые факторы (пептиды или полипептиды), контролирующие экспрессию самих же генов. Следовательно, экспрессия генов — неиссякаемый источник пептидов и полипептидов, возможности которого в пределах одного клеточного цикла безграничны по спектру полипептидов для всех генов генотипа, но ограничены числом рибосом, а также продолжительностью экспрессии и активностью ферментов, участвующих в биосинтезе полипептидов.

Возможности этого источника по спектру полипептидов в пределах жизни многоклеточного организма, вероятно, не имеют ограничений вообще, хотя в теоретическом плане они (возможности) должны зависеть от числа клеточных делений, контролируемых программой онтогенеза, — речь идет о числе Хейфлика, согласно которому общее число делений одной клетки ограничено определенным пределом (см. главу 9).

Оцените статью
yamedik
Добавить комментарий