Биологическая химия - часть 133

Рис. 14.13. Регуляция синтеза белка путем репрессии (схема).

Обозначения те же, что на рис. 14.12.

«дает команду» рибосомам синтезировать β-галактозидазу. Одновременно

ген-регулятор продолжает вырабатывать репрессор, но последний бло-

кируется новыми молекулами лактозы, поэтому синтез фермента про-

должается. Как только молекулы лактозы будут полностью расщеплены,

репрессор освобождается и, поступив в ДНК, связывает ген-оператор

и блокирует синтез мРНК, а следовательно, синтез β-галактозидазы в

рибосомах.

Таким образом, биосинтез мРНК, контролирующий синтез белка в

рибосомах, зависит от функционального состояния репрессора. Этот реп-

рессор представляет собой тетрамерный белок с общей мол. массой около

150000. Если он находится в активном состоянии, т.е. не связан с ин-

дуктором, то блокирует ген-оператор и синтеза мРНК не происходит. При

поступлении метаболита – индуктора – в клетку его молекулы связывают

репрессор, превращая его в неактивную форму (или, возможно, снижают

его сродство к гену-оператору). Структурные гены выходят из-под за-

прещающего контроля и начинают синтезировать нужную мРНК.

Как было указано, концентрация ряда ферментов в клетках резко

снижается при повышении содержания отдаленных конечных продуктов,

образующихся в цепи последовательных ферментативных реакций. Такой

эффект, получивший название  р е п р е с с и и ферментов, часто наблю-

дается при реакциях биосинтеза. В этих случаях молекулы репрессора,

также образующиеся в рибосомах ядра по «команде» гена-регулятора,

являются неактивными и сами по себе не обладают способностью по-

давлять деятельность гена-оператора и, следовательно, всего оперона, но

приобретают такую способность после образования комплекса с конечным

или одним из конечных продуктов биосинтетического процесса (см.

рис. 14.13).

Конечный продукт выступает, таким образом, в качестве корепрес-

сора. Имеются данные, что в качестве корепрессоров в синтезе ферментов

обмена аминокислот, по-видимому, выступает не только свободная амино-

кислота как конечный продукт биосинтетической реакции, но и комплекс ее

с тРНК – аминоацил-тРНК.

В регуляции экспрессии структурных генов специфическое участие при-

нимает особый белок – катаболитный генактивирующий белок (от англ.

537

ГР

П

ГО

Оперон

Структурные гены

1

2

3

Репрессор

(активный)

Репрессор

(неактивный)

Корепрессор

(конечный продукт)

Транскрипция

catabolite gene activation protein, сокращенно CAP). Этот белок, взаимо-

действующий с цАМФ, образует комплекс, способствующий прикреплению

РНК-полимеразы к промоторному участку генома. В присутствии комп-

лекса САР-цАМФ фермент может начать транскрипцию оперона, включая

структурные гены, т.е. в клетках имеется еще один, дополнительный

САР-цАМФ-регулятор, действующий, скорее всего, в качестве положи-

тельного регулятора, поскольку его присутствие необходимо для начала

экспрессии гена.

Таким образом, концепция Ф. Жакоба и Ж. Моно о механизме про-

явления (экспрессии) активности генов признана одним из блестящих

достижений молекулярной биологии. Она явилась логическим развитием

многочисленных исследований, проведенных генетиками и биохимиками

в предшествующие десятилетия.

Регуляция экспрессии активности генов у эукариот осуществляется

значительно более сложным путем, поскольку процессы транскрипции

и трансляции разделены не только пространственно ядерной биомембра-

ной, но и во времени. Эта регуляция базируется как минимум на 6 уровнях

сложных биологических процессов, определяющих скорость синтеза и

распада генетического продукта (рис. 14.14).

Для большинства эукариотических клеток, как и клеток прокариот,

стадия инициации транскрипции является основной, главной регуляторной

точкой экспрессии активности генов. Тем не менее имеются существенные

различия: во-первых, место процессов транскрипции (в ядре) и трансля-

ции (в цитоплазме); во-вторых, активирование транскрипции у эукари-

от связано с множеством сложных изменений структуры хроматина в

транскрибируемой области; в-третьих, в эукариотических клетках пре-

валируют положительные регуляторные механизмы над отрицатель-

ными.

Положительная или отрицательная регуляция определяется типом бел-

ков, вовлеченных в механизм регуляции. Получены доказательства су-

ществования минимум 3 типов белков, участвующих в регуляции процесса

инициации транскрипции, опосредованного через РНК-полимеразу:

с п е ц и ф и ч е с к и е  ф а к т о р ы , репрессоры и  а к т и в а т о р ы . Первые вы-

зывают изменение специфичности РНК-полимеразы к данному промотору

или группе промоторов; репрессоры связываются с промотором, блокируя

тем самым доступ РНК-полимеразы к промотору; активаторы, напротив,

связываются вблизи промоторного участка, повышая связывание промо-

тора и РНК-полимеразы.

В многоклеточных организмах среднее число регуляторных сайтов для

одного гена минимум равно пяти; положительные регуляторные белки

связываются со своими специфическими последовательностями в структуре

ДНК (вероятнее всего, посредством водородных связей между амидной

группой Глн или Асн и пуриновыми и пиримидиновыми основаниями

нуклеотидов). Следует указать еще на один момент, почему эукариоти-

ческая клетка использует положительные механизмы регуляции экспрессии

генов. Подсчитано, что в геноме человека содержится около 100000 генов,

соответственно каждая клетка при отрицательном механизме регуляции

могла бы синтезировать 100000 разных репрессоров, причем в достаточных

количествах. При положительном механизме регуляции большинство генов

в принципе неактивно, соответственно молекула РНК-полимеразы не свя-

зывается с промотором и клетка синтезирует ограниченный и избира-

тельный круг активаторных белков, необходимых для инициации транс-

крипции.

538

Рис. 14.14. Схематическое изображение регуляции экспрессии активности гена у

эукариот.

У эукариот выделены и охарактеризованы также пять регуляторных

белков, получивших название  т р а н с к р и п ц и о н н ы х  ф а к т о р о в (TF: IIА,

IIВ, IID, IIЕ и IIF). Они необходимы для узнавания участка (сайта) ДНК,

названного TATA (concensus последовательности, ТАТАААА). Деталь-

ный молекулярный механизм действия факторов транскрипции пока не

раскрыт.

Более подробно в структурном и функциональном отношении у эука-

риот изучена группа белков, получивших название  б е л к о в – актива-

торов  т р а н с к р и п ц и и . Эти белки имеют специфические структурные

домены для связывания с другими, но определенными регуляторными

нуклеотидными последовательностями в молекуле ДНК. В частности, они

содержат домен, специфически связывающийся с ДНК, и один или не-

сколько доменов, необходимых для активирования или взаимодействия

с другими регуляторными белками. Среди этих белков – активаторов

транскрипции имеются белки, содержащие богатые глутамином домены (до

25%) и богатые пролином домены. Следует отметить, однако, что не-

539

ДНК

П

ГО

Структурный ген

Транскрипция

Первичный

транскрипт

Посттранскрипционный

процессинг

Нуклеотиды

Распад мРНК

мРНК

Трансляция

БЕЛОК

(неактивный)

Посттрансляционный

процессинг

БЕЛОК

(активный)

Аминокислоты

Распад белка

которые из них или почти все регуляторные белки активируют транс-

крипцию не прямо, а опосредованно – через промежуточные белки, назван-

ные  к о а к т и в а т о р а м и . Происхождение и механизм действия последних

также не выяснены.

Современные знания о механизмах регуляции экспрессии генов на

посттранскрипционном и посттрансляционном уровнях (см. рис. 14.4) были

подробно рассмотрены ранее (см. главы 13 и 14).

Рассмотрим кратко вопрос о регуляции процессов дифференцировки

клеток высших организмов. ДНК, присутствующая во всех соматических

клетках, вероятнее всего, имеет одинаковую первичную структуру у дан-

ного организма и соответственно располагает информацией для синтеза

любых или всех белков тела. Тем не менее клетки печени, например,

синтезируют сывороточные белки, а клетки молочной железы – белки мо-

лока. Нет сомнения в том, что в дифференцированных клетках имеется

весьма тонкий механизм контроля деятельности ДНК в разных тканях,

обеспечивающий синтез многообразия белков.

Механизмы, лежащие в основе этой регуляции, пока неизвестны. Для их

объяснения существует ряд гипотез. Предполагают, что контроль осу-

ществляется на уровне транскрипции по аналогии с индукцией ферментов

у бактерий и что в этом случае в клетках животных должны функциони-

ровать аналогичные репрессоры. С молекулой ДНК у эукариот связаны

гистоны, поэтому считается, что именно эти белки выполняют роль

репрессоров. Прямых доказательств их роли в качестве репрессоров не

получено, хотя, как было показано, в клетках эукариот открыт класс

регуляторных белков процесса транскрипции. Высказано предположение,

что в ядре синтезируется высокомолекулярная молекула мРНК, содер-

жащая информацию для синтеза широкого разнообразия белков, но в

цитоплазму попадает только небольшая часть зрелой мРНК, а основная

часть ее распадается. Неясны, однако, биологический смысл и назначение

этого механизма избирательного распада и соответственно траты огромной

массы молекулы мРНК.

Существует еще одно предположение, что на ДНК клетки синтези-

руются все мыслимые, возможные мРНК, которые поступают в цито-

плазму, и процесс трансляции регулируется путем специфического и из-

бирательного взаимодействия рибосом с определенными молекулами

мРНК.

Ингибиторы синтеза белка

Один из путей выяснения тонких молекулярных механизмов синтеза

нуклеиновых кислот и белков в клетках – использование таких лекарст-

венных препаратов, которые могли бы избирательно тормозить эти про-

цессы у бактерий, не влияя на клетки организма человека. Некоторые

препараты, действительно, оказывают такое избирательное действие,

взаимодействуя с белками рибосом прокариот и выключая бактериальный

синтез белка. Однако многие из них являются токсичными и для человека.

В настоящее время в медицинской практике применяются многие анти-

биотики, часть из которых будет рассмотрена с целью выяснения мо-

лекулярного механизма их действия на ключевые химические реакции

синтеза белка и нуклеиновых кислот.

Один из мощных ингибиторов белкового синтеза – пуромицин. Он пред-

ставляет собой аналог концевого участка аминоацил-тРНК адениловой

540