9.3.2. Транскрипция, трансляция и факторы, влияющие на эти процессы

Мы знаем, что ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит на рибосомах, находящихся в цитоплазме. Какие же молекулярные процессы имеют место при синтезе белка? Один из таких процессов называется транскрипцией и осуществляется с помощью другой нуклеиновой кислоты, которая носит название рибонуклеиновой (РНК). РНК представляет собой, так же как и ДНК, цепочку нуклеотидов, однако углеводным компонентом является рибоза, а одно из азотистых оснований ДНК - тимин - заменено на другое - урацил.           В клетках эукариот транскрипцию осуществляет специальный фермент РНК-полимераза II. Молекула полимеразы прикрепляется к стартовой последовательности ДНК (промотору) и, двигаясь вдоль нити ДНК, начинает строить молекулу РНК по тому же принципу шаблона, который используется для дупликации ДНК. По достижении другого специфического участка ДНК - сигнала терминации - полимераза отделяется и высвобождает новосинтезированную молекулу РНК, которая носит название информационной, или матричной (мРНК). Эта одноцепочечная мРНК является копией ДНК и содержит код для последовательности аминокислот в белке, кодируемом данным участком ДНК. Затем мРНК перемещается из ядра в цитоплазму клетки к рибосомам, где на ее основе происходит построение полипептидных цепей, или трансляция.           На ход транскрипции и трансляции могут влиять другие белки, относящиеся к регуляторным. Белки, влияющие на транскрипцию (факторы транскрипции), являются гетерогенной группой белков, которые либо путем активации, либо путем ингибирования регулируют экспрессию гена, то есть ту степень активности, с которой ген участвует в синтезе специфического для него белка. Факторы транскрипции определяют, будет ли, и в какой степени, ген экспрессирован.           Для транскрипции у эукариот, в связи с существованием экзонов и нитронов, характерно включение в процесс дополнительного этапа редакции мРНК. Первоначальная транскрипция РНК включает считывание как кодирующих, так и некодирующих участков (формируется незрелая мРНК). Затем она должна быть трансформирована в зрелую мРНК, которая не имеет некодирующих фрагментов. Такая редакция осуществляется с помощью специального клеточного механизма, который носит название сплайсинга. Если что-то мешает сплайсингу, то незрелая мРНК становится нестабильной и исчезает из клетки. По количеству и разнообразию стабильной мРНК можно судить о разнообразии и степени активности генов, синтезирующих белки.           Интересно, что сплайсинг может осуществляться различными путями, что позволяет на основе одной незрелой мРНК создавать различные формы зрелой. Это так называемый альтернативный сплайсинг. Альтернативный сплайсинг регулируется факторами клеточной среды. Примером альтернативно сплайсируемого гена является ген, который кодирует либо кальцитонин, пептид, включенный в регуляцию кальция, либо один из нейрогормонов. Если процессинг незрелой мРНК осуществляется в нейронах, то первичный транскрипт преобразуется в мРНК, кодирующую нейрогормон. А в клетках щитовидной железы альтернативный сплайсинг того же предшественника приводит к образованию молекулы мРНК, кодирующей пептид кальцитонин. Таким образом, специфика ткани регулирует тот конечный продукт, который синтезируется на основе одного и того же гена. Следовательно, возникающий в результате клеточный фенотип не определяется однозначно кодом ДНК, а слагается под влиянием многих частей клеточного механизма. Так что формула "один ген - один белок" для многоклеточных организмов оказалась неверной. Альтернативный сплайсинг приводит к увеличению разнообразия продуктов, которые могут быть закодированы в одном гене (см. рис. 9.3, а также тему 3).

Процесс трансляции осуществляется на рибосоме. В этом процессе участвует еще один вид РНК - транспортная РНК (тРНК). Транспортная РНК необходима, поскольку не существует прямой комплементарности между мРНК и аминокислотами. Транспортная РНК является посредником между мРНК и аминокислотами. В процессе сборки белка различают три стадии - начало, продолжение и окончание. Каждая из этих стадий также может регулироваться.           После трансляции полипептидные цепи складываются в двух- и трехмерные структуры, образуя белки различной конфигурации. Форма зрелого белка определяет его функциональный особенности. На форму и, следовательно, на функции белка могут также влиять различные процессы, происходящие в клетке. Когда процесс синтеза белка закончен, конечный продукт должен быть транспортирован в определенное место внутри или вне клетки, где он начнет выполнять свою функцию. Этот процесс также подвержен регуляции (рис. 9.3).           Среди всех органов тела мозг занимает первое место по числу активных генов. По некоторым оценкам, число различных молекул стабильной мРНК, продуцируемых в мозге и специфичных для этого органа, может быть около 150 000 (Changeux J.P., 1997). Однако, несмотря на такое многообразие экспрессирующихся в мозге генов, количество синтезирующейся в клетке мРНК многих мозгоспецифичных генов относительно невелико, транскрипция этих генов осуществляется на низком уровне. Для сравнения можно сказать, что в хрусталике глаза продуцируется всего около 3000 различных мРНК, но количество каждой из них достаточно велико, что говорит о высокой интенсивности транскрипции.           Интересно оценить использует ли мозг, при таком высоком количестве активных генов всю ДНК, имеющуюся в хромосомах. Известно, что в оплодотворенной яйцеклетке мыши содержится 6x10-6 микрограмм ДНК. Если произвольно порезать эту цепь на сегменты (в соответствии с кодированием белка молекулярным весом 40 000), то получится примерно два миллиона таких сегментов. Максимальное число генов не может быть больше этого числа. Если учесть наличие некодирующих последовательностей и большого количества повторяющихся последовательностей, то структурные гены окажутся представлены лишь небольшой частью всей ДНК. На сегодняшний момент оценки максимального числа структурных генов очень приблизительны и для мыши составляют от 20 000 до 150 000. Последнее число сопоставимо с разнообразием мРНК, обнаруженным в мозге.           Оценить количество генов, которые экспрессируются в мозге и неактивны в других тканях организма, можно экспериментально, создавая тканеспецифичные кДНКовые библиотеки. Первые работы по оценке мозгоспецифичных генов были сделаны на крысах. Было показано, что из приблизительно 100 000 генов, которые составляют весь геном крысы, около 60000 экспрессируются в клетках мозга, причем около половины этих генов транскрибируются только в мозге, а в других тканях эти гены "молчат". Н. Жао с сотрудниками провел анализ кДНК-библиотеки мозга человека. Оказалось, что из 2505 случайно выбранных рекомбинантных клонов библиотеки около половины имеют мозгоспецифическую экспрессию. Если учесть, что в результате альтернативного сплайсинга количество мозгоспецифических транскриптов еще более увеличивается, то получается, что почти каждый второй ген в геноме человека связан с обеспечением функций нервной системы.           Таким образом, процессы, происходящие при считывании генетической информации с ДНК и при последующем синтезе белка, являются многоступенчатыми, и на каждой ступени возможна регуляция. Это означает, что между генотипом и фенотипом клетки не существует однозначного соответствия, а конечный результат целой цепи превращений зависит от динамических событий внутри и вне клетки. Регуляция определяет, будет ли ген экспрессирован, когда, где и в какой степени, какой белок будет синтезирован на основе данного гена, как он будет модифицирован и где будет локализован. Регуляция может происходить на любой ступени экспрессии гена, но в основном она происходит при процессах транскрипции. Здесь определяется, будет ли вообще осуществляться транскрипция, и если да, то с какой скоростью она будет происходить и какова будет ее продолжительность. Таким образом, большинство регуляторов - это факторы транскрипции.      

     Из всех видов тканей наибольшее разнообразие клеток и клеточных продуктов представлено в нервной системе. Это может обеспечиваться двумя путями: либо каждая клетка экспрессирует лишь небольшую часть своего генома, либо она использует один и тот же набор генов различным образом (вспомним альтернативный сплайсинг). Возможно, в нервной системе используются оба этих механизма, каждый из которых требует высоких уровней регуляции .           Некоторая часть процессов регуляции связана с формой самой хромосомы. Например, для млекопитающих характерно явление, которое называется инактивацией одной из двух X-хромосом у представительниц генетически женского пола. Оказывается, что одна из Х-хромосом в клетках тела женской особи плотно скручивается и превращается в так называемое тельце Барра. В таком видоизмененном виде очень мало генов X-хромосомы оказываются доступными транскрипции, и она функционально напоминает более мелкую Y-хромосому. Такая инактивация осуществляется случайным образом и, если аллели обеих Х-хромосом различаются, может возникнуть явление мозаичности, известное, например, для кошек, имеющих черепаховую расцветку.           Регуляция может быть также связана с изменениями в хроматине. Дело в том, что молекула ДНК не существует сама по себе, а находится в структуре, именуемой хроматином. Эта структура включает также белки - гистонные комплексы, и свыше 90% ДНК обычно обернуто вокруг гистонных комплексов, образуя четкоподобные структуры, называемые нуклеосомами (примерно по 150-200 пар оснований в каждой нуклеосоме) (рис. 9.4). Местоположение нуклеосом также может регулировать транскрипцию.

Большинство факторов транскрипции также являются белками, то есть продуктами трансляции. Это означает, что продукт, закодированный одним геном, может влиять на транскрипцию других генов, а иногда и того же самого гена. Следовательно, активность одной части генома может влиять на активность других его частей. Некоторые факторы транскрипции, экспрессированные генами, могут иметь широкое влияние на активность генома. Наибольшее внимание в этом отношении привлекают так называемые ранние гены (в английском варианте immediate early genes) и экспрессируемые ими продукты.