Происхождение регуляторных белков

Белки, принимающие участие в регуляции метаболизма, сами мо­гут служить лигандами (например, пептидные гормоны), т. е. взаимодействовать с другими белками, такими, как гормональные рецепторы, оказывая регуляторное действие. Другие регуляторные белки такие, как рецепторы гормонов или регуляторная субъ­единица протеинкиназы (фермент, активируемый цАМФ), обла­дают активностями, контролируемыми связыванием регуляторных лигандов (т. е. гормонов и цАМФ соответственно) (см. главу 4). Для того чтобы активности белков этого класса могли специфи­чески регулироваться лигандами, такие молекулы прежде всего должны обладать участками, специфически (и, как правило, с вы­соким сродством) связывающими лиганд, что придает молекулам способность отличать лиганд от других химических соединений. Кроме того, белок должен обладать такой структурой, чтобы в результате связывания лиганда его конформация могла менять­ся, т. е. обеспечивать возможность оказания регуляторного дей­ствия. Например, у млекопитающих специфическое связывание цАМФ с регуляторной субъединицей отдельных протеинкиназ приводит к уменьшению сродства связи этой субъединицы с ка­талитической субъединицей фермента (см. главу 4). Это обус­ловливает диссоциацию обеих белковых субъединиц фермента. Каталитическая субъединица, освободившись из-под ингибиторного действия регуляторной субъединицы, активируется и ката­лизирует фосфорилирование белков. Фосфорилирование изменяет свойства определенных белков, что сказывается на процессах, на­ходящихся под контролем цАМФ. Взаимодействие стероидных гормонов со своими рецепторами вызывает в последних такие конформационные изменения, которые придают им способность связываться с клеточным ядром (см. главу 4). Это взаимодейст­вие изменяет и другие свойства рецепторов, важные для опосредования эффекта стероидных гормонов на транскрипцию опреде­ленных видов мРНК.

Для того чтобы обладать столь специализированными и вы­сокоспецифическими функциями, белки в результате эволюции генов, определяющих их аминокислотную последовательность, должны были приобрести ту структуру, которую они имеют в настоящее время. В некоторых случаях в процессе принимают участие и другие гены, кодирующие синтез продуктов, модифи­цирующих сами регуляторные белки (например, путем гликозилирования). Поскольку эволюция генов, по-видимому, происхо­дила за счет таких механизмов, как мутация предсуществующих генов и рекомбинация участков различных генов (о чем говори­лось), это наложило определенные ограничения на эволюцию белка. С эволюционной точки зрения, вероятно, было бы проще видоизменить присутствующие структуры, чем создавать совер­шенно новые гены. В связи с этим существование некоторой го­мологии в аминокислотных последовательностях различных бел­ков может и не быть неожиданностью, так как их гены могли возникнуть вследствие эволюции общих предшественников. По­скольку, как отмечалось выше, участки белков, приспособленные для связывания регуляторных лигандов, таких, как цАМФ и сте­роиды или их аналоги, уже должны были существовать ко вре­мени появления этих лигандов, легко представить себе, как мо­дификация генов таких белков может привести к синтезу других белков, сохраняющих высокую специфичность связывания регу­ляторного лиганда.

На рис. 2—2 приведена одна из гипотетических схем эволю­ции примитивной глюкотрансферазы в три существующие типа регуляторных белков: бактериальный цАМФ-связывающий белок (CAP или CRP), регулирующий транскрипцию нескольких генов, кодирующих ферменты, которые принимают участие в метабо­лизме лактозы [4], а также цАМФ-связывающий белок млекопи­тающих, который регулирует активность цАМФ-зависимой про­теинкиназы, опосредующей действие цАМФ у человека (см. гла­ву 4), и аденилатциклазу (см. главу 4). Применительно к бактериальному белку и киназе АТФ-связывающие участки при­митивной глюкокиназы эволюционировали в направлении при­обретения большей специфичности связывания цАМФ. Бактери­альный белок приобрел также дополнительную полинуклеотид (ДНК)-связывающую способность. Эволюция киназы предполага­ет приобретение глюкофосфотрансферазной способности фосфорилировать белки. Наконец, из глюкокиназы путем замены АДФ-генерирующей функции на цАМФ-генерирующую могла бы об­разоваться и аденилатциклаза. Эти заключения не могут не быть сугубо гипотетическими; тем не менее они показывают, как могла осуществляться молекулярная эволюция перечисленных регуля­торных белков.

Рис. 2—2. Предположительное происхождение цАМФ-зависимой протеинки­назы, аденилатциклазы и бактериального цАМФ-связывающего регулятор­ного белка (Baxter, MacLeod [4]).

Хотя многие детали в картине эволюции белков отсутствуют, имеющиеся в настоящее время сведения о структуре белков и генов дают некоторые основания для анализа вопроса о том, про­изошли ли гены некоторых полипептидных гормонов из общего гена-предшественника [5]. Отдельные полипептидные гормоны можно сгруппировать по структурному сходству. Нет ничего уди­вительного в том, что гормоны, относящиеся к одной группе, мо­гут обладать и сходством вызываемых ими физиологических эф­фектов, а также сходным механизмом действия. Так, гормон роста (СТГ), пролактин и хорионический соматомаммотропин (плацентарный лактоген) характеризуются высокой степенью го­мологии аминокислотной последовательности. Гликопротеидные гормоны — тиротропный гормон (ТТГ), хорионический гонадо­тропин человека (ХГЧ), фолликулостимулирующий (ФСГ) и лю­теинизирующий (ЛГ) гормоны — состоят из двух субъединиц, каждый, одна из которых (А-цепь) идентична или почти иден­тична у всех гормонов данной группы [4]. Аминокислотная после­довательность субъединиц В в различных гормонах, хотя и не идентична, но имеет структурную гомологию. Вероятно, именно эти различия В-цепей имеют решающее значение для придания специфичности взаимодействию каждого гормона с его тканью-мишенью. Инсулин обнаруживает некоторые структурные анало­ги и обладает общей биологической активностью с другими фак­торами роста, такими, как соматомедин и неподавляемая инсулиноподобная активность (НИПА) [6].

Что касается группы гормонов, к которой принадлежит гор­мон роста, то нуклеотидная последовательность мРНК, кодирую­щих их синтез, частично выяснена [5]. Для каждой аминокисло­ты необходимы три нуклеотида в ДНК (и, следовательно, в транс­крибируемой с нее мРНК). Хотя данному триплету нуклеотидов; (кодон) соответствует именно данная аминокислота, для одной и той же аминокислоты могут существовать несколько кодонов. Та­кая «вырожденность» генетического кода обусловливает возмож­ность большей или меньшей гомологии нуклеотидных последова­тельностей двух данных генов, определяющих структуру двух гормонов, чем имеется в белках. Так, если два белка обладают случайной гомологией аминокислотной последовательности, то по­следовательности нуклеиновых кислот могли бы обнаруживать большие различия. Однако в отношении генов, кодирующих син­тез гормонов группы соматотропина, это не так; гомология по­следовательности нуклеиновых кислот выше, чем гомология ами­нокислотной последовательности [5]. Гормон роста человека и хорионический соматомаммотропин, которые имеют 87% гомоло­гию аминокислотных последовательностей, в своих мРНК имеют 93% гомологию последовательностей нуклеиновых кислот. Гормо­ны роста человека и крысы обладают 70% гомологией аминокис­лотных последовательностей, а их мРНК обнаруживают 75% го­мологию последовательности нуклеиновых кислот. В некоторых участках мРНК гормона роста крысы и хорионического соматомаммотропина человека (мРНК двух разных гормонов у двух биологических видов) гомология составляет 85% (рис. 2—3). Та­ким образом, лишь минимальные изменения оснований в ДНК обусловливают различия гормонов. Следовательно, эти данные подтверждают заключение о том, что гены таких гормонов об­разовались в ходе эволюции из общего предшественника. С по­зиций изложенных представлений о символах и вызываемых ими реакциях существенно, что каждый из трех гормонов данной группы обладает влиянием на рост (см. далее). Гормон роста представляет собой фактор, определяющий линейный рост. Про­лактин играет важную роль в процессах лактации и тем самым обеспечивает рост новорожденного. Хорионический соматомаммотропин, хотя его физиологическое значение точно не установле­но, может оказывать существенное влияние на внутриутробный рост, направляя поступающие в организм матери пищевые веще­ства на рост плода [7].

Рис. 2—3. Гомология аминокислотных (АК) последовательностей в гормоне роста крысы (ГРК) и хорионическом соматомаммотропине человека (пла­центарный лактоген человека, ПЛЧ) и последовательностей нуклеиновых кислот в матричных РНК, кодирующих синтез этих двух гормонов. Назва­ния аминокислот даны в сокращении, равно как и названия нуклеиновых кислот. Показана область, соответствующая аминокислотной последова­тельности 134—149. Негомологичные нуклеиновые и аминокислоты подчерк­нуты (Baxter и сотр. [5]). У — уридин, Ц — цитозин, А — аденозин, Г — гуанозин.