Volume1

Глава 6. Клеточные механизмы считывания генома: путь от ДНК к белку 559

вбиогенезе рибосом, ядрышко служит также местом, где производятся другие РНК и собираются другие РНК-белковые комплексы. Например, U6 snРНП, функционирует в пре-мРНК-сплайсинге (см. рис. 6.29), состоит из одной молекулы РНК и, по крайней мере, семи белков. Перед окончательной сборкой в U6 snРНП молекула U6 snРНК в ядрышке химически модифицируется с помощью snoРНК. Другие важные РНК-белковые комплексы, к коим мы отнесем теломеразу (мы с ней встречались в главе 5) и частицу узнавания сигнала (которую мы обсудим

вглаве 12), как полагают, тоже собираются в ядрышке. Наконец, молекулы тРНК (транспортных РНК), которые несут аминокислоты для синтеза белка, процессируются тоже там; подобно генам рРНК, те, что кодируют молекулы тРНК, сгруппированы в ядрышке. Таким образом, ядрышко можно рассматривать как большую фабрику, на которой многие различные некодирующие РНК транскрибируются, процессируются и собираются вместе с белками, образуя в итоге все наблюдаемое нами многообразие рибонуклеопротеидных комплексов.

6.1.24.  Ядро содержит множество различных субъядерных структур

Хотя ядрышко — самая заметная структура в ядре, обнаружено и исследовано и несколько других ядерных телец (рис. 6.48). К ним относятся тельца Кахаля (названы по имени ученого, который впервые описал их в 1906 г.), GEMS (Gemini

Рис.6.48.Наглядноепредставлениенекоторыхкрупныхядерныхтелец.а–г)Микрофотографииодного итогожеядраклеткичеловека,причемпрепаратыобработанытакимобразом,чтобывкаждомизних проявился определенный набор ядерных структур. д) Все четыре изображения, увеличенные и наложенныедругнадруга. а)Показаналокализациябелкафибрилларина(компонентнесколькихвидов snoРНП), который присутствует и в ядрышках, и в тельцах Кахаля (последние обозначены стрелками). б)Показаныкластерыинтерхроматиновыхгранул,или«крапинок»,обнаруженныхпутемиспользования антителкбелку,участвующемувсплайсингепре-мРНК.в)Препаратокрашентак,чтобывыявитьосновную массу хроматина. г) Показано местоположение белка коилина, который присутствует в тельцах Кахаля

(стрелки; см. также рис. 4.67). (Заимствовано из J. R. Swedlow and A. I. Lamond, Gen. Biol. 2: 1–7, 2001.

СлюбезногоразрешенияBioMedCentral.ЗамикрофотоснимкимыблагодаримJudithSleeman.)

560 Часть 2. Основные генетические механизмы

of Cajal body; близнецы телец Кахаля) и кластеры интерхроматиновых гранул (называемые также спеклами или «крапинками»). Подобно ядрышку, все эти ядерные структуры не имеют мембран и достаточно динамичны; их появление, вероятно, связано со скоплением белковых и РНК-компонентов, участвующих в синтезе, сборке

ихранении макромолекул, а также в экспрессии генов. Тельца Кахаля и GEMS схожи друг с другом и часто объединяются в пары, дрейфующие в ядре; еще до конца не ясно, представляют ли они разные или тождественные структуры. Они, наиболее вероятно, служат местами, в которых молекулы snoРНК и snРНК подвергаются ковалентным модификациям и заключительной сборке вместе с белками. Группа направляющих РНК, названных малыми РНК телец Кахаля (small Cajal RNAs; scaРНК), путем спаривания оснований выбирает участки для этих модификаций. Тельца Кахаля и GEMS могут также быть участками, в которых snРНП возвращаются в оборот и находящиеся в них молекулы РНК возвращаются в исходное состояние после перестроек, происходивших во время сплайсинга (см. стр. 541). Напротив, скопления интерхроматиновых гранул, предположительно, служат хранилищами полностью созревших snРНП и прочих компонентов РНК-процессинга, которые готовы к использованию для производства мРНК (рис. 6.49).

Ученым пришлось преодолеть много трудностей, чтобы установить функции этих маленьких субъядерных структур, отчасти потому, что их облик отличается

уразных организмов и может резко изменяться на протяжении клеточного цикла или при изменениях в окружающей среде. По большей части прогресс, достигнутый в наши дни, обусловлен бурным развитием генетических методов, позволяющих изучать воздействие на организм целенаправленных мутаций (в опытных организмах) или самопроизвольных мутаций (у людей). В качестве одного примера скажем, что GEMS содержат белок SMN (survival of motor neurons; выживания двигательных нейронов). Некоторые мутации гена, кодирующего этот белок, являются причиной наследственной спинномозговой мышечной атрофии — болезни человека, характеризующейся потерей двигательной способности мышц. Эта болезнь, по-видимому, обусловлена нарушением производства snРНП. Потеря большей части snРНП, вероятнее всего, окажется смертельной.

Ввиду столь важного значения ядерных субдоменов в процессинге РНК следовало бы ожидать, что пре-мРНК-сплайсинг будет происходить в специфическом участке ядра, поскольку для его протекания требуются многочисленные РНК-

ибелковые компоненты. Однако сборка занимающихся сплайсингом компонентов на пре-мРНК сопряжена с транскрипцией, или происходит котранскрипционно; таким образом, сплайсинг должен происходить на многих участках хромосомы. Хотя типичная клетка млекопитающих может экспрессировать порядка 15 000 генов, транскрипция и сплайсинг РНК могут быть ограничены несколькими тысячами участков в ядре. Сами эти участки являются очень динамичными и, вероятно, появляются в результате объединения компонентов транскрипции и сплайсинга, с тем чтобы создать маленькие «сборочные линии» с высокой локальной концентрацией этих компонентов. Кластеры интерхроматиновых гранул — которые содержат резервы РНК-процессирующих компонентов — часто наблюдаются рядом с участками транскрипции, они всегда готовы обеспечить полноценное снабжение процесса. Таким образом, ядро видится нам высокоорганизованным и разбитым на специализированные субдомены, при этом snРНП, snoРНП и другие ядерные компоненты перемещаются между ними в организованном порядке сообразно с потребностями клетки (см. рис. 6.48; также см. рис. 4.69).

562 Часть 2. Основные генетические механизмы

намного сложнее, и поэтому у них три РНК-полимеразы: I, II и III, — которые эволюционно родственны друг другу и бактериальной полимеразе.

РНК-полимераза II синтезирует мРНК эукариот. Этот фермент требует ряда вспомогательных белков — общих факторов транскрипции — для инициа- ции транскрипции на очищенной матрице ДНК и еще больше белков (включая комплексы перестройки хроматина и гистон-модифицирующие ферменты) для инициации транскрипции на хроматиновых матрицах в клетке.

В период фазы элонгации транскрипции синтезируемая РНК подвергается событиям процессинга трех типов: специальный нуклеотид присоединяется к ее 5′-концу (кэпирование), последовательности интронов удаляются из внутренних частей молекулы РНК (сплайсинг) и формируется 3′-конец РНК (расщепление и полиаденилирование). Каждый из этих процессов запускается белками, которые

путешествуют вместе с РНК-полимеразой II, связавшись с участками на ее длинном, выступающем наружу C-конце. Необычность сплайсинга состоит в том,

что многие из его ключевых шагов выполняются специализированными молекулами РНК, а не белками. Правильно процессированные молекулы мРНК проходят через ядерные поровые комплексы в цитозоль, где транслируются в белок.

КонечнымпродуктомнекоторыхгеновявляетсяРНК.Уэукариоттакиегены обычно транскрибируются или РНК-полимеразой I, или РНК-полимеразой III.

РНК-полимераза I производит рибосомные РНК. После синтеза в виде большого предшественника молекулы пре-рРНК подвергаются химической модификации, расщеплению и уже в виде рРНК — сборке в две рибосомные субчастицы. Все

эти процессы происходят в ядрышке — обособленной субъядерной структуре, которая помогает процессировать также и некоторые РНК-белковые комплексы

меньшего размера. Дополнительные субъядерные структуры (включая тельца Кахаля и кластеры интерхроматиновых гранул) служат участками, в которых компоненты, вовлеченные в процессинг РНК, собираются, хранятся и вновь запускаются в оборот.

6.2.  От РНК к белку

В предыдущем параграфе мы узнали, что конечным продуктом некоторых генов являются молекулы РНК — такие как входящие в состав snРНП и рибосом. Однако в большинстве своем находящиеся в клетке гены производят молекулы мРНК, которые служат посредниками на пути к белкам. В этом параграфе мы изучим вопрос о том, как клетка преобразует заложенную в молекуле мРНК информацию в молекулу белка. Это «чудо перевода» было в центре внимания биологов в конце 1950-х гг., когда задача его разгадки называлась «проблемой кодирования»: как информация в линейной последовательности нуклеотидов РНК переводится, или транслируется, в линейную последовательность из набора совершенно иных в химическом отношении единиц — аминокислот в белках? Этот занимательный вопрос будоражил умы ученых того времени. Перед ними была тайнопись, задуманная природой, которую по прошествии более чем 3 миллиардов лет эволюции мог, наконец, расшифровать один из ее продуктов — человек. И действительно, не только сам код был взломан шаг за шагом, но в 2000-м году и структура сложнейшей машины, при помощи которой клетки считывают этот код, — рибосомы — была, наконец, определена с точностью до отдельных атомов.

564 Часть 2. Основные генетические механизмы

и каждый кодон или описывает какую-либо аминокислоту, или задает остановку процесса трансляции.

Этот генетический код используется единообразно во всех современных организмах. Хотя в коде и обнаружено несколько небольших отличий, они в основном относятся к ДНК митохондрий. Митохондрии имеют свои собственные системы транскрипции и синтеза белка, которые работают совершенно независимо от таковых в остальных частях клетки, и поэтому вполне объяснимо, что они слегка «переработали» универсальный код, приспособив его к своим маленьким геномам (обсудим это подробнее в главе 14).

В принципе, последовательность РНК может быть транслирована с любой из трех разных рамок считывания (reading frames) в зависимости от того, где процесс расшифровки начнется (рис. 6.51). Однако только одна из трех возможных рамок считывания в мРНК кодирует необходимый белок. Позже мы увидим, как специальный сигнал «пунктуации» в начале каждого РНК-сообщения устанавливает верную рамку считывания на старте синтеза белка.

Рис.6.51.Тривозможныерамкисчитыванияприсинтезебелка.Впроцессетрансляциипоследователь-

ностинуклеотидов(синяя)впоследовательностьаминокислот(красная)нуклеотиднаяпоследовательность молекулы мРНК считывается в направлении от 5'-конца к 3'-концу последовательными группами по три нуклеотида.Поэтому,впринципе,однаитажепоследовательностьРНКможет«описывать»трисовершенно разные последовательности аминокислот — в зависимости от выбранной рамки считывания. Однако вдействительноститолькооднаизтакихрамоксчитыванияслужит«ключомкнастоящемусообщению».

6.2.2.  Молекулы тРНК сопоставляют аминокислоты с кодонами в мРНК

Находящиеся в молекуле мРНК кодоны не опознают напрямую аминокислоты, которые они кодируют: группа из трех нуклеотидов, например, не связывается непосредственно с аминокислотой. Трансляция мРНК в белок зависит от молекуладаптеров, которые могут распознавать кодон и связываться и с кодоном, и — другим участком их поверхности — с аминокислотой. Такие «переходники» представлены набором маленьких молекул РНК, известных под названием транспортных РНК (тРНК; transport RNA). Длина тРНК составляет около 80 нуклеотидов.

Ранее в этой главе мы обнаружили, что молекулы РНК могут складываться в точные трехмерные структуры, и молекулы тРНК являют нам яркий пример такой способности. Четыре коротких сегмента свернутой тРНК являются двух-

Глава 6. Клеточные механизмы считывания генома: путь от ДНК к белку 565

цепочечными, за счет чего образуется молекула, напоминающая собой клеверный лист, если ее изобразить схематично (рис. 6.52). Например, последовательность 5′–GCUC–3′ в одной части полинуклеотидной цепи может достаточно сильно взаимодействовать с последовательностью 5′–GAGC–3′ в другой области той же молекулы. Такой трилистник подвергается дальнейшему фолдингу с образованием компактной L-образной структуры, которая скрепляется в таком виде дополнительными водородными связями между различными областями молекулы.

Рис. 6.52. Молекула тРНК. тРНК, специфичная к аминокислоте фенилаланину (Phe), изображена различными способами. а) Структура «клеверного листа», показывающая комплементарное спаривание оснований (фиолетовые линии), которые создают в молекуле двухцепочечные области. Антикодон представляетсобойпоследовательностьизтрехнуклеотидов,котораяспариваетсясоснованиямикодона вмРНК.Аминокислота,соответствующаяпарекодон – антикодон,прикрепленак3'-концутРНК.Молекулы тРНКсодержатнекоторыенеобычныеоснования,которыесоздаютсяпутемхимическоймодификации тРНКпослееесинтеза.Например,основания,обозначенныебуквамиψ(псевдоуридин—см.рис.6.43) иD(дигидроуридин—см.рис.6.55),являютсяпроизводнымиурацила.бив)ПроекцииL-образноймо- лекулы представлены на основании данных рентгеноструктурного анализа. Хотя эта схема показывает тРНКдляаминокислотыфенилаланина,всеостальныетРНКобладаютподобнойструктурой.г)Линейная последовательность нуклеотидов молекулы с цветной кодировкой, общей для изображений а, б и в. д)СимволическоеизображениетРНК,котороемыиспользуемвэтойкниге.

Две области неспаренных нуклеотидов, расположенные на двух концах L-образной молекулы, имеют определяюще важное значение для участия тРНК в синтезе белка. Одна из этих областей образует антикодон (anticodon) — группу из трех последовательных нуклеотидов, которая спаривается с комплементарным ей кодоном в молекуле мРНК. Другая — короткая одноцепочечная область на 3′ конце молекулы; это участок, в котором аминокислота, соответствующая данному кодону, прикрепляется к тРНК.

В предыдущем пункте мы убедились, что генетический код избыточен, то есть одна и та же аминокислота может быть «записана» несколькими разными