Volume1

608 Часть 2. Основные генетические механизмы

ки, которые имеют «неправильные» конформации, от многочисленных растущих на рибосомах полипептидов (а также полипептидов, только что вышедших с рибосом), которые еще не успели принять надлежащую свернутую конформацию. Это не тривиальная задача; система убиквитин–протеасома, как думают, уничтожает многие из растущих и недавно образованных молекул белка не потому, что эти белки неправильны как таковые, а потому, что они в течение непродолжительного времени несут на себе сигналы к деградации, которые будут запрятаны внутрь в их зрелом (свернутом) состоянии.

6.2.22.  Многие белки находятся под контролем механизмов регулируемого разрушения

Как только что было описано, одна из функций внутриклеточных протеолитических механизмов состоит в опознавании и уничтожении неправильно свернутых или в каком-либо ином отношении аномальных белков. На протеолитические механизмы клетки возложена еще одна миссия — наделять короткими сроками жизни определенные нормальные белки, концентрации которых должны быстро изменяться в зависимости от изменений состояния клетки. Некоторые из таких короткоживущих белков всегда подвергаются быстрой деградации, тогда как многие другие условно недолговечны, то есть при некоторых условиях они метаболически стабильны, но при изменении состояния клетки становятся нестабильными. Например, митотические циклины долговечны на всем протяжении клеточного цикла — до их внезапной деградации в конце митоза, что будет объяснено в главе 17.

Как же управляется такое регулируемое разрушение белков? Несколько механизмов проиллюстрированы с помощью характерных примеров, которые появятся в этой книге чуть позже. По одному из основных механизмов (рис. 6.94, а), активность убиквитинлигазы усиливается или фосфорилированием E3, или аллостерическим переходом в белке E3, вызываемым связыванием с ним определенной малой или большой молекулы. Например, стимулирующий переход к анафазе комплекс (APC; anaphase-promoting complex) представляет собой многосубъединичную убиквитинлигазу, которая активируется синхронизированным с клеточным циклом присоединением субъединиц во время митоза. После этого активированный APC вызывает деградацию митотических циклинов и некоторых других регуляторов перехода из метафазы в анафазу (см. рис. 17.44).

И наоборот, в ответ на внутриклеточные сигналы или на сигналы окружающей среды в некотором белке может сформироваться сигнал к деградации и обусловить его стремительное убиквитинирование и разрушение протеасомой. Один общий способ создания такого сигнала — фосфорилирование определенного участка белка, в результате чего становится видимым обычно скрытый сигнал к деградации. Другой способ демаскировать такой сигнал — действовать путем регулируемой диссоциации белковых субъединиц. Наконец, мощные сигналы к деградации могут быть созданы путем расщепления одной пептидной связи, при условии, что такое расщепление создаст новый N-конец, который опознается специальным белком E3 как «дестабилизирующий» N-концевой остаток (рис. 6.94, б).

Сигнал к деградации N-концевого типа возникает в силу «правила N-конца», которое связывает время жизни белка in vivo с природой его N-концевого остатка. Согласно правилу N-конца, у дрожжей S. cerevisiae 12 дестабилизирующих остатков (Arg, Lys, His, Phe, Leu, Tyr, Trp, Ile, Asp, Glu, Asn и Gln) из 20 стан-

610 Часть 2. Основные генетические механизмы

метионинаминопептидазами, часто удаляют первый метионин новосинтезированного белка, но они делают это только в том случае, если второй остаток тоже является стабилизирующим — согласно правилу N-конца. Поэтому первоначально было неясно, как подчиняющиеся правилу N-конца субстраты образуются in vivo. Однако теперь известно, что такие субстраты образуются под действием сайт-специфичных протеаз. Например, субъединица когезина — белкового комплекса, удерживающего сестринские хроматиды вместе, — расщепляется высокоспецифичной протеазой во время перехода из метафазы в анафазу. Такое регулируемое клеточным циклом расщепление позволяет сестринским хроматидам разойтись и ведет к завершению митоза (см. рис. 17.44). С-концевой фрагмент расщепленной субъединицы несет N-концевой аргинин — дестабилизирующий остаток по правилу N-конца. Мутантные клетки, у которых не срабатывает путь по правилу N-конца, показывают значительное повышение частоты потери хромосом — предположительно, по причине невозможности деградировать этот фрагмент субъединицы когезина, что препятствует образованию новых связанных с хроматидами когезиновых комплексов в следующем клеточном цикле.

6.2.23.  Неправильно свернутые белки могут агрегировать и вызывать у человека деструктивные процессы

Многие наследственные болезни человека — например, серповидноклеточная анемия (см. разд. 24.1.5) и дефицит альфа-1-антитрипсина (состояние, которое часто ведет к заболеваниям печени и эмфиземе), — вызваны мутантными белками, которые избегают проводимых клеткой проверок качества, неправильно сворачиваются и образуют агрегаты. Абсорбируя важнейшие макромолекулы, такие агрегаты могут серьезно повредить клетке и даже вызвать ее смерть. Часто наследование одного мутантного аллеля гена может вызвать болезнь, так как нормальная копия этого гена не в силах защитить клетку от разрушительного действия белковых агрегатов.

У здоровых индивидов постепенный упадок имеющихся у клетки систем проверки качества белков также может вызвать заболевание, причиной которого будет образование агрегатов нормальными белками (рис. 6.95). В некоторых случаях белковые агрегаты выходят из мертвых клеток и накапливаются во внеклеточном матриксе, который окружает все клетки ткани, и в крайних случаях они могут даже повредить ткань. Поскольку мозг состоит из высокоорганизованной системы нервных клеток, он особенно уязвим. Поэтому не удивительно, что белковые агрегаты вызывают прежде всего нейродегенеративные заболевания. Наиболее яркими примерами этого служат болезнь Хантингтона и болезнь Альцгеймера — последняя является причиной старческого слабоумия у более чем 20 миллионов человек в сегодняшнем мире.

Для того чтобы белковый агрегат того или иного типа мог жить, расти и повреждать организм, он должен быть очень устойчив к протеолизу как внутри клетки, так и вне ее. Многие из белковых скоплений, приводящих к заболеваниям человека, образуют фибриллы, построенные из ряда полипептидных цепей, которые уложены слоями друг на друга в виде стопки β-листов. Эта так называемая

«кросс-бета» структура, или «кросс-бета» филамент (cross-beta filament) (рис. 6.95, в) — структура, особенно устойчивая к протеолизу, — встречается при многих неврологических расстройствах, вызываемых белковыми агрегатами и образует отчетливо различимые бляшки, известные как амилоиды.

612 Часть 2. Основные генетические механизмы

Одна из специфических разновидностей таких патологий заслужила особенно дурную славу. Это болезни, вызываемые прионами — прионные заболевания (prion diseases). В отличие от болезней Хантингтона и Альцгеймера, прионные болезни могут передаваться от одного организма другому, если этот второй организм ест ткань, содержащую белковый агрегат. Группа заболеваний, называемых у овец скрейпи (scrapie; овечья почесуха), у человека — болезнью Крейцфельда – Якоба (CJD; Creutzfeld – Jacob disease) и у крупного рогатого скота — губчатой энце-

фалопатией (BSE; bovine spongiform encephalopathy), обусловлена неправильно свернутой, агрегированной формой белка под названием PrP (прионный белок). PrP обычно расположен на внешней поверхности плазматической мембраны — особенно много его в нейронах. Его нормальная функция не известна. Однако PrP имеет тенденцию переходить в крайне специфическую аномальную конформацию (см. рис. 6.95, а). Эта конформация не только формирует стойкие к протеазе «кросс-бета» структуры; она также и «инфекционна», потому что превращает нормально свернутые молекулы PrP в такую же патологическую форму. Данное свойство обусловливает формирование петли с положительной обратной связью,

вкоторой аномальная форма PrP, названная PrP* (см. рис. 6.95, б), приводит к быстрому распространению патологической конформации в мозге, от клетки к клетке, в конечном счете вызывая смерть и животных, и людей. Может представлять опасность употребление в пищу тканей животных, которые содержат PrP*, о чем свидетельствуют зарегистрированные в Великобритании случаи передачи BSE (обычно упоминаемой как «болезнь коровьего бешенства») от крупного рогатого скота людям. К счастью, в отсутствие PrP* необычайно трудно перевести PrP в аномальную форму.

Хотя очень немногие белки имеют потенциал аномально сворачиваться

в«инфекционную» конформацию, приведем пример мистического «исключительно белкового наследования», наблюдаемого в клетках дрожжей. Возможность изучать инфекционные белки в дрожжах прояснила другую примечательную особенность прионов. Эти белковые молекулы могут образовывать несколько отличающихся друг от друга типов агрегатов из одной и той же полипептидной цепи. Более того, агрегат каждого типа может быть инфекционным, вынуждая нормальные молекулы белка принимать аномальную структуру того же самого типа. Так, несколько разных «штаммов» инфекционных частиц может появиться из одной и той же полипептидной цепи (рис. 6.96). Каким образом одна и та же аминокислотная последовательность может принимать множественные формы агрегатов, до конца не ясно; вполне возможно, что все прионные агрегаты напоминают «кросс-бета» структуры (см. рис. 6.95, в), которые скреплены воедино преимущественно взаимодействиями в полипептидном остове. При этом боковые цепи аминокислот могут свободно принимать различные конформации, и, если такие структуры самораспространяются, можно объяснить существование различных штаммов.

Наконец, хотя прионы открыты при изучении болезней, которые ими вызваны, они, кажется, играют также и некоторую положительную роль в клетке. Например, некоторые виды грибов используют трансформации прионов для формирования различных типов клеток. Высказано также предположение, хотя и спорное, что прионы играют определенную роль в закреплении воспоминаний у сложных многоклеточных организмов наподобие нас с вами.

616 Часть 2. Основные генетические механизмы

перевалочный пункт — РНК. Такой механизм представляет главный парадокс: если нуклеиновые кислоты необходимы для синтеза белка, а белки нужны, в свою очередь, для синтеза нуклеиновых кислот, то как такая система взаимозависимых компонентов могла вообще возникнуть? Согласно одной гипотезе, на Земле до появления современных клеток существовал мир РНК (рис. 6.98). В те далекие времена РНК и хранила генетическую информацию, и катализировала химические реакции в примитивных клетках. Лишь на более поздних этапах эволюции ДНК стала генетическим материалом, а белки стали главными катализаторами и структурными компонентами клеток. Если данное представление верно, то переход из мира РНК еще не завершен; как мы видели в этой главе, РНК все еще катализирует несколько фундаментальных реакций в современных клетках, что можно считать молекулярным атавизмом, напоминающим нам о мире, предшествовавшем нашему.

Рис. 6.98. Временнáя шкала существования Вселенной, предполагающая первоначальное развитие живыхсистемвмиреРНК.

В этом параграфе мы знакомим читателя с некоторыми доводами в пользу гипотезы о «мире РНК». Мы увидим, что существование в современных клетках нескольких из наиболее удивительных «созданий», таких как рибосома и машина пре-мРНК сплайсинга, наиболее легко объяснить, если cчитать их потомками сложной сети опосредствуемых РНК взаимодействий, которые преобладали в метаболизме клетки из «мира РНК». Мы также обсудим вопрос о том, как ДНК смогла занять место РНК в качестве генетического материала, как генетический код мог возникнуть и как белки могли заменить РНК в роли катализаторов и взять на себя основную долю биохимического катализа, приходящуюся на них в клетках современного мира.

6.3.1.  Для жизни необходимо сохранение информации

Согласно предположениям некоторых ученых, первые «биологические» молекулы на Земле были образованы в ходе катализируемых металлами реакций, протекавших на кристаллических поверхностях минералов. В принципе, сложная система молекулярного синтеза и разложения (метаболизм) могла существовать на таких поверхностях задолго до появления первых клеток. Хотя это и спорно, многие ученые полагают, что на добиологической Земле имела место интенсивная стадия «химической эволюции», во время которой малые молекулы, которые могли катализировать свой собственный синтез, конкурировали друг с другом за сырье.

Однако для существования жизни требуется гораздо больше этого. Как сказано в главе 1, возможно, главным свойством жизни является наследственность. Клетка должна не просто использовать сырье, чтобы создавать сеть катализируемых реак-

Глава 6. Клеточные механизмы считывания генома: путь от ДНК к белку 617

ций, она должна делать это согласно сложному набору инструкций, закодированных в наследственной информации. Репликация этой информации гарантирует, что сложный метаболизм клеток может точно воспроизводиться. Другая отличительная особенность жизни — генетическая изменчивость, которая проистекает из изменений в наследственной информации. Эта изменчивость, на которую воздействует давление естественного отбора, лежит в основе невероятного многообразия форм жизни на нашей планете.

Таким образом, для появления жизни необходим какой-либо способ хранения информации, какой-нибудь способ ее дублирования, некоторый способ ее изменения и, наконец, хотя бы какой-то способ преобразования этой информации — посредством катализа — в благоприятные химические реакции. Но с чего такая система могла начать формироваться? В современных клетках наиболее многофункциональные катализаторы представлены полипептидами, состоящим из множества различных аминокислот с химически разнообразными боковыми цепями и, следовательно, полипептиды способными принимать разнообразные трехмерные структуры, покрытые химически активными боковыми группами аминокислот. Полипептиды также несут информацию, заложенную в порядке следования их аминокислотных звеньев. Но не известно ни одного способа, которым полипептид может воспроизвести себя, непосредственно задавая образование другого с точно такой же последовательностью.

6.3.2.  Полинуклеотиды могут выполнять две функции: хранить информацию и катализировать химические реакции

Полинуклеотиды обладают одним свойством, которое резко отличает их от полипептидов: они могут непосредственно направлять формирование копий своей собственной последовательности. Эта способность обусловлена комплементарным спариванием оснований нуклеотидных субъединиц, что позволяет одному полинуклеотиду служить матрицей для образования другого. Как мы узнали из этой

ипредыдущей глав книги, такие механизмы матричной комплементарности лежат в основе репликации и транскрипции ДНК в современных клетках.

Но для эффективного синтеза полинуклеотидов таким механизмам матричной комплементарности требуются катализаторы, которые должны активировать реакцию полимеризации: без катализаторов образование полимера протекает медленно, подвержено ошибкам и неэффективно. Сегодня направляемая матрицей полимеризация нуклеотидов активно катализируется ферментами белковой природы, такими как ДНК- и РНК-полимеразы. Как такая полимеризация могла катализироваться прежде — до существования белков с необходимой ферментативной специфичностью? Ответ на этот вопрос забрезжил с открытием в 1982 году того факта, что молекулы РНК сами могут выступать в роли катализаторов. Мы уже видели в этой главе, например, что молекула РНК катализирует одну из важнейших реакций в клетке — ковалентное соединение аминокислот при формировании белка. Уникальный потенциал молекул РНК служить и носителем информации, и катализатором подводит основание под гипотезу о существовании мира РНК.

Таким образом, РНК обладает всеми свойствами, необходимыми молекуле, которая могла бы катализировать многообразие химических реакций, в том числе

ите, что ведут к своему же собственному синтезу (рис. 6.99). Хотя самореплицирующиеся системы молекул РНК не обнаружены в природе, ученые уверены, что они могут быть сконструированы в лаборатории. Хотя демонстрация данного факта