Volume1

628 Часть 2. Основные генетические механизмы

Рис. 6.110. Гипотеза, согласно которой РНК предшествовала ДНК и белкам в ходе эволюции. В са-

мых ранних клетках молекулы пред-РНК, должно быть,имелисовместныегенетические,структурные икаталитическиефункции,иРНКпостепенноперенималаунихэтифункции.Всовременныхклетках ДНКслужитхранилищемгенетическойинформации ибелкивыполняютподавляющеебольшинствокаталитических функций в клетках. Сегодня РНК выступает,преждевсего,вролипосредникавсинтезе белка,хотяиоставилазасобойкатализнебольшого числаопределяющеважныхреакций.

которые мы знаем сегодня, тем, что они хранили свою наследственную информации в РНК, а не в ДНК (рис. 6.110).

Свидетельства того, что в ходе эволюции сначала возникла РНК и только потом ДНК, можно обнаружить в химических различиях между ними. Рибоза, подобно

глюкозе и другим простым углеводам, может быть образована из формальдегида (HCHO) — простого химического соеди-

нения, которое легко получается в лабо-

раторных экспериментах, призванных воспроизвести условия на молодой Земле.

Сахар дезоксирибозу получить сложнее,

и в современных клетках он образуется из

рибозы в ходе реакции, катализируемой белковым ферментом; а это предполагает, что рибоза предшествует дезоксирибозе в истории клетки. Предположительно,

ДНК появилась на сцене позже и сразу же оказалась более подходящей, чем РНК, в роли постоянного хранилища генетической информации. В частности, дезоксирибоза в сахарнофосфатном остове придает молекуле ДНК большую химическую устойчивость по сравнению с цепью РНК — так что намного более длинные отрезки ДНК могли сохраняться неповрежденными.

Другие различия между РНК и ДНК: двухцепочечная структура ДНК и использование тимина вместо урацила — еще более упрочили позиции ДНК, ибо благодаря им многие неизбежные поломки, которые происходят в молекуле, устраняются намного легче, о чем мы уже вели подробную беседу в главе 5 (см. разд. 5.4.2 и 5.4.5).

Заключение

На основе наших знаний о современных организмах и о молекулах, их об- разующих, кажется весьма правдоподобным, что развитие полностью авто- каталитических механизмов, фундаментальных для живых систем, началось с эволюции семейств молекул, которые могли катализировать свою собственную репликацию. Со временем семейство «сотрудничающих» РНК-катализаторов,

Глава 6. Клеточные механизмы считывания генома: путь от ДНК к белку 629

вероятно, развило способность направлять синтез полипептидов. ДНК, по всей вероятности, была поздним дополнением: по мере того как накопление допол- нительных белковых катализаторов позволяло клеткам развиваться в более эффективные и сложные системы, двойная спираль ДНК заменяла РНК, будучи более устойчивой молекулой для хранения возраставших количеств генетиче- ской информации, необходимой таким клеткам.

Задачи

Какие утверждения являются верными? Обоснуйте свой ответ

6.1.Последствия ошибок в транскрипции ДНК менее значимы, чем последствия ошибок в ее репликации.

6.2.Так как интроны в основном представляют собой генетический мусор, нет необходимости в ходе сплайсинга РНК удалять их из первичного транскрипта

сособой точностью.

6.3.Нестрогое спаривание оснований происходит между первой позицией кодона и третьей позицией антикодона.

6.4.Белковые ферменты, как думают, значительно превосходят численностью рибозимы в современных клетках, потому что они катализируют намного больше разнообразных реакций, чем рибозимы, и делают это с намного более высокими скоростями.

Обсудите следующие проблемы

6.5. В каком направлении должна РНК-полимераза на рис. Q6.1 двигаться по матрице, чтобы произвести изображенные на нем сверхспиральные структуры? Следовало ли ожидать появления сверхспиралей, если бы РНК-полимераза по мере своего продвижения по матрице могла свободно вращаться вокруг оси ДНК?

Рис.Q6.1.СуперспирализацияДНКпридвиженииРНК-полимеразы(кзадаче6.5).

6.6.Во время транскрипции к CTD (С-концевому домену) РНК-полимеразы II присоединяются фосфаты. В чем заключается роль, во всех ее аспектах, CTD фосфорилирования РНК полимеразы II?

6.7.Ген α-тропомиозина человека подвергается альтернативному сплайсингу, чтобы производить несколько форм мРНК α-тропомиозина в клетках разных типов (рис. Q6.2). У всех форм мРНК кодирующая белок последовательность одинакова

вэкзонах 1 и 10. Экзоны 2 и 3 — альтернативные экзоны, используемые в разных молекулах мРНК, равно как и экзоны 7 и 8. Какое из следующих утверждений об экзонах 2 и 3 является наиболее точным? Является ли это утверждение столь же правильным также и для экзонов 7 и 8? Обоснуйте свои ответы.

Глава 6. Клеточные механизмы считывания генома: путь от ДНК к белку 631

структуру? Если это так, то были бы какие-либо области в этих двух структурах идентичными? Если да, то какие?

Литература

Общая

Berg J. M., Tymoczko J. L. & Stryer L. (2006) Biochemistry, 6th ed. New York: WH Freeman.

Brown Т. А. (2002) Genomes 2, 2nd ed. New York: Wiley-Liss.

Gesteland R. F., Cech T. R. & Atkins J. F. (eds.) (2006) The RNA World, 3rd ed. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press.

Hartwell L., Hood L., Goldberg M. L. et al. (2006) Genetics: from Genes to Genomes, 3rd ed. Boston: McGraw Hill.

Lodish H., Berk A., Kaiser С. et al. (2007) Molecular Cell Biology, 6th ed. New York: WH Freeman.

Stent G. S. (1971) Molecular Genetics: An Introductory Narrative. San Francisco: WH Freeman.

The Genetic Code (1966) Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 31. The Ribosome (2001) Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 66.

Watson J. D., Baker Т. А, Bell S. P et al (2003) Molecular Biology of the Gene, 5th ed. Menlo Park, CA: Benjamin Cummings.

От ДНК к РНК

Bentley D. L. (2005) Rules of engagement: co-transcriptional recruitment of premRNA processing factors. Curr. Opin. Cell Biol. 17: 251–256.

Berget S. M., Moore С. & Sharp P. A. (1977) Spliced segments at the 5′ terminus of adenovirus 2 late mRNA. Proc. Natl.Acad. Sci. USA 74: 3171–3175.

Black D. L (2003). Mechanisms of alternative pre-messenger RNA splicing. Annu. Rev. Biochem. 72: 291–336.

Brenner S., Jacob F. & Meselson M. (1961) An unstable intermediate carrying information from genes to ribosomes for protein synthesis. Nature 190: 576–581.

Cate J. H., Gooding A. R., Podell E. et al. (1996) Crystal structure of a group ribozyme domain: principles of RNA packing. Science 273: 1678–1685.

Chow L. T., Gelinas R. E., Broker T. R. et al. (1977) An amazing seguence arrangement at the 5′ ends of adenovirus 2 messenger RNA. Cell 12: 1–8.

Cramer P. (2002) Multisubunit RNA polymerases. Curr. Opin. Struct. Biol. 12: 89–97.

Daneholt В. (1997) A look at messenger RNP moving through the nuclear pore. Cell 88: 585–588.

632 Часть 2. Основные генетические механизмы

Dreyfuss G., Kim V. N., & Kataoka N. (2002) Messenger-RNA-binding proteins and the messages they carry. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 3: 195–205.

Houseley J., LaCava J. & Tollervey D (2006) RNA-guality control by the exosome.

Nature Rev. Mol. Cell Biol. 7: 529–539.

Izguierdo J. M, & Valcarcel J. (2006) A simple principle to explain the evolution of pre-mRNA splicing. Genes. Dev. 20: 1679–1684.

Kornberg R. D. (2005) Mediator and the mechanism of transcriptional activation.

Trends Biochem. Sci. 30: 235–239.

Malik S. & Roeder R. G. (2005) Dynamic regulation of pol II transcription by the mammalian Mediator complex. Trends Biochem. Sci. 30: 256–263.

Matsui T., Segall J., Weil P. A. & Roeder R. G. (1980) Multiple factors required for accurate initiation of transcription by purified RNA polymerase II. J. Biol. Chem.

255:11992–11996.

Patel A. A. & Steitz J. A. (2003) Splicing double: insights from the second

spliceosome. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 4|: 960–970.

Phatnani H. P. & Greenleaf A. L. (2006) Phosphorylation and functions of the RNA polymerase II CTD. Genes. Dev. 20: 2922–2936.

Query C. C. & Konarska M. M. (2006) Splicing fidelity revisited. Nature Struct. Mol. Biol. 3: 472–474.

Ruskin B., Krainer A. R., Maniatis T. et al. (1984) Excision of an intact intron as a novel lariat structure during pre-mRNA splicing in vitro. Cell 38: 317–331.

Spector D. L. (2003) The dynamics of chromosome organization and gene regulation.

Annu. Rev. Biochem. 72: 573–608.

Staley J. P. & Guthrie С. (1998) Mechanical devices of the spliceosome: motors, clocks, springs, and things. Cell 92: 315–326.

Thomas M. C. & Chiang C. M. (2006) The general transcription machinery and general cofactors. Critical Rev. Biochem. Mol. Biol. 41: 105–178.

Wang D., Bushnell D. A., Westover K. D. et al. (2006) Structural basis of transcription: role of the trigger loop in substrate specificity and catalysis. Cell 127: 941–954.

От РНК к белку

Allen G. S. & Frank J. (2007) Structural insights on the translation initiation complex: ghosts of a universal initiation complex. Mol. Microbiol. 63: 941–950.

Anfinsen C. B. (1973) Principles that govern the folding of protein chains. Science

181:223–230.

Brunelle J. L., Youngman E. M., Sharma D. et al. (2006) The interaction between

C75 of tRNA and the A loop of the ribosome stimulates peptidyl transferase activity. RNA 12: 33–39.

Chien P., Weissman J. S., & DePace A. H. (2004). Emerging principles of conformation-based prion inheritance. Annu. Rev. Biochem. 73: 617–656.

Crick F. H. C. (1966) The genetic code: III. Sci. Am. 215: 55–62.

Hershko A., Ciechanover A. & Varshavsky A. (2000) The ubiquitin system. Nature Med. 6: 1073-1081.

Ibba M. & Soll D. (2000) Aminoacyl-tRNA synthesis. Annu. Rev. Biochem. 69: 617–650.

Kozak M. (1992) Regulation of translation in eukaryotic systems. Annu. Rev. Cell Biol. 8: 197–225.

Глава 6. Клеточные механизмы считывания генома: путь от ДНК к белку 633

Kuzmiak H. A., & Maquat L. E. (2006) Applying nonsense-mediated mRNA decay research to the clinic: progress and challenges. Trends Mol. Med. 12: 306–316.

Moore P. B. & Steitz Т. А. (2005) The ribosome revealed. Trends Biochem. Sci. 30: 281–283.

Noller H. F. (2005) RNA structure: reading the ribosome. Science 309: 1508– 1514.

Ogle J. M., Carter A. P. & Ramakrishnan V. (2003) Insights into the decoding mechanism from recent ribosome structures. Trends Biochem. Sci. 28: 259–266.

Prusiner S. B. (1998) Nobel lecture. Prions. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95: 13363–13383.

Rehwinkel J., Raes J. & Izaurralde E. (2006) Nonsense-mediated mRNA decay: Target genes and functional diversification of effectors. Trends Biochem. Sci. 31: 639–646.

Sauer R. T., Bolon D. N., Burton B. M. et al. (2004) Sculpting the proteome with AAA(+) proteases and disassembly machines. Cell 119: 9–18.

Shorter J. & Lindquist S. (2005) Prions as adaptive conduits of memory and inheritance. Nature Rev. Genet. 6: 435–450.

Varshavsky A (2005) Regulated protein degradation. Trends in Biochem. Sci. 30: 283–286.

Voges D., Zwickl P. & Baumeister W. (1999) The 26S proteasome: a molecular machine designed for controlled proteolysis. Annu. Rev. Biochem. 68: 1015–1068.

Weissmann С (2005) Birth of a prion: spontaneous generation revisited. Cell

122:165–168.

Young J. C., Agashe V. R., Siegers K. et al. (2004) Pathways of chaperone-mediated

protein folding in the cytosol. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 5: 781–791.

Мир РНК и происхождение жизни

Joyce G. F. (1992) Directed molecular evolution. Sci. Am. 267: 90–97.

Orgel L. (2000) Origin of life. A simpler nucleic acid. Science 290: 1306–1307. Kruger K., Grabowski P., Zaug P. et al. (1982) Self-splicing RNA: Autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening seuence of Tetrahymena. Cell

31: 147–157.

Silverman S. K. (2003) Rube Goldberg goes (ribo)nuclear? Molecular switches and sensors made from RNA. RNA 9: 377–383.

Szostak J. W., Bartel D. P. & Luisi P. L. (2001) Synthesizing life. Nature 409: 387–390.

Глава 7. Контроль генной экспрессии 635

клеток в основном определяется изменением экспрессии генов, а не изменениями последовательности нуклеотидов в геноме клетки.

7.1.1.  В различных типах клеток многоклеточного организма содержится одинаковая ДНК

Разные типы клеток многоклеточного организма отличаются друг от друга потому, что синтезируют и накапливают различные наборы молекул РНК и белков. Доказательство же, что это происходит без изменения последовательности ДНК, получено в классической серии экспериментов на лягушке. Если ядро полностью дифференцированной клетки лягушки ввести в ооцит, ядро которого удалено, инъецированное «донорное» ядро детерминирует развитие из реципиентной яйцеклетки нормального головастика (рис. 7.2, а). Поскольку у головастика имеется целый ряд различных дифференцированных клеток, получивших свои последовательности ДНК из ядра исходной донорной клетки, можно сделать вывод, что дифференцированная донорная клетка не потеряла никаких важных последовательностей ДНК. Аналогичный вывод следует и из опытов, проведенных над различными растениями. В этом случае кусочки дифференцированной ткани растений культивировали на искусственной среде, после чего эту ткань разделяли на отдельные клетки. Во многих случаях одна из таких изолированных клеток способна регенерировать целое взрослое растение (рис. 7.2, б). Наконец, тот же принцип продемонстрирован и на млекопитающих, включая крупный рогатый скот, овцу, свинью, козу, собаку и мышь. В этих случаях ядра соматических клеток вводили в безъядерные яйцеклетки и, когда их пересаживали суррогатным матерям, некоторые из этих яйцеклеток, называемых реконструированными зиготами, развивались в здоровых животных (рис. 7.2, в).

Другим доказательством того, что в ходе развития позвоночных большие блоки ДНК не теряются и не перестраиваются, служит сравнение подробных карт поперечной исчерченности митотических хромосом (см. рис. 4.11). Если исходить из этого критерия, то следует признать, что наборы хромосом в дифференцированных клетках человеческого тела оказываются идентичными. Более того, сравнение геномов различных клеток методом рекомбинантных ДНК подтвердило, что изменения в экспрессии генов, лежащие в основе развития многоклеточного организма, заключаются, как правило, не в изменениях последовательностей соответствующих генов. Однако существует несколько случаев, когда при развитии организма происходят перестройки ДНК в геноме: наиболее ярко это проявляется при развитии иммунной системы млекопитающих, что будет описано в главе 25.

7.1.2.  В различных типах клеток синтезируются разные наборы белков

В качестве первого шага к пониманию механизма клеточной дифференцировки, необходимо узнать, насколько отличаются друг от друга разные типы клеток. Полный ответ на этот фундаментальный вопрос еще не получен, но можно уже выделить определенные общие положения.

1. Существует множество процессов, общих для всех клеток, и, следовательно, любые две клетки одного организма имеют много одинаковых белков. Среди них структурные белки хромосом, РНК-полимеразы, ферменты репарации ДНК, рибосомные белки, ферменты, участвующие в основных реакциях метаболизма, а также множество белков, образующих цитоскелет.

Глава 7. Контроль генной экспрессии 637

2.Некоторые белки обнаруживаются в большом количестве лишь в специализированных клетках, где они функционируют, а в других типах клеток их нельзя определить даже чувствительными методами анализа. Например, гемоглобин можно обнаружить только в эритроцитах.

3.Согласно исследованиям множества разных мРНК, в типичной клетке человека в любой момент времени экспрессируется 30–60 % от примерно 25 000 ее генов. При сравнении профилей экспрессии (паттернов) мРНК ряда различных клеточных линий человека обнаружено, что уровень экспрессии почти каждого активного гена меняется от одного типа клеток к другому. Некоторые из этих различий ярко выражены, как например, упомянутый ранее гемоглобин, но большинство из них едва заметны. Даже гены, активные во всех клетках, разнятся по уровню экспрессии в разных типах клеток. Паттерны, отражающие содержание мРНК (определенные при помощи ДНК-чипов, описываемых в главе 8), являются настолько специфическими для каждого типа клеток, что их можно использовать для определения типа раковых клеток, у которых не известна ткань-источник опухолевого роста (рис. 7.3).

4.Несмотря на существование значительных различий в экспрессии мРНК среди специализированных клеток, они не учитывают еще целый комплекс отличий

вспектре синтезируемых белков. Как будет видно далее в этой главе, регуляция экспрессии генов возможна на множестве стадий, происходящих после транскрипции. Например, альтернативный сплайсинг может дать от одного гена целое семейство белков. Наконец, возможна ковалентная модификация белков после их синтеза. Следовательно, лучший способ оценки коренных различий в экспрессии генов между различными типами клеток — при помощи методов, напрямую показывающих уровни экспрессии белков и их посттрансляционные модификации

(рис. 7.4).

7.1.3.  Внешние сигналы могут вызывать изменение экспрессии генов в клетке

Большинство специализированных клеток многоклеточного организма способно изменять картину экспрессии своих генов в ответ на внеклеточные сигналы. Например, если клетка печени подвергается воздействию глюкокортикоидного гормона, то синтез нескольких специфических белков резко возрастает. Глюкокортикоиды выделяются в кровь во время периодов голодания или интенсивных физических нагрузок и служат для печени сигналом к увеличению образования глюкозы из аминокислот и других малых молекул. Набор белков, синтез которых индуцируется, включает в себя ферменты, например, тирозинаминотрансферазу, способствующую превращению тирозина в глюкозу. Если гормон больше не поступает, синтез этих белков снижается до нормального уровня.

Другие типы клеток реагируют на глюкокортикоиды иначе. Например, жировые клетки снижают производство тирозинаминотрансферазы, тогда как некоторые другие типы клеток могут совсем не реагировать на глюкокортикоидные гормоны. Эти примеры иллюстрируют главную особенность специализации клеток: различные типы клеток часто по-разному отвечают на один и тот же внеклеточный сигнал. В основе подобных корректировок, происходящих в ответ на внеклеточные сигналы, лежат характерные черты профиля экспрессии генов, которые не меняются и придают каждому типу клеток его неизменный отличительный характер.