Молекулярная биология клетки. Том 1

272

Рис. 5-28. Отделение полирибосом от свободных рибосом (и от их субъединиц) с помощью центрифугирования. Метод основан на том, что крупные молекулярные агрегаты движутся в сильном гравитационном поле быстрее, нежели мелкие. Обычно седиментацию проводят в градиенте сахарозы, чтобы стабилизировать раствор - предотвратить его перемешивание за счет конвекции.

после лизиса клеток (рис. 5-28). Выделенную из полирибосомы мРНК можно использовать, чтобы убедиться в том, что белок, кодируемый данной последовательностью ДНК, активно синтезируется клетками, из которых были получены полирибосомы. Она может послужить также исходным материалом для создания специальных библиотек кДНК (см. разд. 5.6.3).

10-25

5.1.13. Общая скорость белкового синтеза регулируется у эукариот факторами инициации [12]

Известно (подробнее об этом см. гл. 13), что клетки многоклеточного организма размножаются только тогда, когда они находятся в соответствующем окружении и на них воздействуют специфические факторы роста. Механизм действия этих факторов роста не совсем ясен, но несомненно, что одним из главных эффектов должно быть увеличение общей скорости белкового синтеза (см. разд. 13.3.4). Чем определяется эта скорость? Прямые исследования на тканях крайне сложны, но если клетки в культуре не получают достаточного количества питательных веществ, то резко снижается скорость инициации синтеза полипептидных цепей, причем можно показать, что это торможение обусловливается инактивацией одного из факторов инициации белкового синтеза, а именно IF-2. Показано, что по крайней мере у одного типа клеток (в незрелых эритроцитах) активность IF-2 снижается контролируемым образом в результате фосфорилирования одной из трех его белковых субъединиц. Можно предположить поэтому, что скорость белкового синтеза у эукариот регулируется в известной степени специфическими протеинкиназами, которые в своей активной форме тормозят его инициацию. Возможно, что действие факторов роста осуществляется при посредстве каких-то регуляторных веществ, которые инактивируют эти протеинкиназы или нейтрализуют их эффект.

У эукариот факторы инициации, необходимые для синтеза белка, более многочисленны и более сложны, нежели у прокариот, хотя и у тех, и у других они выполняют одни и те же основные функции. Многочисленные дополнительные компоненты, возможно, представляют собой регуляторные белки, реагирующие на разные факторы роста и координирующие рост и размножение клеток в многоклеточных организмах. У бактерий нет потребности в такой регуляции: они растут с той скоростью, какую допускает наличие в среде питательных веществ.

5-9

5.1.14. Точность белкового синтеза обеспечивается двумя различными механизмами [13]

Судить о частоте ошибок в процессе белкового синтеза можно, определив, как часто включается в данный белок какая-нибудь аминокислота, в норме в нем отсутствующая. Наблюдения показывают, что в среднем на каждые 104 аминокислот включается одна «неправильная» аминокислота, и, значит, только одна ошибка приходится на каждые 25 синтезируемых белков среднего размера (400 аминокислот). Точность процесса декодирования зависит от надежности двух адапторных механизмов, о которых мы уже говорили выше: от связывания каждой аминокислоты с соответствующей молекулой тРНК и от спаривания кодонов в мРНК с антикодонами тРНК (см. рис. 5-12). Неудивительно, что в ходе эволюции в клетках возникли механизмы, которые обеспечивают снижение числа ошибок на этих двух ключевых этапах белкового синтеза.

Два механизма, действующие на этих двух этапах, совершено

273

Рис. 5-29. Более подробное изображение первого этапа фазы элонгации белкового синтеза, позволяющее видеть, как отбирается на рибосоме правильная тРНК. На начальной стадии связывания молекула аминоацил-тРНК с присоединенным фактором элонгации временно спаривается с кодоном в А-участке. Спаривание служит сигналом для гидролиза GTP, вызываемого фактором элонгации, благодаря этому фактор элонгации получает возможность отделиться от молекулы аминоацил-тРНК, которая теперь стоит точно на своем месте в А-участке и может сыграть предназначенную ей роль в элонгации полипептидной цепи (см. рис. 5-20). Только тРНК с правильным антикодоном остаются спаренными с мРНК достаточно долго для того, чтобы участвовать в элонгации цепи. Фактор элонгации (имеющий белковую природу) у прокариот обозначается EF-Tu (ФЭ-Tu), а у эукариот-EF-1 (ФЭ-1).

различны; каждый из них отражает стратегию, используемую клеткой в других процессах. Оба механизма сопряжены, однако, с затратой свободной энергии, поскольку, как уже отмечалось в гл. 2 (см. разд. 2.2), за всякое возрастание упорядоченности приходится платить. Надежность связывания аминокислоты с тРНК обеспечивается сравнительно простым механизмом. У многих аминоацил-тРНК-синтетаз имеется два отдельных активных центра: один, ответственный за реакцию, в результате которой тРНК нагружается аминокислотой (рис. 5-10), и другой, распознающий неправильную аминокислоту, присоединившуюся к тРНК, и удаляющий ее путем гидролиза. Подобный процесс коррекции обходится дорого, поскольку работать эффективно он может лишь в том случае, если будет удалять заодно и довольно значительное число правильно присоединившихся аминокислот. Аналогичный дорогостоящий двухэтапный процесс коррекции используется и в репликации ДНК (см. разд. 5.3.3).

Точность спаривания кодона с антикодоном обеспечивается более тонким механизмом «кинетической коррекции». Ранее мы ограничивались лишь упрощенным описанием этого спаривания. В действительности, после того как молекулы тРНК присоединят соответствующую аминокислоту, они образуют комплекс с особым белком, так называемым фактором элонгации (ФЭ, EF), который прочно связывается с аминоацильным концом молекулы тРНК и с молекулой GTP. Именно этот комплекс, а не свободная молекула тРНК спаривается с надлежащим кодоном в молекуле мРНК. Связанный таким образом фактор элонгации обеспечивает возможность правильного спаривания антикодона с кодоном, но при этом препятствует включению данной аминокислоты в растущую полипептидную цепь. Однако начальное узнавание кодона служит для фактора элонгации сигналом к гидролизу связанного с ним GTP (до GDP и неорганического фосфата), после чего сам фактор отделяется от рибосомы без своей тРНК, так что синтез

274

белка может продолжиться. Из рис. 5-29 видно, что благодаря фактору элонгации возникает короткий разрыв во времени между спариванием антикодона с кодовом и элонгацией полипептидной цепи, что позволяет присоединившейся молекуле тРНК отделиться от рибосомы. Неправильная молекула тРНК образует в паре кодон-антикодон меньше водородных связей, чем правильная; поэтому она слабее удерживается на рибосоме и, значит, за данный промежуток времени имеет больше шансов отделиться. Поскольку из-за вызванной фактором элонгации задержки большая часть неправильно присоединившихся молекул тРНК удаляется с рибосомы и не используется в белковом синтезе, ясно, что этот фактор снижает долю неправильных аминокислот в синтезируемом белке.

5.1.15. Многие ингибиторы белкового синтеза прокариот-эффективные антибиотики [14]

Многие из наиболее эффективных антибиотиков, применяемых в современной медицине, действуют, подавляя в бактериальных клетках синтез белка. Ряд таких лекарственных препаратов создан с учетом структурных и функциональных различий между рибосомами прокариот и эукариот, т. е. с расчетом на то, что они будут действовать преимущественно на прокариотические рибосомы. Именно в силу избирательности их действия эти соединения можно назначать человеку в относительно

1) Рибосомы в митохондриях (и хлоропластах) эукариот по своей чувствительности к ингибиторам часто близки к рибосомам прокариот.

275

высоких концентрациях, не опасаясь токсических эффектов. Разные антибиотики связываются с различными участками бактериальных рибосом и поэтому часто ингибируют разные этапы процесса синтеза. В табл. 5-1 перечислены наиболее известные соединения этой группы и указано их специфическое действие. В таблицу включены также и некоторые другие часто применяемые ингибиторы белкового синтеза, в том числе и такие, которые действуют на эукариотические клетки; эти последние, разумеется, в качестве антибиотиков применять нельзя.

Многие из соединений, перечисленных в табл. 5-1, блокируют совершенно определенные этапы передачи генетической информации от ДНК к белку, поэтому они находят широкое применение при изучении различных клеточных механизмов. Среди лекарственных препаратов, используемых для этой же цели, следует назвать хлорамфеникол, циклогексимид и пуромицин. Все они ингибируют белковый синтез специфическим образом. Хлорамфеникол, например, в эукариотических клетках ингибирует белковый синтез только на рибосомах в митохондриях (и в хлоропластах растений), что, возможно, отражает происхождение этих органелл от прокариот (см. разд. 7.5.16). Циклогексимид, наоборот, действует только на рибосомы в цитозоле. Различная чувствительность белкового синтеза к этим двум препаратам позволяет весьма надежно определять, в каком именно клеточном компартменте идет трансляция с образованием того или иного белка. Особенно интересен пуромицин, поскольку он по своей структуре весьма напоминает концевой аминоациладенилат в составе аминоацил-тРНК и потому реагирует на рибосоме с С- концом растущей пептидил-тРНК, как это должно было бы произойти с соответствующей аминокислотой. Дальнейшая элонгация, однако, в результате этого становится невозможной - происходит преждевременный обрыв цепи и пептидилпуромицин покидает рибосому. Естественно поэтому, что пуромицин ингибирует все виды белкового синтеза.

5.1.16. Эволюция белкового синтеза [15]

Молекулярные процессы, лежащие в основе синтеза белка, необъяснимо сложны. Хотя мы теперь в состоянии многие из них описать, смысл их остается для нас непонятным в отличие, например, от процессов транскрипции, репарации и репликации ДНК. Как мы уже знаем, синтез белка у современных организмов происходит на очень крупном рибонуклеопротеиновом комплексе - на рибосоме, состоящей из различных белков, группирующихся вокруг сердцевины из молекул рРНК. Зачем вообще нужны молекулы рРНК и как случилось, что они приобрели главенствующую роль в структуре и функции рибосом? Ответ на этот вопрос, несомненно, поможет нам лучше понять и сам белковый синтез. Ранее, до того как в начале 60-х годов была открыта мРНК, предполагалось, что значительные количества РНК в рибосомах несут информативную функцию - осуществляют передачу генетической информации от ДНК к белкам. Теперь, однако, мы знаем, что во всех рибосомах клетки имеется один и тот же набор молекул рРНК и что эти молекулы такой информативной роли не играют. В отношении бактериальных рибосом удалось выяснить, что отдельные небольшие участки рРНК выполняют каталитические функции в белковом синтезе; установлено, например, что рРНК малой субъединицы прокариотических рибосом при спаривании с инициаторной последовательностью в молекуле мРНК образует короткую спираль, что помогает поместить соседний старт-кодон AUG в Р-участок. Аналогичные взаимодействия на основе спаривания возможны также между молекулами тРНК и рРНК, хотя убедительно продемонстрировать это пока не удалось.

276

В белковом синтезе важную роль играет также большое число различных белков, связанных с рРНК рибосом. Чрезвычайная сложность процесса, в который вовлечено столько компонентов, заставила многих биологов разувериться в том, что когда-нибудь будут поняты пути его эволюции. Однако недавнее открытие - обнаружение молекул РНК, способных действовать как ферменты (см. разд. 3.2. 11), - позволило по-новому взглянуть на данный предмет. Как уже отмечалось в гл. 1, в первых биологических реакциях катализаторами могли служить не белковые молекулы, а молекулы РНК. Возможно, что на ранних этапах. в первых клетках, молекулы тРНК сами, без участия аминоацилт РНК-синтетаз, формировали каталитические поверхности, которые позволяли им связывать и активировать аминокислоты. Не исключено, что в то время роль целой «рибосомы» выполняли молекулы рРНК, свертывавшиеся таким образом, что возникала сложная система поверхностей, обеспечивающая и направленное спаривание тРНК с кодонами мРНК, и катализ полимеризации связанных с тРНК аминокислот (см. рис. 1-7). В ходе эволюции к этому аппарату могли присоединяться отдельные белки, каждый из которых делал рассматриваемый процесс более надежным и эффективным. Высокая доля РНК в современных рибосомах, вероятно, сохранилась от тех очень ранних этапов эволюции, когда белки еще не занимали главного места в биологическом катализе.

Заключение

Для того чтобы мог начаться синтез какого-нибудь определенного белка, должна сначала образоваться соответствующая мРНК (путем транскрипции ДНК). К этой мРНК, к ее старт-кодону, присоединяется малая рибосомная субъединица; узнает старт-кодон особая инициаторная тРНК. Присоединение большой субъединицы завершает сборку рибосомы, Далее следует фаза элонгации белкового синтеза. Во время этой фазы разные аминоацил-тРНК, нагруженные каждая своей аминокислотой, поочередно связываются с соответствующим кодоном на мРНК путем спаривания его оснований с основаниями антикодона тРНК. Каждая очередная аминокислота присоединяется к карбоксильному концу растущего полипептида в результате циклического процесса, состоящего из трех последовательных этапов: связывания аминоацил-тРНК, образования пептидной связи и транслокации рибосомы. Рибосома перемещается вдоль молекулы мРНК в направлении 5' → 3' от одного кодона к другому до тех пор, пока не будет достигнут какой-либо из трех стоп-кодонов. К этому стоп-кодону присоединяется затем фактор освобождения, вызывающий отделение завершенного полипептида от рибосомы.

Рибосомам прокариот и эукариот свойственна высокая степень гомологии, несмотря на довольно существенные различия в числе и в размерах обоих видов компонентов - рРНК и белков. Преобладающая роль рРНК в структуре и функции рибосом, возможно, отражает происхождение белкового синтеза, на ранних этапах эволюционировавшего в среде, где катализ осуществляется с помощью РНК.

5.2. Механизмы репарации ДНК [16]

В то время как шансы на долговременное существование вида могут возрастать вследствие изменений в его генетической конституции, выживание в каждый конкретный момент требует безусловного сохранения генетической информации. Для поддержания такого постоянства генетического материала требуется не только чрезвычайно точный механизм копирования нуклеотидных последовательностей ДНК в каждом новом клеточном поколении, но и механизм исправления

277

повреждений, спонтанно возникающих в ДНК. Большая часть таких повреждений носит временный характер, поскольку они действительно устраняются с помощью особого механизма, который носит название репарации ДНК. Если этот обеспечивающий клеточное постоянство механизм не срабатывает, изменение закрепляется. Подобное изменение называют мутацией. Он может оказаться гибельным для организма, если затронет какую-нибудь жизненно важную последовательность ДНК.

Прежде чем говорить о механизмах репарации ДНК, коснемся вкратце вопроса о том, как воспроизводятся нуклеотидные последовательности ДНК из поколения в поколение.

5.2.1. Высокая надежность сохранения нуклеотидных последовательностей ДНК [17]

Частоту изменений в нуклеотидных последовательностях ДНК (частота возникновения мутаций или скорость мутирования) удается определять только косвенным путем. Один из способов состоит в сравнении аминокислотных последовательностей одного и того же белка у нескольких биологических видов. Долю аминокислот, которые окажутся при этом различными, сопоставляют затем с числом лет, прошедших с того момента, как два данных вида дивергировали в процессе эволюции от общего предка (этот срок оценивают на основе данных палеонтологической летописи). Исходя из этого можно вычислить среднее число лет, необходимое для того, чтобы какое-либо стойкое изменение затронуло одну из аминокислот данного белка. Поскольку каждое такое изменение отражает, как правило, одиночное изменение в нуклеотидной последовательности гена, кодирующего этот белок, мы тем самым узнаем и среднее число лет, требующееся для возникновения в данном гене одной стабильной мутации.

Такого рода определения дают нам всегда сильно заниженные оценки скорости мутирования, так как большая часть мутаций нарушает функцию данного белка и исчезает из популяции под давлением отбора. Есть, однако, среди изученных белков одно семейство, для которого это возражение почти не имеет силы. Это так называемые фибринопептиды - фрагменты из 20 аминокислотных остатков, отщепляемые от белка фибриногена, когда он при свертывании крови, активируясь, превращается в фибрин. Фибринопептиды не выполняют никакой прямой функции, а потому они толерантны почти ко всем возможным аминокислотным заменам. Анализ фибринопептидов показывает, что белок среднего размера, состоящий из 400 аминокислот, изменяется случайным образом в результате одной аминокислотной замены приблизительно каждые 200000 лет. Позже с разработкой методов определения нуклеотидных последовательностей ДНК (см. разд. 4,6.6), появилась возможность выявить степень сходства нуклеотидных последовательностей ДНК в гомологичных некодирующих участках генома у разных видов млекопитающих. Полученные таким путем оценки частоты мутаций прекрасно согласуются с теми, какие дает анализ фибронопептидов.

5.2.2. Скорость мутирования в растущих клетках совпадает с оценками, полученными на основе эволюционных исследований [18]

Скорость мутирования можно оценить прямым способом, подсчитывая количество генетических изменений, спонтанно возникающих в большой популяции клеток за относительно короткий промежуток времени. Для этого определяют частоту возникновения новых мутантов в очень

278

больших популяциях животных (например, у плодовой мушки или в колониях мышей), либо проводят скрининг с целью выявить изменения в активности определенных ферментов у клеток, растущих в культуре. Хотя такие оценки носят лишь приближенный характер, они в обоих случаях согласуются с представлением о том, что при репликации на 109 пар оснований (в среднем) происходит одна ошибка, т. е. одна замена пары оснований. Следовательно, для того чтобы в гене, кодирующем средний по размерам белок и насчитывающем примерно 103 кодирующих пар оснований, могла возникнуть мутация, требуется около 106 клеточных поколений. Эта величина достаточно удовлетворительно согласуется с оценкой, полученной на основе эволюционных исследований, согласно которой мутация в среднем гене зародышевой линии возникает один раз каждые 200000 лет.

5-16

5.2.3. Большинство мутаций, изменяющих белки, вредны и элиминируются естественным отбором [17]

Если число различий в аминокислотном составе одного и того же белка у двух разных биологических видов представить как функцию времени, прошедшего с момента дивергенции этих видов, то мы получим прямую линию. Иными словами, чем длиннее период, прошедший с момента дивергенции, тем больше число таких различий. Для удобства наклон прямой может быть охарактеризован через единицу эволюционного времени для данного белка (среднее время, необходимое для того, чтобы в последовательности из 100 аминокислот появилась одна аминокислотная замена). Сделав это для разных белков, мы убедимся в том, что каждый из них характеризуется своей особой скоростью эволюции (рис. 5-30). Поскольку все пары оснований в ДНК подвержены случайным изменениям в равной мере, эти разные скорости отражают различия в вероятности для тех или иных организмов со случайной

Рис. 5-30. Сравнение частот аминокислотных замен в гемоглобине и цитохроме с с соответствующей величиной для фибринопептидов. Гемоглобин и цитохром с изменяются в процессе эволюции гораздо медленнее, чем фибринопептиды. Определяя частоты замен (табл. 5-2) в расчете на год, важно помнить, что два организма, дивергировавшие от общего предка 100 млн. лет назад, отделены друг от друга 200 млн. лет эволюционного времени.

279

мутацией в данном белке выжить и сохранить способность к размножению. Ясно, что изменения в аминокислотной последовательности нарушают функцию у одних белков гораздо сильнее, чем у других. Данные, приведенные в табл. 5-2, позволяют считать, что в гемоглобине вредными оказываются примерно 6 из каждых 7 случайных аминокислотных замен, в цитохроме с - 29 из каждых 30, тогда как в гистоне Н4 почти все аминокислотные замены вредны. Можно думать, что носители таких вредных мутаций элиминируются из популяции под действием естественного отбора.

5.2.4. Наблюдаемые низкие частоты мутаций необходимы для сохранения вида в целом и каждого индивидуума

[19]

Поскольку мутации по большей части вредны, ни один биологический вид не может позволить себе быстро накапливать их в своих половых клетках. Позже мы обсудим (см. разд. 9.1.3), почему при наблюдаемой частоте мутаций, хотя она и невысока, число необходимых белков, которые могут быть закодированы в клетках зародышевого пути любого организма, не должно превышать 60000. Если бы частота мутаций была в 10 раз выше, в силу той же причины организм должен был бы довольствоваться 6000 белков. В этом случае эволюция, очевидно, не пошла бы дальше организмов, стоящих по степени сложности примерно на уровне плодовой мушки.

Итак, сохранение вида требует, чтобы половые клетки организмов были защищены от быстрых генетических изменений, но сохранение каждого конкретного индивидуума требует такой же защиты и для всех прочих клеток многоклеточного организма (соматических клеток). Нуклеотидные замены в соматических клетках могут способствовать естественному отбору в пользу тех или иных лучше приспособленных клеток и привести к их неконтролируемому размножению, т. е. развитию рака, на долю которого в Западном полушарии приходится около 20% всех преждевременных смертей. Убедительные данные подтверждают, что гибель людей в данном случае вызвана главным образом накоплением изменений в нуклеотидных последовательностях ДНК соматических клеток. Десятикратное повышение частоты мутаций привело бы, вероятно, к катастрофическому росту раковых заболеваний вследствие того, что чаще возникали бы различные вариантные формы соматических клеток. Таким образом и сохранение того или иного вида с его 60000 белков (стабильность половых клеток), и предотвращение рака, возникающего как следствие мутаций в соматических клетках (стабильность соматических клеток), зависят у эукариот от чрезвычайно высокой надежности сохранения нуклеотидных последовательностей ДНК.

5.2.5. Низкие частоты мутаций означают, что родственные организмы построены практически из одних и тех же белков [17]

Человек как род, отличный от крупных человекообразных обезьян, возник всего несколько миллионов лет назад. В каждом гене, следовательно, могло произойти за это время лишь сравнительно немного нуклеотидных замен, причем большинство из них естественный отбор должен был элиминировать. Сравнение человека и обезьян показывает, например, что их цитохромы с различаются лишь по 1% аминокислотных остатков, а их гемоглобины - приблизительно по 4%. Значительная часть нашего генетического наследия сформировалась, несомненно, задолго до появления Homo sapiens, в процессе эволюции млекопитающих (начавшейся приблизительно 3 • 108 лет назад) и даже ранее.

Таблица 5-2. Наблюдаемые скорости изменения аминокислотных последовательностей в различных белках на протяжении эволюционного времени

1) Единица эволюционного времени - среднее время, необходимое для того, чтобы в данном белке на каждые 100 содержащихся в нем аминокислот могла появиться одна приемлемая аминокислотная замена.

280

Неудивительно поэтому, что у таких филогенетически далеких млекопитающих, как кит и человек, белки очень сходны. Эволюционный процесс, породивший резкие морфологические различия между млекопитающими, «добился» этих различий при поразительно малых изменениях в том материале, из которого мы все построены. Предполагается, что эти морфологические различия в значительной мере определяются неодинаковым временным и пространственным характером экспрессии генов во время эмбрионального развития. В гл. 10 мы обсудим, как подобные изменения в экспрессии генов могли возникнуть (см. разд. 10.5.8).

5-13

5-17

5.2.6. Без коррекции спонтанные повреждения в ДНК быстро ] изменили бы ее нуклеотидные последовательности

[20]

Физик Эрвин Шрёдингер в 1945 г. высказал мнение, что ген независимо от его химической природы (а она в то время еще не была известна) должен быть крайне мал - не более нескольких атомов. В противном случае, полагал Шрёдингер, огромное число генов, необходимое, как считалось, каждому организму, не могло бы уместиться в клеточном ядре. Было ясно, однако, что при столь малых размерах ген должен быть подвержен значительным изменениям вследствие спонтанных реакций, обусловленных беспорядочными тепловыми соударениями с окружающими молекулами. Возникала, таким образом, серьезная дилемма, поскольку генетические данные свидетельствуют о том, что вещество генов весьма стабильно и спонтанные изменения (мутации) происходят в нем чрезвычайно редко.

Эта шрёдингеровская дилемма вполне реальна. ДНК действительно претерпевает значительные изменения, связанные с тепловыми флуктуациями. Мы знаем, например, что ДНК каждой клетки человеческого организма теряет за сутки около 5000 пуриновых оснований (остатков аденина и гуанина) вследствие термального разрыва М-гликозидных связей между пурином и дезоксирибозой (процесс апуринизации). Аналогичный пример составляют спонтанно происходящие в ДНК реакции

Рис. 5-31. Дезаминирование и апуринизация две часто встречающиеся спонтанные химические реакции, вызывающие в клетках серьезное повреждение ДНК. Здесь приведено лишь по одному примеру реакций этих двух типов.