Экспрессия генов Патрушев

351

своим биологическим функциям, и контролировать их биосинтез во времени (на разных этапах дифференцировки клеток) и в пространстве (в различных органах и тканях). Все это повышает информационную емкость генома высших организмов без существенного увеличения его размеров.

Транс-сплайсинг. Из рассмотренных выше примеров следует, что во время постоянного или альтернативного сплайсинга интроны удаляются из предшественников мРНК в результате нескольких сложных реакций при участии крупного РНП-комплекса, называемого сплайсомой. Обычно 5’- и 3’- концевые сайты сплайсинга, участвующие в таком процессе, расположены на одной молекуле пре-мРНК, т.е. в цис-положении по отношению друг к другу. В отличие от этого в процессе транс-сплайсинга сплайсома выбирает для объединения 5’-сайт и 3’-сайт сплайсинга, которые располагаются на разных молекулах РНК. В настоящее время транс-сплайсинг обнаружен у простейших (трипаносом), евглен, круглых нематод и плоских червей, а также в митохондриях, хлоропластах и безрибосомных пластидах высших растений. Наиболее хорошо изучен механизм транс-сплайсинга у нематоды Caenorhabditis elegans, который подробнее будет рассмотрен ниже. Только у этих групп организмов (за исключением трипаносом, гены которых не содержат интронов) механизмы цис- и транс-сплайсинга функционируют в клетках на одних и тех же молекулах РНК.

Интересной особенностью транскрипции у нематод, сближающих их с трипаносомами, является то, что их РНК синтезируются в виде полицистронных предшественников, которые далее расщепляются до моноцистронных единиц, полиаденилируются и подвергаются транс-сплайсингу. Однако в отличие от трипаносом, у которых транс-сплайсинг ограничивается присоединением к акцепторному 3’-концевому сайту сплайсинга одной и той же лидерной РНК SL1 (spliced leader 1), нематоды обладают еще одним донорным сайтом сплайсинга, ассоциированным с SL2-РНК, молекулы которой присоединяются к внутренним сайтам полицистронных транскриптов. Таким образом, в клетках C. elegans сплайсинг осуществляется по трем механизмам (рис. I.38). Это обычный цис- и транс-сплайсинг, в результате которых SL1-РНК присоединяется вблизи 5’- концов первичных транскриптов-предшественников зрелых мРНК, и, наконец, транс-сплайсинг с участием молекул SL2-РНК, которые объединяются с внутренними последовательностями нуклеотидов полицистронных

352

транскриптов. Все три типа сплайсинга проходят в основном с участием одних и тех же компонентов РНП-комплекса, представляющего собой сплайсому, которая использует одни и те же 3’- и 5’-концевые канонические последовательности сайтов сплайсинга. Подобно высшим организмам в состав сплайсомы нематод входят U1-U6-мяРНК, из которых U2-U6 участвуют в транс-сплайсинге. Молекулы SL-РНК, содержащие донорные сайты сплайсинга, также входят в состав РНП-комплекса.

Рис. I.38. Цис- и транс-сплайсинг ядерной полицистронной пре-мРНК у нематоды C. elegans

AAUAAA – сайты полиаденилирования

Последовательности нуклеотидов сайтов транс- и цис-сплайсинга идентичны и взаимозаменяемы в генно-инженерных экспериментах. Интроноподобные последовательности, расположенные на 5’-концах транскриптов, названные аутронами, подвергаются транс-сплайсингу, тогда как внутренние интроны вырезаются по механизму цис-сплайсинга. Единственным отличием гена, транскрипт которого подвергается транс-сплайсингу, является наличие на его 5’-конце последовательности аутрона, а не экзона. При перемещении интрона одного гена из внутреннего положения на 5’-конец другого или того же самого гена он начинает функционировать в качестве аутрона, т.е. подвергается транс-сплайсингу. Если размер такого аутрона превышает 50 п.о., то он нормально функционирует в транс-сплайсинге. При искусственном введении 5’-концевого сайта сплайсинга в аутрон на расстояние

353

более 50 п.о. от его сайта транс-сплайсинга заключенная между этими сайтами последовательность нуклеотидов в РНК подвергается обычному цис- сплайсингу. Таким образом, единственным сигналом, разрешающим транс- сплайсинг, является положение последовательности нуклеотидов вблизи 5’- конца пре-мРНК.

Зрелые, полностью процессированные РНК C. elegans содержат SL1- и SL2-РНК на 5’-концах, причем соблюдаются пропорции в содержании маркированных таким способом РНК внутри клеток. Следовательно, процесс транс-сплайсинга, в результате которого происходит выбор лидерной SL-РНК, каким-то образом регулируется. Предполагается, что белки, взаимодействующие с сайтами полиаденилирования соответствующих РНК, специфически взаимодействуют с белками мяРНП, в состав которых входят SLРНК, и тем самым осуществляют их выбор.

Функциональная роль транс-сплайсинга в жизненном цикле нематод неизвестна. Экспериментами in vivo продемонстрирована взаимозаменяемость генов, продукты которых подвергаются цис- или транс-сплайсингу. Известно, что сайты транс-сплайсинга часто располагаются непосредственно перед инициирующими AUG-кодонами мРНК. Это позволяет предположить, что SLпоследовательности играют определенную роль в инициации трансляции. В частности, с помощью транс-сплайсинга могут удаляться лишние AUG-кодоны, находящиеся не в одной рамке считывания с основной кодирующей последовательностью нуклеотидов мРНК, или создаваться контексты нуклеотидов, которые обеспечивают эффективную инициацию синтеза белка рибосомами. Это, в свою очередь, может допускать определенную эволюционную гибкость в расположении соответствующих промоторов и создавать условия для возникновения новых сайтов инициации транскрипции на ДНК нематод.

3.3.3. Избирательная деградация мРНК

Время полужизни мРНК в клетках является важным фактором регуляции экспрессии генов. Феномен деградации мРНК как регуляторного явления впервые обнаружен у бактерий на заре развития молекулярной генетики. Уже тогда все РНК бактериальной клетки были разделены на два класса: стабильные и нестабильные. К первым до сих пор относятся рибосомные и

354

транспортные РНК, тогда как вторую, наиболее гетерогенную по составу группу образуют матричные РНК. Быстрая деградация мРНК после прекращения ее биосинтеза в результате регуляторных воздействий на транскрибируемые гены позволяет бактериальным клеткам легко адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды и дает им ощутимые селективные преимущества перед клетками, которые не обладают таким регуляторным механизмом. Быстрая адаптация особенно актуальна для бактерий – одноклеточных организмов с коротким жизненным циклом.

Как было упомянуто, клетки эукариотических организмов способны выводить мРНК из трансляции, не разрушая ее. Это часто достигается регуляцией процессинга предшественников мРНК, образованием рибонуклеопротеидных комплексов – информосом, или специфической модификацией регуляторных последовательностей мРНК (см. ниже). Тем не менее, селективная деградация мРНК является распространенным механизмом регуляции экспрессии генов в клетках высших организмов. В эукариотических клетках время полужизни стабильных мРНК, таких как глобиновая мРНК, составляет 17 ч, а время функционирования мРНК факторов роста не превышает 30 мин. Физиологические последствия таких различий очевидны. Если глобиновые мРНК продолжают транслироваться на протяжении всей жизни предшественников эритроцитов, то потребность в факторах роста ограничивается фазами клеточного цикла, непосредственно связанными с делением клеток. В частности, известно, что увеличение стабильности мРНК протоонкогена c-fos под действием мутаций сопровождается непрерывным делением мутантных клеток и образованием опухолей.

Время жизни эукариотических мРНК в цитоплазме чаще всего контролируется их 3’-концевыми нетранслируемыми последовательностями (UTR). Лабильные мРНК содержат в этой области одну или несколько AUбогатых последовательностей длиной около 50 нуклеотидов, называемых ARE-

элементами (adenylate/uridylate-rich elements), которые придают полирибонуклеотиду конформации, делающие его высокочувствительным к расщеплению нуклеазами. Искусственное введение таких последовательностей в 3’-концевые области стабильных мРНК приводит к их дестабилизации, что сопровождается резким уменьшением внутриклеточного времени полужизни гибридных мРНК. ARE-элементы были впервые обнаружены у генов цитокинов,

355

участвующих в воспалительных реакциях организма, и в настоящее время описаны для мРНК генов c-fos, c-myc, nur77, junB, β-интерферона, интерлейкина 3, гранулоцит-макрофагового колонийстимулирующего фактора (GM-CSF) и ряда других мРНК. Длина ARE-элементов варьирует от 50 до 150 нуклеотидов, они содержат несколько копий пентануклеотида AUUUA и много остатков U, перемежающихся остатками A.

Различают, по крайней мере, три класса ARE-элементов. Элементы 1-го класса (характерные, в частности для мРНК гена c-fos) содержат одну–три копии последовательности AUUUA, ассоциированные с U-богатой областью или гомополимером U. Для элементов 2-го класса (тип GM-CSF) характерно наличие двух копий перекрывающихся нонануклеотидных последовательностей UUAUUUA(U/A)(U/A), включенных в U-богатую последовательность. Наконец, элементы, принадлежащие к 3-му классу (тип c-jun), совсем не содержат последовательности AUUUA.

Рис. I.39. Этапы ARE-зависимой деградации мРНК эукариот

Закрашенные геометрические фигуры – белки и факторы, специфически взаимодействующие с ARE-последовательностью. Их возможное влияние на деаденилирование показано волнистыми стрелками. Толщина стрелок указывает на интенсивность реакции

356

В соответствии с современной моделью ARE-зависимая деградация мРНК происходит двумя различными путями (рис. I.39). Как уже упоминалось выше, этот процесс начинается с деаденилирования 3’-концевых поли(A)- последовательностей мРНК. Процесс деаденилирования проходит с разной скоростью в зависимости от класса ARE-последовательностей, присутствующих в мРНК. При наличии ARE-элементов 2-го класса (тип GM-CSF) деаденилирование отдельных молекул протекает асинхронно по процессивному механизму и заканчивается образованием молекул мРНК, не содержащих 3’-концевых поли(А)-последовательностей (поли(А)−-РНК). В отличие от этого ARE-элементы 1-го и 3-го классов направляют деаденилирование по дистрибутивному механизму. При этом отдельные молекулы деаденилируются синхронно, и на концах мРНК остаются поли(А)- последовательности длиной в 30–60 нуклеотидов. Скорость дальнейшей деградации процессированных мРНК может быть различной и зависит от регулируемой на уровне деградации мРНК экспрессии генов.

Таким образом, наличие в структуре мРНК различных классов специфических ARE-последовательностей, а также множественных белковрегуляторов, взаимодействующих с этими последовательностями, контролирует кинетику деградации мРНК в клетках. Аналогичные механизмы имеют место, в частности в селективной защите или дестабилизации мРНК в ответ на изменение внутриклеточных условий, например при гормональных воздействиях.

Изменение длины поли(А)-последовательностей мРНК. Выше было отмечено, что кэпирование и полиаденилирование процессированных эукариотических мРНК повышают эффективность их трансляции рибосомами. В некоторых случаях эффективность трансляции мРНК, содержащих 3’- концевые поли(A)-последовательности, регулируется путем специфического изменения длины таких гомополимеров. В частности, у слизневиков Dictyostelium этот механизм играет ключевую роль в жизненном цикле. При переходе слизневиков от стадии вегетативного роста (амеба) к образованию плодового тела в клетках синтезируется новый набор мРНК. Одновременно резко укорачивается длина поли(A)-последовательностей мРНК, синтезированных и используемых в вегетативной стадии развития организма. В результате происходит переключение трансляции с мРНК, запасенных в

357

вегетативной фазе роста, на вновь синтезированные мРНК. Аналогичные эффекты наблюдаются в слюнных железах личинок дрозофилы, в процессе развития двустворчатого моллюска Spisula, а также в ооцитах шпорцевой лягушки Xenopus.

Хорошо изученным примером регуляции экспрессии генов на уровне полиаденилирования соответствующих мРНК является также дифференциальное полиаденилирование мРНК белка U1A – компонента U1мяРНП. Установлено, что 3’-концевые нетранслируемые участки (3’-UTRs) U1AмРНК различных организмов содержат две копии консервативных последовательностей, которые обладают способностью связывать U1A-белок. В результате синтез избытка U1A-белка ингибирует полиаденилирование мРНК in vivo. При этом происходит подавление полимеризации AMP как следствие прямых контактов белка с поли(А)-полимеразой. После такой дестабилизации U1A-мРНК наблюдается пропорциональное снижение внутриклеточного уровня U1A-белка, т.е. имеет место регулирование его биосинтеза по принципу обратной связи.

Изменения кэп-группы мРНК. Своеобразный механизм контроля трансляции мРНК используется в онтогенезе некоторых бабочек. Например, у табачного бражника Manduca sexta эффективность трансляции определенных мРНК изменяется при ковалентной модификации их 5’-концевых кэп-групп. В ооцитах бражника запасенные мРНК содержат кэп-группу в виде неметилированного остатка гуанозина. Такие мРНК не транслируются рибосомами в бесклеточной белоксинтезирующей системе. Однако после оплодотворения кэп-группы мРНК быстро метилируются с образованием остатка 7-метилгуанозина и становятся активными матрицами при трансляции.

Этим примером мы завершим рассмотрение механизмов регуляции экспрессии генов путем посттранскрипционных модификаций мРНК и их предшественников. Как видно из изложенного материала, все регуляторные модификации структуры РНК оказывают влияние на экспрессию генов, транскриптами которых они являются, через изменение эффективности трансляции этих мРНК рибосомами. Фактически все вышеперечисленные механизмы регуляции экспрессии генов направлены на изменение матричной активности РНК-посредников (мРНК), с помощью которых происходит перенос генетической информации от транскрибируемых генов к белкам. Такие

358

механизмы оказывают регуляторное действие на уровень экспрессии регулируемых генов через изменение эффективности функционирования аппарата трансляции клеток организма. Тем не менее, среди механизмов, регулирующих экспрессию генов на уровне трансляции, многие непосредственно направлены на изменение функциональной активности самих компонентов аппарата трансляции: рибосом и многочисленных факторов трансляции, принимающих прямое участие в биосинтезе белков. Некоторые из этих механизмов будут рассмотрены в следующем разделе.

3.4.Регуляция экспрессии генов на уровне трансляции

Впроцесс биосинтеза белка рибосомами вовлекается большое количество мРНК, экипированных разнообразными регуляторными элементами. Даже в случае клеток дрожжей количество транслируемых видов мРНК превышает 6000. Регуляторные последовательности мРНК влияют на эффективность трансляции двумя основными путями: 1) изменением активности компонентов системы трансляции, взаимодействующих с регуляторными доменами мРНК; 2) изменением структуры регуляторных элементов самих мРНК. Как и в случае транскрипции, механизмы регуляции экспрессии генов на уровне трансляции осуществляют контроль эффективности всех основных этапов синтеза полипептидных цепей: инициации, элонгации и терминации.

3.4.1.Регуляция инициации трансляции

Инициация, т.е. сборка компонентов системы трансляции на 5'-конце мРНК, завершающаяся образованием первой пептидной связи, является важнейшей точкой приложения регуляторных воздействий на уровне трансляции. Эффективность инициации биосинтеза белка изменяется под действием различных гормонов, факторов роста и цитокинов, при изменении доступности питательных веществ и в условиях стрессовых состояний эукариотических клеток. Ключевую роль в этом играют факторы инициации трансляции eIF4E и eIF2.

Участие фактора инициации трансляции eIF4E в регуляции биосинтеза белка. Фактор eIF4E распознает кэп-структуры мРНК в составе

359

многокомпонентного фактора инициации eIF4F, что является необходимым этапом объединения мРНК с 40S субчастицей рибосом (подробнее см. раздел 2.5.2). Фактор eIF4E лимитирует инициацию трансляции. В большинстве клеток он присутствует в количестве 0,01–0,2 молекулы/рибосому, тогда как внутриклеточное содержание других факторов находится в пределах 0,5–3 молекулы/рибосому. Внутриклеточное содержание и активность фактора eIF4E регулируются на уровне транскрипции, посттрансляционно и путем взаимодействия с белками-репрессорами.

Регуляция биосинтеза eIF4E на уровне транскрипции. В ответ на действие сыворотки или факторов роста происходит многократное возрастание внутриклеточного содержания eIF4E-мРНК. Промотор гена этого фактора содержит два сайта связывания фактора транскрипции Myc, которые функционируют в искусственных гибридных генах. В соответствии с этим повышенный уровень экспрессии гена c-myc сопровождается возрастанием внутриклеточного содержания eIF4E-мРНК. Известно, что белок Myc участвует в регуляции пролиферации клеток. Поскольку фактор eIF4E сам по себе является ключевым регулятором роста и деления клеток, полагают, что его ген может быть одной из основных мишеней регуляторного воздействия белка Myc.

Регулируемое фосфорилирование фактора eIF4E.

Фософорилированное состояние полипептидной цепи фактора eIF4E коррелирует с повышенной скоростью трансляции. В митозе, характеризуемом низкой скоростью трансляции, уровень фосфорилирования eIF4E минимален. Количество фосфорилированных молекул фактора возрастает в ответ на внеклеточные воздействия гормонами, факторами роста, митогенами и цитокинами, а также в условиях повышенной нагрузки на сердце. У млекопитающих в ответ на все исследованные стимулы фосфорилирование полипептидной цепи происходит в основном в положении S209 (нумерация по полипептиду мышей). Остаток Thr в положении 210 фосфорилируется значительно реже. Поскольку в клетках, трансформированных онкогенами ras и src, наблюдается усиление фосфорилирования eIF4E, полагают, что в этом процессе участвуют MAP(ERK)-киназы (MAPK/ERK). Это участие может быть косвенным, так как в системах in vitro киназы ERK не обладают способностью фосфорилировать eIF4E. Недавно было показано, что общим субстратом протеинкиназ p38MAPK и ERK является протеинкиназа фактора eIF4E,

360

названная MNK1 (MAP kinase interacting kinase 1), которая в активном состоянии фосфорилирована. Поскольку MNK1 эффективно и специфически фосфорилирует фактор eIF4E in vitro по остатку Ser в положении 209, ее рассматривают в качестве основного кандидата, модифицирующего этот фактор и в живой клетке, после активации каскадов реакций с участием киназ

ERK и p38 MAPK.

Семейство белков-репрессоров фактора eIF4E. Недавно были обнаружены небольшие белки (молекулярная масса ~12 кДа), названные 4EBP1, 4E-BP2 и 4E-BP3 (eIF4E-binding proteins 1, 2 and 3), ингибирующие кэп-

зависимую трансляцию после прямого взаимодействия с eIF4E. Образование комплекса eIF4E–4E-BP не изменяет сродство фактора к кэп-структуре, однако предотвращает его взаимодействие с eIF4G. Белки-ингибиторы 1, 2 и фактор eIF4G обладают гомологичной последовательностью аминокислот YXXXXLΦ, где X – любая аминокислота, а Φ – алифатический аминокислотный остаток. Эта последовательность необходима для обсуждаемого белок-белкового взаимодействия.

Сродство ингибиторов семейства 4E-BP к фактору eIF4E регулируется через их фосфорилирование. Ингибитор 4E-BP1 был вначале идентифицирован как основной полипептид, фосфорилируемый под действием инсулина. Фосфорилирование полипептидных цепей ингибиторов предотвращает образование белок-белковых комплексов и происходит в присутствии гормонов (инсулин, ангиотензин, гастрин), факторов роста (EGF, PDGF, NGF,IGFI, IGFII), цитокинов (IL-3, GMCSF), митогенов (TPA) и во время аденовирусной инфекции. В то же время в клетках некоторых типов тепловой шок и полиовирусная инфекция сопровождаются снижением уровней фосфорилирования ингибиторов. Все это указывает на прямое участие ингибиторов 4E-BP в регуляции трансляции у эукариот через взаимодействие с фактором eIF4E. По крайней мере, ингибиторы 4E-BP1 и 4E-BP2 являются субстратами протеинкиназы FRAP/mTOR – очень большого белка, принадлежащего к семейству киназ PIK, родственных киназам фосфатидилинозитола. Каскад реакций, завершающихся фосфорилированием этой киназы и, в конечном счете, белковых ингибиторов трансляции, запускается в ответ на вышеупомянутые внеклеточные стимулы киназой PIK3, фосфорилирующей OH-группу фосфоинозитида в положении 3.