Александр Нейфах - Гены и развитие организма

В заключение нам следует упомянуть еще об одной возможности регуляции — посредством не белков, а низкомолекулярных РНК. Исследованы они до сих пор недостаточно — мы знаем только те их виды, которых в клетке много. У РНК, если рассматривать их как кандидатов на роль высокоспецифичных регуляторов, есть важное достоинство. Даже короткая их последовательность, длиной в 20–30 нуклеотидов, может точно опознать тот ген, который имеет участок ДНК, комплементарный к этой РНК. Белок, способный на такое опознавание, должен быть во много раз больше и сложнее. Каким образом низкомолекулярные ядерные РНК осуществляют регуляторную функцию (если они ее осуществляют), совершенно неизвестно. Схемы, которые могут быть предложены, без фактов большой ценности не имеют. Поэтому гипотеза о РНК как о регуляторах генетической активности остается пока не более чем интересной идеей.

Из молекулярной биологии мы знаем, что на генах транскрибируются большие молекулы пре-РНК, которые, прежде чем стать мРНК и выйти из ядра в цитоплазму, должны пройти процессинг. На том конце, который транскрибируется первым и который присоединяется к рибосоме, образуется «кэп» — молекула метилированной ГТФ. К противоположному концу присоединяется поли-А — отрезок, состоящий из 100–200 аденинов. Наконец, участки, считанные с экзонов, соединяются друг с другом, а участки, считанные с интронов, вырезаются и деградируют. Существуют экспериментальные данные, показывающие, что скорость процессинга и время выхода мРНК из ядра могут быть различными, т. е. они могут регулироваться.

Более важно другое: оказалось, что многие РНК могут вовсе не выходить в цитоплазму, а вскоре после синтеза деградировать в ядре. Из этих фактов родились важные представления о том, что транскрибируется очень много генов, а из ядра в цитоплазму выходит гораздо меньше видов различных мРНК. Эти взгляды, которые развивают американские ученые Бриттен и Давидсон, предполагают, что на уровне транскрипции, на хромосомах происходит только частичная регуляция и активными являются многие или даже все гены. Главная же регуляция, согласно этим взглядам, происходит на посттранскрипционном уровне, т. е. при разделении на те виды пре-мРНК, которые подвергнутся процессингу и выйдут в цитоплазму, и те, которые быстро распадутся в ядре, не выходя из него. Проблема избирательной экспрессии ограниченного набора генов в разных клетках, таким образом, отодвигается на следующий уровень регуляции.

О механизмах этого явления мы пока ничего не знаем. Нет и строгих доказательств того, что в ядре транскрибируются все или почти все гены. Все это заставляет большинство ученых пока очень сдержанно относиться к гипотезе Бриттена и Давидсона и не спешить с отказом от традиционных представлений о том, что основная регуляция работы генов происходит путем их избирательного считывания.

Тем не менее действительно существуют факты, свидетельствующие о том, что в ядрах находится значительно больше видов РНК, чем в цитоплазме (приблизительно в 10 раз), и это требует своего объяснения. Может быть, Бриттен и Давидсон правы-только отчасти и в ядрах транскрибируются РНК не со всех, но с большого числа генов. Потом в ходе процессинга происходит дальнейшая выбраковка первичных транскриптов. Если это справедливо, то выбор активных генов происходит как бы в два тура: сначала на хромосомах — предварительный и менее строгий, а затем при процессинге — окончательный.

Догадаться, как происходит регуляция, невозможно: даже правильная догадка, пока она не доказана фактами, всего лишь догадка и ценность ее невелика. Вопрос о действительной роли процессинга будет, очевидно, разрешен в ближайшие годы.

Большие молекулы РНК всегда или почти всегда связаны с белком. В ядрах они образуют рибонуклеопротеидные комплексы, которые открывшие их Г. П. Георгиев и его сотрудники назвали «информоферы». Роль их не вполне ясна. Может быть, она чисто структурна и связь про-мРНК с белком защищает их от распада или необходима для правильного процессинга. А может быть, она более специфичная и белки информофер участвуют в регуляции процессинга, т. е. в том, о чем говорилось в предыдущем разделе.

Еще до открытия ядерных рибонуклеопротеидов (РНП) комплексы РНК с белком в цитоплазме были обнаружены А. С. Спириным у ранних зародышей вьюна. Двадцать лет назад он предположил, что эти комплексы играют роль в регуляции синтеза белка и содержат мРНК. В соответствии с этим они были названы информосомами. Почти одновременно сходная идея была высказана американским биологом А. Тейлором, который предложил термин «маскированные мРНК».

Ситуация в то время была такова, что, перефразируя известное выражение, можно сказать — если бы информосомы не были открыты, их надо было выдумать. Действительно, активация синтеза белка у оплодотворенных или даже у просто активированных яиц морского ежа происходит без участия ядер. Без участия ядер происходит раннее развитие и синтез белка и у зародышей рыб и амфибий. Следовательно, увеличение интенсивности синтеза белка — резкое, как у морского ежа, или умеренное, как у рыб и амфибий, — после оплодотворения могло происходить только на мРНК, синтезированных ранее и запасенных. Если эти мРНК к моменту оплодотворения уже были, то почему они не включились в трансляцию сразу? Очевидно, они были каким-то образом изолированы от белоксинтезирующего аппарата (рибосом), т. е. маскированы.

А. С. Спирин и его сотрудники показали, что информосомы принципиально отличаются от других комплексов РНК с белком. Эти отличия состоят в ином соотношении в них белка и РНК. Для рибосом это соотношение равняется приблизительно 1: 1, и плотность рибосом, измеренная в растворах хлористого цезия, равна 1,51. Для информосом эта плотность всегда меньше и близка к 1,4. Это соответствует соотношению РНК и белка, как 3:1.

Роль информосом кажется очевидной: создать депо матриц, которое позволило бы накапливать их без немедленного синтеза белка и регулировать их переход к трансляции. Такая регуляция может быть количественной, и тогда состав мРНК на рибосомах и в информосомах одинаков — меняется только их доля в этих двух структурах. Ho она, как оказалось, может быть и качественной, и выход мРНК из информосом регулирует не только интенсивность синтеза, но до известной степени и состав синтезируемых белков.

Можно привести несколько примеров, когда участие информосом очень существенно. О накоплении мРНК в оогенезе и об их постепенном переходе на рибосомы мы уже говорили. При дифференцировке мышц мРНК мышечного белка — миозина накапливаются в миобластах заранее, еще до того, как эти клетки сольются в мышечные трубочки. Ho как только такое слияние произошло и необходим быстрый синтез миозина, его матрицы переходят из информосом в полисомы и сразу начинается активный синтез этого белка.