Александр Нейфах - Гены и развитие организма

Последний пример касается такой очень сложной дифференцировки, как образование сперматозоидов. Этот процесс имеет еще ту особенность, что после мейоза синтез новых РНК почти или совсем не происходит. Белки же синтезируются на всех стадиях спермиогенеза, и для каждой стадии характерен синтез своих белков. Последними синтезируются белки головки спермия: у рыб это примитивные белки — протамины, у других животных — особые протаминоподобные гистоны. Их единственная функция — очень плотная упаковка ДНК в головке сперматозоида. Матрицы для синтеза протаминов или гистонов спермия транскрибируются заранее, еще до образования головки. И мРНК хранятся все это время (несколько дней) в маскированном состоянии, не транслируясь. Они начинают транслироваться только в самом конце дифференцировки, на той ее стадии, на какой это необходимо.

Механизмы, определяющие судьбу новосинтезированных мРНК, т. е. их путь в информосомы или прямо на рибосомы, неизвестны. Также неизвестно, чем регулируется выход мРНК из информосом и, что особенно сложно, чем определяется выход одних мРНК и хранение других.

В синтезе белка участвуют десятки компонентов: мРНК, рибосомы, ГТФ, восемь различных факторов инициации трансляции, факторы элонгации и терминации, более 40 аминоацил-тРНК и образующие их (столько же) тРНК, АТФ, 20 разных аминокислот и 20 аминоацил-тРНК-синтетаз. Существует некоторое оптимальное соотношение между количеством всех этих компонентов. Даже небольшая нехватка любого из компонентов должна уменьшать скорость трансляции. Одни компоненты, по-видимому, всегда присутствуют в достаточных количествах и никогда не становятся лимитирующим звеном. Другие же, напротив, обычно находятся в клетке в низкой концентрации, и то одна, то другая из них ограничивает скорость синтеза белка.

Вместе с тем клетка должна иметь некоторые «излюбленные» звенья, через которые скорость трансляции регулируется чаще всего и на которые «выходят» многие регуляторные внутриклеточные связи. Одним из таких звеньев является фактор инициации — elF-2. Он может находиться в двух состояниях — фосфорилированном и нефосфорилированном (неактивном и активном). Существует специфический фермент — протеинкиназа, которая фосфорилирует elF-2, и фосфатаза, которая его дефосфорилирует. Как показал С. Очоа, именно таким путем происходит регуляция синтеза белка при многих очень различных ситуациях: синтез глобина в зависимости от присутствия гема; активация синтеза белков при пробуждении развития у высохших зародышей солоноводного рачка артемии, после попадания их в воду; замедление синтеза при действии интерферона и т. д. При других ситуациях «узким звеном» становится другой фактор инициации, например elF-3.

Факторы инициации являются, таким образом, характерными точками регуляции, но в принципе им может стать любое недостающее звено. В первую очередь таким звеном могут быть компоненты, поступающие в клетку извне, — некоторые аминокислоты и источники энергии — фосфорилированные нуклеотиды (АТФ и ГТФ). У бактерий, которые очень часто оказываются в условиях белкового или энергетического голодания, существуют специальные механизмы остановки синтеза белка. В клетках многоклеточных такая ситуация возникает, вероятно, реже, но и они могут оказаться в условиях, не способствующих максимальному синтезу белка, т. е. росту.

Перечисленные выше механизмы регуляции синтеза белка неспецифичны; они в равной степени должны замедлять или ускорять синтез всех белков. Однако существуют механизмы регуляции, действующие избирательно, т. е. подавляющие синтез одних белков больше, чем других. Один из таких известных сегодня механизмов — это регуляция посредством состава тРНК. Дело в том, что включение в белок почти каждой аминокислоты может, как мы знаем, кодироваться не одним, а двумя, четырьмя и даже шестью разными триплетами. Во многих случаях для этого необходимы различные тРНК. В то же время количество разных изоакцепторных (несущих одну аминокислоту) тРНК в клетке неодинаково, и та из них, которой меньше, может стать «узким звеном», или, как говорят англичане, «горлышком бутылки».

В то же время в генах и соответственно в мРНК одна и та же аминокислота может быть закодирована часто используемым кодоном, для которого соответствующие тРНК находятся в клетке в избытке, а также редким кодоном, который хотя и кодирует ту же самую аминокислоту, но встречается в генах редко. Для такого кодона нужна особая тРНК, и если ее концентрация в клетке мала, синтез данного белка по отношению к другим белкам будет замедляться.

Судя по тому, что количественное соотношение разных тРНК в различно дифференцированных клетках неодинаково, клетки приспособлены к тем мРНК, которые в них преимущественно транслируются. Например, при дифференцировке шелкоотделительной железы у гусеницы шелкопряда в ней увеличивается концентрация тех тРНК, триплеты которых чаще используются при кодировании фиброина (белка шелка). Ho может быть и другая ситуация, когда нехватка каких-то тРНК позволяет клетке замедлять синтез некоторых белков и этим поддерживать скорости синтеза разных белков в оптимальном соотношении.

Однако существуют и другие, неизвестные пока механизмы регуляции трансляции, которые как-то стимулируют синтез одних белков и, напротив, препятствуют образованию других. Один пример такой регуляции, на уровне трансляции, мы обсудим в последнем разделе этой главы.

В заключение этой главы мы рассмотрим один особый случай, который может служить иллюстрацией для почти всех предыдущих разделов. Этот пример показывает, что, вероятно, всегда экспрессия генов регулируется не одним механизмом и не на одном уровне, а более сложным путем с вовлечением всех путей регуляции в клетке.

Речь идет о характерных изменениях состава синтезируемых белков, которые происходят при попадании организма в условия повышенной, сублетальной температуры, или, иначе, теплового удара, а по-английски — «хит-шока». Этот процесс был открыт и лучше всего изучен на личинках дрозофилы, где смену работающих генов можно наблюдать визуально благодаря появлению или исчезновению пуфов на политенных хромосомах.

Если личинку дрозофилы из оптимальной температуры 25 °C перенести в повышенную температуру, например 37°, у нее наступает «хит-шок». Он выражается в том, что в течение нескольких минут меняется состав работающих генов в слюнных железах, а также и во всех других тканях личинки. У них активируется несколько генов, которые называют генами теплового шока. Все остальные гены, работавшие при нормальной температуре, в начале «хит-шока» выключаются. Соответственно этому начинается и синтез особых белков «хит-шока», которые, очевидно, защищают личинку от высокой температуры. Синтез же всех старых белков (за исключением гистонов) при этом быстро прекращается: прерывается их трансляция.