2014-02-02
1017
Избирательный синтез ферментов за счет регуляции процесса трансляции у микроорганизмов
До недавнего времени считалось, что регуляция на уровне трансляции характерна почти исключительно для эукариот, где существует временное и пространственное разобщение транскрипции и трансляции в связи с наличием оболочки ядра и формированием долгоживущих, «защищенных» белками иРНК информосом, открытых А.С. Спириным.
Косвенным указанием на существование регуляции трансляции у прокариот является различие в скорости образования некоторых белков, кодируемых одним и тем же регулоном и транслируемых с общей полицистронной матрицы, как, например, в случае субъединиц РНКП и некоторых рибосомных белков.
Потенциальные возможности регуляции процесса трансляции связаны со следующими этапами:
1) биосинтез компонентов аппарата трансляции;
2) сборка аппарата трансляции;
3) управление функциями аппарата трансляции.
Основные высокомолекулярные компоненты аппарата трансляции:
аминоацил- транспортная РНК-синтетазы (аа-тРНК-синтетазы);
транспортная РНК (тРНК);
рибосомная РНК (рРНК);
матричная (информационная) РНК (мРНК);
рибосомные белки и белковые факторы трансляции.
Уровень синтеза аа-тРНК-синтетаз регулируется координировано и пропорционально скорости роста. Аминоацил-тРНК-синтетазы представляют собой довольно крупные белки, чаще всего мультимерные. Они катализируют присоединение аминокислот к транспортным РНК. Число их видов равно числу природных аминокислот. Связь между уровнями аминокислот и аа-тРНК-синтетаз более сложная, чем простая репрессия — дерепрессия.. Избыток аминокислот не оказывает на синтез АРСаз прямого репрессирующего действия. Значительная часть АРСаз эукариот ассоциирована с полирибосомами и организована в полиферментные комплексы. Поэтому в отношении их действуют регуляторные механизмы, характерные для управления активностью ферментных ансамблей.
Транспортные РНК составляют около 10–15% всей клеточной РНК и кодируются 50–60 генетическими локусами. Биосинтез тРНК проходит промежуточное образование предшественников, которые затем укорачиваются и модифицируются – явление, называемое процессингом, или «созреванием» тРНК. Например, предшественник тирозиновой транспортной РНК у Escherichia coli содержит 129 нуклеотидов, это на 44 нуклеотида больше, чем «зрелая» форма. Такой предшественник можно выделить из температурочувствительного мутанта с дефектом РНКаз. Он подвергается процессингу с участием двух РНКаз: Р и PIII. Необходимо отметить, что РНКаза Р состоит из РНК и белка, причем РНК сама по себе может выполнять функции фермента, катализируя процессинг, тогда как белок только стимулирует ее активность. Таким образом, РНКаза Р является пока не очень многочисленным примером рибозима, т.е. фермента, представляющего собой не белок, а РНК.
Следующим этапом процессинга многих тРНК является модификация оснований, которая осуществляется при помощи большого количества ферментов, поскольку даже одна и та же модификация основания, находящегося в разных участках молекулы тРНК, может осуществляться разными ферментами.
Важно отметить, что в процессе эволюции количество модифицированных компонентов в тРНК возрастало. Это указывает на важную регуляторную роль модифицированных изоакцепторных тРНК.
Рибосомная РНК (рРНК) также синтезируется в виде более длинных предшественников и подвергается «процессингу». Образование рРНК и рибосомных белков регулируется координированно и определяется эффективностью функционирования аппарата трансляции. Так, при дефиците аминокислот транскрипция локусов, кодирующих рРНК и рибосомные белки, подавляется одновременно. С другой стороны, существует специальный механизм, контролирующий процесс сборки рибосом, так как в условиях, допускающих только медленный рост микроорганизма, скорость сборки рРНК и рибосомных белков в рибосомы ниже, чем скорость образования этих компонентов.
Рибосомные РНК у эукариот представлены четыремя типами.» 28S, 18S, 5,8S и 5S, у прокариот тремя: 23S, 16S и 5S. Кроме того, в митохондриях и хлоропластах эукариот содержатся рибосомы, близкие по составу к прокариотическим. Геном Escherichia coli содержит 6–7 оперонов, включающих локусы всех трех рРНК, а также разное число локусов тРНК. В процессе транскрипции синтезируется общий транскрипт, подвергающийся процессингу, который осуществляется в ходе транскрипции, так что общий транскрипт длиной 5600 нуклеотидов может быть выделен только в системе in vitro или у мутантов с дефектом РНКаз. РНКаза III «узнает» двунитевые участки, соответствующие границам локусов транскрибируемых РНК. После действия РНКазы III образуются не «зрелые» молекулы РНК, а их предшественники, которые подвергаются дальнейшему про-цессингу. В случае рРНК он может состоять, например, в метилировании, которое обычно осуществляется после того, как рРНК включена в состав субчастицы рибосомы.
У некоторых эукариот процессинг 28S РНК состоит в удалении «лишнего» фрагмента посредством аутосплайсинга, при котором РНК выполняет роль «псевдофермента», катализирующего собственный процессинг в отсутствие белков-ферментов.
Ступенчатый процессинг позволяет осуществить регуляцию на каждом из этапов биосинтеза и сборки, а указанная организация локусов обеспечивает образование всех рРНК в равных соотношениях.
Синтез рРНК и рибосомных белков регулируется координированно и определяется эффективностью роботы аппарата трансляции: например, при дефиците аминокислот транскрипция локусов, кодирующих рРНК и рибосомные белки, подавляется одновременно.
Информационная (матричная) РНК (мРНК) также часто образуется в виде более длинного предшественника, содержащего дополнительные последовательности оснований, которые удаляются нуклеазами, однако в отличие от эукариот у прокариот этот процесс протекает быстро.
Информационная РНК у прокариот, как правило, полицистронна, а у эукариот – моноцистронна. Процессинг у эукариот состоит в вырезании интронов и в сплайсинге экзонов. Затем происходит метилирование оснований. На конце 5 достраивается специфическая группировка, так называемый «кэп», а на конце 3 последовательность из остатков адениловой кислоты, включающая до 100–400 нуклеотидов. Роль этой последовательности остается неясной. Поступившая в цитоплазму иРНК существует в виде нукле-опротеидного комплекса – информосом и в таком виде может сохраняться длительное время до наступления трансляции.
Для прокариот процессинг иРНК не характерен, хотя в некоторых иРНК архебактерий также обнаружены интроны, а у Escherichia coli полицистронный транскрипт локуса, включающего гены рибосомных белков LI, L7, L12 и гены, содержащие от 5 до 180 остатков адениловой кислоты. Показано, что они наиболее характерны для секретируемых белков.
Практически отсутствуют сведения о регуляции образования белковых факторов трансляции. У прокариот это факторы инициации, элонгации, терминации. У эукариот их больше, они сложнее по строению: только факторов инициации насчитывается свыше восьми, зато фактор терминации всего один.
По полученным за последнее время сведениям, некоторые из этих факторов способны модифицироваться; например, у эукариот может происходить фосфорилирование фактора инициации eIF‑2 и фактора элонгации EF‑1, а также ADP‑рибозилирование фактора EF‑2, что, несомненно, влияет на скорость процесса трансляции. В случае прокариот обнаружено метилирование фактора элонгации EF-Tu Escherichia coli, однако регуляторное значение этого процесса пока неизвестно.
