Файл: Учебник для студентов медицинских вузов и слушателей последипломного образования.pdf

Рисунок 18. Сплайсинг
На следующем этапе мРНК переходит в цитоплазму клетки и транслируется.
Трансляция
– это синтез полипептидной цепи по молекуле мРНК. На рис. 19 изображены основные этапы трансляции.
Рисунок 19. Трансляция мРНК
Трансляция происходит на
рибосомах
– небольших органеллах, широко представленных в клетках. Рибосомы состоят из двух главных субъединиц
рибосомальной РНК (рРНК)
. Важнейшими участниками процесса трансляции являются молекулы
транспортной РНК (тРНК)
. Молекулы тРНК имеют форму кленового листа (рис. 20), и они способны образовывать комплекс с одной из аминокислот и транспортировать ее к рибосоме. Какую именно аминокислоту будет транспортировать тРНК, зависит от последовательности из трех нуклеотидов в очень важном функциональном участке тРНК, который называется
антикодоном
Рисунок 20. Транпортная РНК (тРНК)
В процессе трансляции три нуклеотида мРНК, которые называются
кодоном
или
кодирующим триплетом
, входят в рибосому. Это является сигналом приближения к рибосомальному комплексу той тРНК, у которой антикодон комплементарен этому кодону, и она доставляет свою аминокислоту. После этого происходит дальнейшее продвижение рибосомы по мРНК, и в неѐ включается следующий кодон. Это является сигналом приближения к рибосомальному комплексу другой тРНК, у которой антикодон комплементарен следующему кодону. И эта новая тРНК доставляет к рибосомальному комплексу следующую аминокислоту, которая

образует пептидные связи с предыдущей. Таким образом, происходит сшивка аминокислот на рибосоме с образованием полипептидной цепи.
Итак, полипептидная цепь – это последовательность аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Зрелый белок отличается от полипептидной цепи, прежде всего, наличием третичной пространственной структуры. В процессе созревания белка, то есть при белковом процессинге, на одной полипептидной цепи могут происходить десятки биохимических реакций. Белковый процессинг высоко специфичен для разных белков, и его изучение выходит за рамки нашего курса.
В основе перехода от последовательности нуклеотидов в мРНК к последовательности аминокислот в полипептидной цепи лежит
генетический
код
(табл.3) или соответствие последовательности из трех нуклеотидов в мРНК определенной аминокислоте в белке.
Таблица 3. Генетический код
Физическим прообразом генетического кода служат молекулы транспортных РНК. Именно они обеспечивают соответствие между нуклеотидами в мРНК и аминокислотами в белке. Итак, генетический код триплетен и составлен из четырех нуклеотидов. Количество возможных сочетаний из четырех нуклеотидов по три в кодоне равно 4 3 или 64. Из этих
64 вариантов три являются сигналами прекращения процесса трансляции.
Это
стоп-кодоны
или
нонсенс-кодоны
. Как только любой из этих вариантов включается в рибосому, трансляция прекращается. Остальные триплеты кодируют 20 аминокислот, причем все аминокислоты, за исключением метионина, кодируются не одним, а несколькими вариантами триплетов.
Лейцин, например, кодируется шестью вариантами триплетов. Это свойство генетического кода называется
вырожденностью
. Вариация между триплетами, кодирующими одну и ту же аминокислоту и потому

получившими название кодонов-синонимов или
синономических триплетов
, как правило, идет по третьему нуклеотиду в кодоне.
Расшифровка генетического кода, которая ассоциируется с исследованиями М. Ниренберга, Х. Г. Корана и М. Мессельсона, выполненными в 1966 году, также относится к разряду величайших открытий в области молекулярной генетики, позволяющих перейти от анализа генов к анализу белков и изучения функционирования клетки, как целой взаимосвязанной системы.
Действительно, знание нуклеотидной последовательности кодирующей ДНК позволяет однозначно прогнозировать аминокислотную последовательность кодируемого белка. В то же время знание аминокислотной последовательности полипептидной цепи не позволяет однозначно прогнозировать нуклеотидную последовательность мРНК или кодирующую область гена в силу вырожденности генетического кода. Например, стоит в белке лейцин, и Вы не можете сказать, какой из шести возможных синономических триплетов кодирует эту аминокислоту в гене. Вы можете только написать все шесть возможных вариантов триплетов.
А почему метионин кодируется одним вариантом триплетов? Потому что он кодируется ATG-кодоном, который, в свою очередь, является местом начала транскрипции или, как говорят,
сайтом инициации транскрипции
. А потому трансляция всех белков начинается с метионина. Это незначащая аминокислота, она затем отщепляется при процессинге белка. Таким образом, необходимо запомнить, что ATG – это начало транскрипции, а метионин – это начало трансляции.
Удивительным является то, что генетический код оказался одинаковым для всех живых существ от вирусов до человека.
Универсальность
генетического кода является бесспорным доказательством родственности всего живого на Земле. При этом наиболее правдоподобной гипотезой возникновения жизни кажется ее привнесение в форме взаимодействия нуклеиновых кислот и белков откуда-то извне. Правда, остается неразрешимым вопрос, а как жизнь образовалась там, откуда она пришла на

Землю? В этом месте уместнее всего произнести слово Бог и говорить о божественном характере возникновения жизни на Земле. Но это уже вопрос не науки, а убеждения. С другой стороны, еще 100 лет назад все описанные ранее и вполне материальные факты показались бы настолько фантастическими, что их объяснение могло быть произведено только с позиций божественного начала. Можно лишь надеется, что наши внуки или даже правнуки узнают, откуда пришла жизнь на Землю.
На универсальности генетического кода основана возможность проведения геноинженерных манипуляций с молекулами ДНК. Можно, например, выделить ген человека, включить его в состав ДНК вируса, ввести эту генетическую конструкцию в бактериальную клетку и быть уверенным в том, что бактериальная клетка прочтет информацию, записанную в гене человека, точно так же, как это сделала бы клетка человека. Почему? Потому что генетический код универсален! Одним из практических приложений этих биотехнологий является геноинженерное производство лекарственных препаратов, таких как инсулин, интерферон и многие другие.
Рассмотренные в данном разделе основные
информационные процессы
, такие как репликация, транскрипция и трансляция, обеспечивающие передачу генетической информации внутри или между клетками, основаны на
матричных процессах
, то есть таких процессах, когда одна из нитей ДНК или РНК служит матрицей для последующего синтеза. К матричным процессам относятся также
репарация
, то есть исправление дефектов, возникающих при репликации ДНК и
рекомбинация
- обмен между гомологичными (кроссинговер) или негомологичными участками ДНК.
Молекулярные основы всех матричных процессов в настоящее время хорошо изучены.

было постулировано Менделем. В процессе развития хромосомной теории наследственности было показано, что гены это хромосомные локусы, которые одновременно являются единицами мутации, рекомбинации и функции.
С возникновением молекулярной генетики появилось представление о гене, как единице транскрипции. С этой точки зрения гены – это транскрибируемые участки молекулы ДНК. Какова же их структура?
Рисунок 21. Структура генов эукариот
Напомним, что многие гены эукариот, включая человека, имеют прерывистую структуру – рис. 21. Кодирующие участки гена - экзоны, соседствуют с протяженными некодирующими участками – интронами, которые вырезаются при процессинге преРНК и, таким образом, не участвуют в трансляции. Некоторые экзоны, локализованные на концах гена, транскрибируются, но также не транслируются. Экзоны относятся к числу
смысловых
последовательностей, так как в них, в отличие от интронов или каких-то других последовательностей ДНК, нет стоп-кодонов, то есть они составляют
открытые рамки считывания
. На границах между экзонами и интронами локализованы важные канонические последовательности, так называемые
сайты сплайсинга
, необходимые для правильного вырезания интронов.
Заметим, что открытие мозаичной структуры генов эукариот оказалось совершенно неожиданным и относится к разряду мини-революции в генетике. Термины экзон и интрон были введены Уолтером Гилбертом в
1978 году и сразу были приняты научным сообществом, хотя до сих пор нет удовлетворительных объяснений, зачем нужна прерывистость структуры генов, почему она появляется у высших организмов и какие преимущества она им дает. С другой стороны, очевидно, что эволюционный прогресс эукариот в значительной степени ассоциирован с появлением мозаичных генов.
В отличие от белок-кодирующих последовательностей численность и

протяженность интронов прямо коррелируют со сложностью организации жизни. У одноклеточных эукариот, таких, например, как дрожжи, интроны занимают от 10 до 20% преРНК, их средняя длина менее 100 нуклеотидов и они распределены с плотностью 1-3 на 1000 нуклеотидов экзонов. В генах высших растений от 2 до 4 интронов, их длина составляет около 250 нуклеотидов и они занимают до 50% пре-РНК. У животных средняя длина интронов увеличивается до 500 пар оснований у дрозофилы или нематоды и до 3400 нуклеотидов у человека, в среднем, их 6-7 на ген, и они занимают более 95% от общей длины первичного РНК-транскрипта.
В понятие ген входят также 5’- и 3’-нетранслируемые области. В 5’- нетранслируемой области находится основной регулятор работы гена –
промотор
. Промотор – это место взаимодействия ДНК с ферментом РНК- полимеразой, осуществляющим комплементарный синтез РНК по матрице
ДНК в процессе транскрипции. Промотор определяет правильное начало транскрипции с первого инициирущего ATG-кодона и влияет на ее скорость.
Промоторы, обеспечивающие высокую скорость синтеза преРНК, называются сильными, а низкую – слабыми. Есть промоторы, которые для своей работы требуют присутствия какой-то другой молекулы, они называются индуцибильными. Транскрипция заканчивается при достижении определенных терминирующих сигналов. В 3’-нетранслируемой области гена локализованы последовательности, участвующие в регуляции процессинга мРНК и трансляции.
Транскрипция и трансляция с образованием конечного продукта (белка или РНК) вместе называются
экспрессией
или работой гена. Все гены присутствуют в ядрах клеток разных специализированных тканей организма, так как в них содержится одинаковая молекула ДНК. Однако далеко не все гены экспрессируются в разных тканях. Существует определенный набор генов, которые экспрессируются в любых типах клеток. Эти гены, получившие название
генов домашнего хозяйства
, обеспечивают энергетику, дыхание и другие процессы, без которых клетки жить не могут. Но основная

масса генов – это
тканеспецифические
гены, которые работают только в определенных клетках и на определенных стадиях их развития. Нарушение экспрессии генов, как правило, ассоциировано с развитием патологических процессов, лежащих в основе развития многих наследственных заболеваний.
Отклонением от нормы является не только снижение экспрессии какого-то гена или ее полное отсутствие, но и
гиперэкспрессия
– образование аномально большого количества продукта гена – а также
эктопическая
экспрессия
– работа гена в несвойственном типе клеток или в несвойственный момент онтогенетического развития.
Считается, что, в среднем, в специализированных клетках одновременно работают не более
20% всех генов.
Процесс дифференцировки непосредственно зависит от набора экспрессирующихся генов. Важную роль в этом играют
транскрипционные факторы
– регуляторные элементы, способные активировать или репрессировать целую группу других генов, так называемую «
генную сеть
». Многие гены транскрипционных факторов экспрессируются в раннем эмбриогенезе и активируют «генные сети», ответственные за морфогенез отдельных органов и тканей, формирование метаболических цепей и тому подобные процессы.
Генную сеть составляют также группы генов, полиморфные функционально значимые аллели которых формируют наследственную предрасположенность к мультифакториальной патологии, такой, например, как атеросклероз, язвенная болезнь, бронхиальная астма, рак молочной железы или простаты и др. У высших кроме промотора имеются дополнительные системы регуляции, усиливающие или ослабляющие экспрессию генов и обеспечивающие ее тканаспецифичность.
Эти регуляторные последовательности, так называемые
энхансеры
и
сайленсеры
, могут находиться как в самом гене, так и на значительном расстоянии от него.
Современным интегральным методом оценки молекулярно- генетических параметров различных типов тканей и культивируемых линий клеток, является анализ
экспрессионного профиля генов
, основанный на

биочиповой
технологии. Подобная методология позволяет одновременно следить за работой тысяч, а иногда до десятка тысяч генов. В результате могут быть выявлены группы генов, характер экспрессии которых определяет тканеспецифичность
– комплекс морфологических, гистологических и функциональных особенностей, специфичных для определенных тканей или клеток.
Большинство генов эукариот представлено одной или несколькими копиями. Наряду с этим, некоторые гены повторены в геноме от десятка и более раз, и образуют
мультигенные семейства
. Эти гены обычно сгруппированы в кластеры в определенных районах одной или нескольких хромосом и часто находятся под общим регуляторным контролем.
Примерами мультигенных семейств могут служить гены рибосомальных и транспортных РНК, гены α- и β-глобинов, тубулина, миоглобина, интерферона и многих других. Особое место среди мультигенных семейств занимают
супергены
– очень большие кластеры из сотен функционально и структурно родственных генов. Классическим примером супергена служит
HLA-комплекс, контролирующий главные антигены гистосовместимости. Он занимает район более 6000 тыс. п.о. на коротком плече хромосомы 6 и состоит из серии тесно сцепленных генов, ответственных за синтез множества белков, включающих клеточные поверхностные антигены, молекулы иммунного ответа и некоторые компоненты комплемента. К супергенам относятся три комплекса расположенных на разных хромосомах генов, контролирующих синтез тяжелых и легких цепей иммуноглобулинов.
Интересно, что в процессе дифференцировки
В-лимфоцитов, продуцирующих иммуноглобулины, происходит структурная перестройка этих семейств.
При этом отдельные последовательности
ДНК элиминируются, тогда как другие сливаются. В итоге структура генов иммуноглобулинов в зрелых В-лимфоцитах значительно отличается от исходной, то есть той, которая наблюдается в зародышевых клетках.

Основными функциями мультигенных семейств является производство большого количества белков или РНК в ограниченный момент времени или обеспечение разнообразного ответа, как в случае HLA-комплексов или генов иммуноглобулинов. Полиморфные аллели этих генов часто являются генетическими факторами риска, предрасполагающими к широкому спектру мультифакториальных заболеваний, таких как сахарный диабет, анкилозирующий и псориатический спондилиты, псориаз, ревматоидный артрит, рассеянный склероз и др.
Завершая разговор, необходимо упомянуть, что в кодирующих областях разных генов эукариот наряду с уникальными последовательностями могут присутствовать высоко гомологичные фрагменты нуклеотидных последовательностей. Это значит, что в кодируемых такими генами белках присутствуют гомологичные фрагменты аминокислотных последовательностей, ассоциированные с определенными специализированными функциями. При этом в разных генах (а значит и в разных белках) эти гомологичные фрагменты могут встречаться в различных комбинациях.
Примером являются гены коллагенов,
являющихся основными компонентами внеклеточного матрикса, на долю которых приходится более
30% общей массы белков млекопитающих. В настоящее время идентифицировано 27 типов коллагенов. Все они состоят из трех равномерно скрученных полипептидных α-цепей, в каждой из которых присутствует специфический коллагеновый домен. На всем протяжении этого домена каждая третья аминокислота является глицином. Этот домен совершенно необходим для правильной организации коллагеновых молекул и фибрилл коллагена. Наследственные дефекты, нарушающие структуру коллагена, приводят к широкому спектру заболеваний, получивших общее название наследственных коллагенопатий. В то же время и в других белках имеются коллагеновые домены, в частности, в сурфактант-ассоциированных белках, дефектная структура которых является причиной развития таких тяжелых

бронхолегочных заболеваний, как респираторный дистресс-синдром, врожденный альвеолярный протеиноз или интерстициальный альвеолит.
Другие примеры. Молекулы клеточной адгезии относятся к суперсемейству иммуноглобулинов и содержат в различных сочетаниях и количестве тандемно расположенные специфические последовательности, так называемые Ig-подобные повторы. Однако Ig-повторы выполняют функции связывания лигандов и присутствуют в экстраклеточных доменах многих других белков, таких, например, как рецепторы фибробластных факторов роста, протеогликаны, фибулины и др. Во многих белках присутствуют последовательности, впервые идентифицированные в эпидермальном факторе роста – EGF-подобные домены. В частности, самый крупный домен фибриллина, занимающий около 75% всего белка, состоит из
46 EGF-подобных повторов, формирующих последовательности для связывания кальция и осуществления белок-белковых взаимодействий.
Напомним, что фибриллин является основным структурным компонентом эластических волокон внеклеточного матрикса, и мутации в гене фибриллина приводят к синдрому Марфана. EGF-подобные повторы присутствуют в рецепторе трансформирующего фактора роста β, тромбоспондинах – Ca2
+
- связывающих гликопротеинах внеклеточного матрикса – и во многих других мультидоменных белках.
Подчеркнем еще раз, что в разных белках гомологичные домены встречаются в разных комбинациях. Так, в молекуле адгезии нейронов 5 тандемных Ig-повторов сочетаются с 6 повторами, подобными фибронектину. А фибулин – белок, располагающейся на поверхности эластических волокон – содержит 44 тандемных Ig-подобных повторов, 8
EGF-подобных повторов и 6 тромбоспондин-подобных модулей. В фибриллине, наряду с EGF-подобными повторами содержатся мотивы для связывания интегринов и трансформирующих факторов роста. Список подобных примеров может быть значительно расширен. Таким образом,