Контроль на уровне трансляции при координированном синтезе белка: продукция гемоглобина

Одной из основных проблем генетической регуляции является координированный синтез нескольких продуктов с разных участков генома. Когда развивающийся эритроцит синтезирует гемоглобин, необходимо, чтобы α-глобиновые цепи, ß-глобиновые цепи и молекулы гема производились соответственно в соотношении 2:2:4 (рис. 14.4). Любое существенное отклонение от этого соотношения приводит к тяжелым заболеваниям.

Результаты недавних исследований показали, что пропорциональный синтез компонентов гемоглобина регулирует молекула гема. Достигается это двояким образом. Во-первых, избыток гема (т.е. гема, который не связан с белком, подобным глобину) будет выключать свой собственный синтез (Karibian, London, 1965). Осуществляется выключение

Рис. 14.4. Структура гемоглобина человека (взрослая форма), состоящего из четырех полипептидных цепей (двух α и двух β) и четырех молекул гема. (По Dickerson, Geis, 1983.)	Рис. 14.5. Регуляция синтеза гема по типу обратной связи. (По Harris, 1975.)

синтеза посредством инактивации 6-аминолевулинатсинтазы (DALA-синтазы), первого фермента на пути продукции гема (рис. 14.5). Таким образом, когда количество гема превосходит количество молекул, способных присоединить его, дальнейшая продукция гема прекращается. Во-вторых, избыток гема стимулирует синтез глобинов (Gribble, Schwartz, 1965; Zucker, Schulman, 1968). Если гем (в виде своей окисленной формы – гемина) добавляют к бесклеточной системе трансляции, в состав которой входят факторы, необходимые для трансляции мРНК (табл. 14.1), то синтез глобина значительно увеличивается (рис. 14.6). Следовательно, если для связывания гема не хватает глобинов, то избыток гема выключает свой собственный синтез и стимулирует усиленную продукцию глобинов.

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

__________________ ТРАНСЛЯЦИОННАЯ И ПОСТТРАНСЛЯЦИОННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ РАЗВИТИЯ_________________ 203

Таблица 14.1. Компоненты бесклеточной системы трансляции в лизате ретикулоцитов кролика
Компонент	Концентрация (в 100 мкл)
Источник: London et al., 1976.

В нескольких лабораториях пытались выяснить, каким образом такая маленькая молекула, какой является гем, может регулировать синтез белка. В 1972 г. Адамсон и др. (Adamson et al., 1972) обнаружили, что стимулирующий эффект гема на синтез глобинов может быть имитирован путем добавления к системе трансляции слабосвязанных рибосомных белков. Поскольку такие смеси богаты факторами инициации трансляции, каждый фактор испытали в отдельности. Оказалось, что эукариоти-

Рис. 14.6. Трансляция глобиновой мРНК в бесклеточной системе синтеза белка из ретикулоцитов кролика. Добавление гемина вызывает резкое увеличение синтеза белка. (Из London et al., 1976.)	Рис.14.7. Влияние добавки экзогенного эукариотического фактора инициации 2 к бесклеточной системе трансляции из ретикулоцитов кролика. Добавленный эФИ2 увеличивал синтез белка до уровня, близкого к наблюдаемому в системе, стимулированной гемином. (По Clemens et al., 1974.)

ческий фактор инициации 2 (эФИ2) восстанавливает синтез белка в трансляционной системе из лизатов, дефицитных по гему (рис. 14.7). Этот фактор инициации отвечает за связывание инициаторной тРНК и присоединение ее к рибосомной 40S-субъединице.

Какова взаимосвязь между гемом и эФИ2? Чтобы ответить на этот вопрос, лизаты, дефицитные по гему, добавляли к трансляционным системам, содержащим гем (Levin et al., 1976; Ranu et al., 1976). Было обнаружено, что добавка порции лизата, дефицитного по гему, действительно подавляет синтез глобинов в системе трансляции. Это наблюдение указывало на присутствие ингибитора. Более того, оказалось, что эта ингибирующая фракция имеет ферментативную активность. Она содержит киназу, способную фосфорилировать эФИ2.

Фосфорилирование эФИ2 в конечном итоге останавливает трансляцию. В норме, после того как рибосомные субъединицы объединяются, эФИ2 высвобождается в виде комплекса с ГДФ (Raychaudhuri et al., 1985). Это высвобождение осуществляется с помощью эФИ-2В (называемого иногда фактором циклов или фактором обмена гуанинового нуклеотида), который присоединяется к эФИ2 и удаляет его с рибосомы. Однако, когда этот фактор циклов присоединяется к фосфорилирован-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.

204_______________ ГЛАВА 14_____________________________________________________________________________

Рис. 14.8. Схема трансляционного контроля синтеза глобинов Эукариотический фактор инициации 2 истощается в результате фосфорилирования (протеинкиназой) до тех пор, пока гем не инактивирует протеинкиназу)

ной форме эФИ2, он остается связанным с эФИ2 и комплекс с эФИ2 не уходит с рибосомы (Thomas et al.. 1985; Gross el al., 1986). В результате весь фактор циклов (концентрация которого в 10-20 раз ниже, чем эФИ2) оказывается захваченным в таких неактивных комплексах. Циркуляция эФИ2 прекращается, и синтез белка останавливается. Добавление фактора циклов к лизатам, дефицитным по гему, приводит к восстановлению синтеза белка до уровня трансляционных систем, содержащих гем (Grace et al., 1984).

В итоге регуляцию синтеза глобинов гемом можно представить следующим образом (рис. 14.8).

1. В отсутствие гема специфическая протеинкиназа фосфорилирует фактор инициации 2.

2. Фосфорилированный фактор инициации 2 связывается со своим фактором циклов и не высвобождает его. В конечном счете весь фактор циклов иммобилизуется в этих комплексах. Комплекс эФИ2 – эФИ-2В остается связанным с рибосомой, и трансляция останавливается.

3. Избыточный гем способен присоединиться к протеинкиназе, инактивируя ее (Fagard, London. 1981). Инактивированная киназа не будет фосфорилировать эФИ2, поэтому трансляция не останавливается. Таким образом, синтез глобинов продолжается до тех пор, пока присутствует гем.

Трансляционный контроль синтеза глобинов не ограничивается этим. Как отмечалось в гл. 12, в диплоидной клетке имеются четыре активных α-глобиновых гена и лишь два активных ß-глобиновых гена. Если бы каждый ген транскрибировался и транслировался с одинаковой скоростью, то следовало ожидать, что количество α-глобиновых молекул вдвое превысит количество ß-глобиновых молекул. Этого, естественно, не происходит. Обнаруживается отношение 1,4:1 для α-мРНК:ß-мРНК, но 1:1 для белков (Lodish, 1971). Таким образом, уравнивание количеств белков обусловлено регуляцией на уровне трансляции.

Полагают, что это уравнивание происходит на стадии инициации трансляции (Kabat, Chappell, 1977). Оказалось, что α-глобиновая мРНК конкурирует с ß-глобиновой мРНК за факторы инициации, но ß-глобиновая мРНК является лучшим конкурентом. ß-Глобиновая мРНК узнавалась более эффективно факторами инициации и поэтому транслировалась с большей частотой. Если эти две мРНК присутствовали в равных количествах и при лимитирующем количестве факторов инициации, то лишь 3% производимого белка составлял α-глобин. Однако если нефракционированную мРНК (α- и ß-глобиновую мРНК из лизированных клеток) добавляли к избытку таких факторов, то все молекулы мРНК транслировались с одинаковой эффективностью и итоговое отношение а- и ß-глобинов составляло 1,4:1. Результаты недавних экспериментов (Ray et al., 1983; Sarkar et al., 1984) косвенно свидетельствуют о том, что в качестве фактора инициации, ответственного за дискриминацию между двумя типами глобиновых мРНК, выступает кэп-связывающий белок. Хотя до сих пор неясно, как эта дискриминация осуществляется, известно, что на эффективность трансляции влияет вторичная структура 5’-лидерной последовательности (Pelletier, Sonnenberg, 1985). Как видно из рис. 14.9. 5'-концы α- и ß-глобиновых мРНК существенно различаются. Таким образом, правильное соотношение α-глобина, ß-глобина и гема устанавливается на стадии инициации трансляции. Итак, синтез гемоглобина подвержен регуляции на уровнях транскрипции и процессинга РНК, однако итоговая молекула формируется при тонкой координации на уровне трансляции.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: