Регуляция репликации и клеточного цикла.

· Циклины и циклин-зависимые проте­инкиназы. Существует связь репликации с клеточным циклом. Би­осинтез ДНК происходит в синтетическую фазу клеточного цикла. Клеточный цикл регулируется: в конце фазы G₁ есть точка рестрикции (задержки), в которой снимается ингибирование и наступа­ет переход фазы G₁ в фазу S, т.е. начинается цикл. В конце S-фазы клетка получает сигнал для перехода в фазу G₂. В конце фазы G₂ есть точка, в которой запускается митоз.

· Продукты протоонкогенов и антионкогенов. Протоонкогены - это ге­ны, способствующие пролиферации и тормозящие дифференцировку; анти­онкогены - это гены, способствующие дифференцировке и тормозящие пролиферацию. Соотношение экспрессии этих генов определяет одну из двух главных клеточных программ.

· Факторы роста клеток (ФРК) с рецепторами, ретиноат (ретиноевая кислота) и кальцитриол. Ретиноат снижает процессы пролиферации и увеличивает дифференцировку. Большинство ФРК через свои рецепторы активируют процессы пролиферации и снижают дифференцировку. Кальцитриол увеличивает дифференцировку и снижает пролиферацию гемопоэтических клеток и клеток некоторых опухолей.

Под воздействием различных факторов могут происходить изменения в генетической информации, при этом нарушаются нуклеотидные последовательности в ДНК – возникают мутации. Факторы, вызывающие мутации, называют мутагенами. Некоторые из них могут способствовать канцерогенезу.Они могут быть физическими (излучения, высокая температура), химическими (прооксиданты, алкиляторы) и биологическими (вирусы, бактерии, глисты). Замена одного нуклеотида другим может привести к синтезу белка, в котором одна аминокислота заменена другой. В большинстве случаев нарушение генетической информации приводит к протеинопатиям, при которых нарушен синтез специфических белков (при серповидно-клеточ­ной анемии синтезируется дефектный HbS, в результате чего эритроциты приобретают изменен­ную форму, что приводит к нарушению транспорта кислорода). Если эти белки обладают ферментативной активностью, то такие протеинопатии называют энзимопатиями.

Процесс, позволяющий живым организмам восстанавливать повреждения, возникающие в ДНК, называют репарацией. Все репарационные механизмы основаны на том, что ДНК –двухце­почечная молекула, т.е. в клетке есть две копии генетической информации. Если нуклеотидная последовательность одной из двух цепей оказывается поврежденной, информацию можно восстано­вить, так как вторая (комплементарная) цепь сохранена. Повреждения, затрагивающие обе цепи ДНК, при которых нарушается структура нуклеотидов комплементарной пары, не репарируются. При возникновении ошибки из цепи ДНК вырезается поврежденный участок, на его месте образу­ется брешь, на месте которой ДНК-полимераза достраивает цепь ДНК, а ДНК-лигаза «пришивает» синтезированный фрагмент к цепи ДНК. Репарация необходима для сохранения генетического ма­териала на протяжении всей жизни. Нарушение репарационных систем могут быть причиной мно­гих наследственных болезней, например, пигментной ксеродермы, при которой появляется сверх­чувствительность к ультрафиолету и в 1500 раз возрастает риск рака кожи.

 

ТРАНСКРИПЦИЯ

Транскрипцией называют синтез всех видов РНК (матричной, рибосомальной, транспортной и малых РНК)по матрице ДНК. При этом матрицей является не вся цепь ДНК, а лишь небольшой ее участок, соответствующий гену (рис.7). Суб­стратами для синтеза цепи РНК выступают рибоНТФ. Синтез РНК, как и синтез ДНК, протекает с затратами энергии, необходимая для синтеза энергия освобождается при гидролизе НТФ, содержащих макроэргические связи. Катализирует транскрипцию РНК-полимераза. Особенностью дан­ного фермента является то, что он предварительно «узнает» тот участок ДНК, который соответствует определенному гену. Участки ДНК, с которыми связывается РНК-полимераза для того, чтобы начался процесс транскрипции, называются промоторами. Фермент вместе с растущей цепью РНК постепенно перемещается вдоль участка молекулы ДНК, пока не будет распознан терминирующий участок – последовательность нуклеотидов, сигнализирующая об

окончании информации относительно транскрибируемого гена.

 

 

Рис.6. Комплементарность при транскрипции

 

Считывание информации в процессе синтеза РНК всегда происходит только с одной цепи ДНК, другая цепь остается нетранскрибируемой. Следует отметить, что основанием, комплементарным аденину, в цепи РНК будет урацил, а не тимин, как при репликации ДНК (рис.6).

 

Рис.7.Механизм транскрипции

Продуктом транскрипции являются различные виды проРНК. Дело в том, что ген внутри неоднороден, он состоит из экзонов, несущих генетическую информацию, и интронов, которые не несут информацию, и разделяют экзоны. Во время транскрипции переписываются как экзоны, так и интроны. Синтезированная молекула проРНК подвергается затем посттранскрипционной «доработке» – процессингу (рис.8). При этом происходит удаление нуклеотидных пос­ледовательностей, соответствующих интронам (сплайсинг, катализируемый рибозимами – катализаторами РНКовой природы), а также синтез характерных для большинства РНК концевых последовательностей и метилирование некоторых оснований.

Регуляция транскрипции включает несколько механизмов.

· Метилирование генов приводит к тому, что ген не подвергается прочитыванию, и его экспрессия тормозится.

· Изменение структуры хроматина (гистоновый механизм).Пока ДНК находится в комплексе с белками, информация не реализуется. Для реализации информации, содержащейся в ДНК, необходимо удалить гистоновые белки. Это осуществляется, при участии ферментов протеинкиназ. В настоящее время считается, что наиболее частый случай – не фосфорилирование, а ацетилирование гистоновых белков.

· Основной механизм это взаимодействия белковых транскрипционных факторов с регуляторными участками ДНК, другими транскрипционными факторами и белками. Перед каждым геном находится промотор, состоящий из двух участков. Один из участков промотора определяет место начала транскрипции, второй - её частоту. К регуляторным элементам относятся энхансеры (регуляторные участки ДНК, увеличивающие экспрессию гена), сайленсеры (регуляторные участкиДНК,

 

Рис. 8. Сплайсинг РНК

 

снижающие экспрессию) и регуляторные участки ДНК, реагирующие на гормоны, белки клеточного (теплового) шока, металлы, ксенобиотики, а также участки определения тканевой специфичности. Взаимодействие транскрипционных факторов с энхансерами, изменяет конформацию ДНК (происходит образование петли). При этом все транскрипционные факторы и гормон-рецепторные комплексы оказываются связанными с белковым комплексом, («коактиватор»). Он приходит в активное состояние и активирует базальный транскрипционный комплекс. В состав базального транскрипционного комплекса входит фермент РНК-полимераза, который при активации взаимодействует с промотором и далее идёт процесс транскрипции: образование про-РНК на матрице ДНК.

· Возможно ингибирование малыми РНК, также в регуляции транскрипции участвуют гормоны и СТС.

Ранние и поздние ответы обусловлены временем появления белка (ранние ответы – белок обнаруживается в клетке не позднее, чем через 30 минут). Транскрипционные факторы входят в ядро и воздействуют на регуляторный участок "раннего" гена. В результате "ранний" ген экспрессируется: происходит транскрипция и образуется мРНК; зрелая мРНК выходит из ядра в цитоплазму, на рибосомах синтезируется белок, который является транскрипционным фактором для ряда "поздних" генов. Этот белок заходит в ядро и воздействует на регуляторные участки "поздних" генов. "Поздние" гены экспрессируются: на них образуются про-мРНК, затем в результате сплайсинга образуются мРНК, которые выходят в цитоплазму; с мРНК на рибосомах будут синтезироваться белки. Возникают поздние ответы – белки, участвующие в любых процессах.

БИОСИНТЕЗ БЕЛКА

Включает в себя 5 этапов:

1. Рекогниция (узнавание) и активация аминокислот

2. Инициация

3. Элонгация

4. Терминация

5. Фолдинг и посттрансляционная модификация

2, 3 и 4 этапы называют трансляцией. Во время трансляции происходит перевод последовательно­сти нуклеотидов мРНК в последовательность аминокислот синтезируемой полипептидной цепи (ППЦ). В основе такой передачи информации лежит биологический (генетический) код – способ шифровки последовательности аминокислот в ППЦ в виде последовательности нуклеотидов. Код триплетен (одну аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов – кодон), код вырожден (т.е. одну аминокислоту могут кодировать несколько триплетов), код непрерывный (триплеты следуют друг за другом непрерывно, между ними нет «запятых» – триплетов, разделяющих соседние кодоны); код неперекрывающийся и универсальный (он характерен для всех организмов – от простейших до человека).

Важная роль в процессе трансляции принадлежит тРНК (рис.9.), в молекулах которых имеются центры связывания как с определенным кодоном мРНК (антикодоны), так и с аминокислотой, шифруемой этим кодоном. Для каждой аминокислоты имеется своя тРНК. Все тРНК имеют конформацию клеверного листа, получающуюся сочетанием спирализованных и неспирализованных участков молекулы. 3`-конец тРНК является центром связывания аминокислот.

Активация и узнавание аминокислот сводится к образованию аминоацил-тРНК (аа-тРНК), она сопряжена с гидролизом АТФ до АМФ. Реакцию катализируют аминоацил-тРНК-синтетазы. Для каждой из 20 аминокислот имеется свой фермент. Одна из петель тРНК необходима для связыва­ния тРНК с ферментом активации аминокислот.

Биосинтез белка осуществляется на рибосомах. До трансляции рибосомы находятся в виде большой и малой субъединиц. На этапе инициации происходит образование функционально ак­тивной рибосомы. При этом соединяются большая и малая субъединицы, мРНК, для этого необ­ходима энергия ГТФ и белковые факторы инициации. В образовавшейся рибосоме выделяют А-центр (аминоацильный) и П-центр (пептидильный). На этапе инициации в П-центр приносится метионил-тРНК. Синтез белка начинается с метионина и от N-конца к С-концу. Концевой метионин часто отщепляется еще в процессе элонгации.

На этапе элонгации в А-центр рибосомы при участии ГТФ приносится аа-тРНК, антикодон которой комплементарен кодону мРНК, стоящему в А-центре. Затем аминокислота из П-центра (сначала это метионин) переносится на аминокислоту, стоящую в А-центре, и присоединяется к ней пептидной связью. Реакцию катализирует большая субчастица рибосомы. После транслокации – перемещения рибосомы относительно мРНК на один кодон – тРНК освобождается, а пептид, связанный с тРНК, оказывается в П-центре. Для транслокации требуется энергия ГТФ. Описанная последовательность событий элонгации повторяется: к следующему кодону мРНК присоединяется новая аа-тРНК, антикодон которой будет комплементарен кодону мРНК, стоящему в А-центре и т.д.

 

 

Рис.9. Строение тРНК

 

Завершающий этап трансляции – терминация – наступает тогда, когда в А-центре окажется один из терминирующих кодонов. При этом происходит гидролиз сложноэфирной связи между полипептидом и последней тРНК.

После трансляции происходит фолдинг с участием шаперонов и пострансляционная модификация. Она включает ограниченный протеолиз (например, превращение проферментов в ферменты), различные варианты химической модификации: фосфорилирование, гидроксилирование и др.