Транскрипционно-трансляционная система или экспрессия гена

Эта многокомпонентная система обеспечивает передачу наследственной информации из ядра в цитоплазму.

Начинается этот поток информации с биологически активного вещества (БАВ) – первичного сигнала. Это вещество несёт информацию, закодированную в его химической структуре. БАВ, имеющие различное молекулярное строение, несут и различную информацию. Первичный сигнал может нести информацию в клетку из внешней, окружающей человека среды, из внутренней среды организмы или из самой клетки о состояние её обменных процессов. Однако сам по себе первичный сигнал не способен перестроить множество её биохимических реакций на соответствующий режим работы. Этим занимаются специально сформированные в эволюции транскрипционно-трансляционные системы (ТТС). В сущности, функция первичного сигнала чрезвычайно проста – он изменяет активность соответствующей ТТС. Первым звеном ТТС на которое действует первичный сигнал является ген. Первичный сигнал изменяет его активность, что в свою очередь меняет активность всей последующей цепочки ТТС, которые связывают ген с его конечным продуктом – белком. Последний специфично влияет на метаболизм клетки, формируя определённый клеточный ответ. Таким образом первичным звеном ТТС является ген, а конечным – белок-фермент. Часто говорят, что метаболизм клетки находится под контролем генов. Это действительно так. В ядро функционирующей клетки постоянно поступают первичные сигналы из множества источников. Этот поток влияет на активность самых различных генов и связанных с ними ТТС и белков-ферментов. В такой ситуации метаболизм клетки всегда находится в динамическом равновесии. Нет первичного сигнала – не функционирует ген и соответствующая ТТС. Слаб первичный сигнал – в такой же мере меняется интенсивность метаболизма. Безусловно, изложенная схема функционирования ТТС слишком проста и даёт только общее представление о её деятельности. В действительности всё обстоит намного сложнее. Дальше мы покажем это на ряде примеров. Начнём с рисунка 1, где схематично изложена работа ТТС.

Прежде всего, сделаем одно важное уточнение: первичный сигнал чаше всего воздействует не на сам ген, а на области генома, которые обслуживают данный ген – это области называются регуляторные зоны или гены регуляторы (мы их рассмотрим дальше). Часто эти зоны объединяют понятием – ядерный рецептор. Химическая реакция между БАВ и ядерным рецептором приводит к своеобразной цепной реакции, конечным результатом которой является изменение активности гена – ген может потерять активность или наоборот приобрести её. Об активности гена обычно судят по интенсивности транскрипции – синтезе на гене какой-либо РНК (тРНК, рРНК, иРНК или регуляторных РНК). Транскрибированная на гене РНК носит название транскрипт. Ген активен – значит, на нём формируется какой либо транскрипт, какая либо РНК, не активен – синтез РНК прекращён. В свою очередь только что синтезированные РНК чаще всего бывают не активными, не зрелыми, поэтому их ещё называют про-РНК (предшественники РНК и записывают так – про- иРНК, про-тРНК, про-рРНК и т.д.). На рисунке 2 в качестве транскрипта представлена про- иРНК. Для её активации (или, как чаще говорят, «для её созревания») в ядре имеется целый ряд механизмов, которые изменяют химическую и пространственную структуру про-РНК. Совокупность этих процессов носит название – процессинг. Процессинг происходит в ядре и по его завершению не активная про-РНК превращается в активную РНК. В таком виде она выходит через ядерные поры в цитоплазму и в комплексе с рибосомами и целым рядом других веществ (например, АТФ) осуществляет трансляцию. В результате происходит синтез полипептидной цепочки, которая, как правило, так же не активна. Для её активации и превращения в полноценный, функционирующий белок необходим процесс, который носит название фолдинг. Он происходит в цитоплазме и заключается в формировании у полипептидной цепочки вторичной, третичной и четвертичной структуры. Только после этого белок способен выполнять свои функции и становится полноправным участником клеточного метаболизма.

 

Рис. 1. Схема транскрипционно-трансляционного пути переноса информации в клетке.

 

В заключении ещё раз подчеркнём, что изложенная выше система (поток) передачи информации носит название ТТС или экспрессия гена. В ней различают два компонента: структуры (молекулы и органоиды) – носители информации и механизмы – совокупность процессов обеспечивающих перенос информации с одного носителя на другой. К обслуживающим структурам относятся: ядерный рецептор (регуляторная зона) – ген (структурный ген) – про-иРНК – иРНК – рибосома – полипептид – полноценный белок. К процессам относятся: регуляция активности гена - транскрипция гена – процессинг РНК – трансляция – фолдинг белка – изменение метаболизма клетки. Здесь уместно подчеркнуть, что не все учёные включают в экспрессию генов регуляцию активности гена, фолдинг и изменение метаболизма.

В медицинском аспекте функционирование ТТС в организме человека можно рассматривать с двух позиций. Во-первых, эта система принимает активное участие в поддержании постоянства внутренней среды организма путём регуляции соответствующих метаболических процессов. И, во вторых, повреждения любых звеньев этой системы может быть причиной развития патологии. Поясним это на примере потока информации (или ТТС, что практически одно и тоже), который индуцируется (запускается) тироксином, т.е. в качестве первичного сигнала выступает тироксин. В этом случае принято говорить:- «тироксин-индуцированный поток информации».