Все о медицине, красоте и здоровье

Существуют три основных способа, как регулировать трансляцию. Первый способ – позитивная регуляция на основе сродства мРНК к инициирующей рибосоме и факторам инициации (дискриминация мРНК). Второй способ – негативная регуляция с помощью белков-репрессоров, которые, связываясь с мРНК, блокируют инициацию (трансляционная репрессия). Этими двумя способами регулируются индивидуальные мРНК, то есть трансляция каждой мРНК может специфически контролироваться независимо от других мРНК клетки. Третий способ – тотальная регуляция трансляции всей совокупности мРНК клетки посредством модификации факторов инициации.

Скорость или частота инициации трансляции рибосомами может сильно различаться для разных мРНК. У прокариотических организмов это определяется тем, что инициирующие или рибосомосвязывающие участки разных мРНК имеют разное сродство к рибосомам и, таким образом, с разной эффективностью связывают рибосомные частицы. На основании разницы в эффективности инициации можно говорить о «сильных» и «слабых» мРНК. На сильных мРНК инициация происходит часто, на них нанизывается много рибосом (образуются плотные полирибосомы) и соответственно продуцируется много молекул белка (Рис.1). Редкая инициация трансляции на слабых мРНК дает в результате редкую посадку рибосом на эти мРНК и, следовательно, низкую белковую продукцию.

Похожая ситуация наблюдается и в эукариотических клетках, но там дискриминация мРНК обусловлена скорее разным сродством факторов инициации, а не самих рибосом к разным 5'-проксимальным инициаторным структурам мРНК. Так как факторы инициации в любом случае локализуются на инициирующих малых рибосомных субъеденицах, то они и определяют разную эффективность посадки рибосом на разные мРНК и, таким образом, дискриминируют их на сильные и слабые.

Различная сила мРНК в значительной мере определяет соотношение продукции различных белков в клетке. Так, структурные белки мембран, рибосомные белки, факторы элонгации, белки оболочки вирусов и другие белки, требуемые в большом количестве, кодируются сильными мРНК, а многие специализированные ферменты и регуляторные белки – слабыми мРНК. Как правило, если белок имеет четвертичную структуру, построенную из разных субъединиц в различном соотношении, то сила мРНК или ее отдельных участков (цистронов), кодирующих эти субъединицы, координирована с пропорцией субъединиц в структуре. Например, мембранный комплекс протонной АТФазы бактерий построен из трех типов субъединиц: a, b и c – в соотношении 1 : 2 : 10 (a1b2c10), и соответственно субъединица c кодируется очень сильным цистроном мРНК, субъединица a – слабым, а субъединица b – цистроном промежуточной силы. Таким образом, дискриминацию мРНК можно рассматривать как механизм конститутивного контроля надлежащего фиксированного соотношения продуктов белкового синтеза.

Следует отметить, что у прокариот одна длинная полинуклеотидная цепь мРНК может содержать несколько кодирующих последовательностей (цистронов) для различных белков и такие мРНК называются полицистронными. Пользуясь механизмом внутренней инициации, во многих случаях рибосомы могут инициировать трансляцию последовательных цистронов независимо друг от друга (рис. 2, а), и интенсивность инициации и, следовательно, продуктивность цистронов будут определяться их собственной силой. В других случаях, однако, инициация трансляции внутренних цистронов зависит от трансляции предшествующего (5'-проксимального) цистрона: часто инициация трансляции внутреннего цистрона оказывается невозможной без трансляции предшествующего (рис. 2, б и в). Это и есть трансляционное сопряжение.

Различают два типа трансляционного сопряжения. Первый тип – когда рибосомы, транслирующие предшествующий цистрон, расплетают вторичную и/или третичную структуру мРНК, в которой участвует инициаторный участок последующего цистрона. В результате этот инициирующий участок освобождается и становится доступным для инициации свободными рибосомами (рис. 2, б). Другой тип трансляционного сопряжения – реинициация: сам по себе внутренний цистрон вообще недоступен для свободных инициирующих рибосомных частиц и его инициация может быть осуществлена только частицами, терминировавшими на предыдущем цистроне и еще не успевшими соскочить с мРНК (рис. 2, в).

Типичный механизм трансляционной репрессии состоит в том, что специальный белок, называемый репрессором, специфически связывается с участком мРНК, перекрывающимся, как правило, с участком связывания рибосомной частицы при инициации трансляции. Таким образом, связываемый белок-репрессор мешает связываться инициирующей рибосомной частице и тем самым либо уменьшает скорость инициации, либо полностью блокирует ее. Часто в месте связывания белка-репрессора имеется не очень стабильная двуспиральная структура – шпилька, которая легко расплетается инициирующей рибосомой. Белок-репрессор стабилизирует шпильку, превращая ее в плохо преодолимый барьер для инициирующей рибосомы (рис. 3).

Во многих случаях репрессором является сам белок, кодируемый данной мРНК. Другими словами, мРНК репрессируется своим же продуктом. В результате получается регуляция по типу обратной связи: производство избыточного количества белка на данной мРНК приводит к связыванию этого белка с инициаторным участком своей мРНК и таким образом к репрессии собственного синтеза. Пример регуляции трансляции по типу обратной связи – репрессия синтеза фермента треонил-тРНК-синтетазы бактерии избыточным количеством этого фермента, связывающегося с инициаторным участком своей мРНК.

В других случаях репрессором является специальный белок, и его способность связываться с определенными мРНК зависит от присутствия того или иного низкомолекулярного компонента – эффектора

Наиболее обычный путь тотальной регуляции белкового синтеза у эукариот, во всяком случае у животных и грибов – это активация специальной фосфокиназы, которая фосфорилирует фактор инициации eIF2, что приводит к подавлению инициации трансляции всех мРНК клетки. Сигналами для активации фосфокиназы в клетке являются тепловой шок и другие виды стрессовых воздействий, недостаток ростовых факторов, аминокислотное голодание, недостаток железа, вирусные инфекции. Сильное подавление синтеза белка в этих условиях есть следствие именно активации фосфокиназы и катализируемого ею фосфорилирования eIF2. Степень подавления белкового синтеза может варьировать в зависимости от уровня стресса.

Что же происходит в результате фосфорилирования eIF2? Для связывания инициаторной аминоацил-тРНК (Met-tRNAi) с малой рибосомной субъединицей в процессе инициации трансляции требуется eIF2 в комплексе с ГТФ (GTP); в ходе инициации ГТФ гидролизуется на ГДФ (GDP) и ортофосфат и eIF2 в комплексе с ГДФ (eIF2 : GDP) освобождается из рибосомы. На рис. 4 показано, что в норме дополнительный фактор eIF2В принимает участие в том, чтобы превратить отработанный (неактивный) eIF2 : GDP в необходимый для следующей инициации eIF2 : GTP. Этот фактор играет каталитическую роль в обмене ГДФ на ГТФ, и его в клетке мало. Когда eIF2 фосфорилируется фосфокиназой (eIF2Р), он может обычным образом участвовать в инициации трансляции, но, освободившись из рибосомы с ГДФ (в форме eIF2Р : GDP), он образует прочный комплекс с eIF2В (eIF2В : eIF2Р : GDP) и тем самым связывает весь eIF2В клетки, лишая последнюю возможности катализировать регенерацию eIF2 : GTP из eIF2 : GDP.