Глава девятая

Экспрессия – это транскрипция плюс трансляция

Генетики не исправляют ошибки природы, а добавляют к ним новые.

Экспрессией называют яркое проявление эмоций или, в более широком смысле, применительно к произведению искусства – его повышенную выразительность. Можете ли вы, оттолкнувшись от этого, объяснить, что представляет собой экспрессия гена?

Эмоций у гена нет и быть не может. А вот что касается выразительности… Выразительность тут очень даже к месту, поскольку экспрессией называют процесс выработки РНК или белка на основе кода, записанного в данном конкретном гене.

Если ген «работает», то есть клетка вырабатывает продукт на основании его кода, то генетики говорят, что этот ген выражен или же что происходит экспрессия этого гена.

Экспрессия гена начинается с его транскрипции – синтеза матричной РНК, на которой затем станут «штамповаться» молекулы белка. Транскрипцию осуществляет фермент РНК-полимераза. Процесс продуман до мелочей, чтобы исключить всякую возможность ошибки (но тем не менее они все же происходят и служат материалом для естественного отбора). Считывание информации РНК-полимеразой начинается со строго определенного места на молекуле ДНК, которое называется промотором. Промотор – это обозначенная природой стартовая площадка, находящаяся в начале гена, в том месте, откуда надо начинать считывать код.

Если есть стартовая площадка, откуда следует начинать движение по молекуле ДНК, то должен быть и какой-то ограничитель в конце, иначе молекула полимеразы рискует уползти в неведомые дали и считать дюжину кодов вместо одного. Разумеется, природа предусмотрела и ограничитель – последовательность нуклеотидов ДНК, являющуюся для полимеразы сигналом к прекращению синтеза молекулы РНК. Этот «ограничитель» называется терминатором.

В области терминатора молекула нуклеиновой кислоты образует структуры, по виду напоминающие шпильку. Они так и называются «шпилечные структуры». Доползла до них молекула РНК-полимеразы, укололась и прекратила работу… Природа подстраховалась – мало того, что терминатор имеет свой индивидуальный код, так в нем еще и шпильки образуются. У молекулы РНК-полимеразы нет шансов пройти мимо терминатора, не заметив его.

Фрагмент молекулы ДНК, состоящий из промотора, считываемой части и терминатора, называется опероном. Оперон может включать один или несколько генов, кодирующих один и тот же белок, синтез одной и той же молекулы матричной РНК. Можно дать и другое определение оперона – это совокупность совместно выражающихся генов. Совместно выражающихся! На одном опероне синтезируется одна матричная РНК. Мутация одного гена может нарушить работу всего оперона.

Синтез матричной РНК происходит по принципу комплементарности, так, чтобы цитозин образовывал пару с гуанином, а аденин – с урацилом, заменяющим тимин в РНК. Последовательность нуклеотидов в матричной РНК идентична последовательности в опероне, за исключением того, что вместо тимина там присутствует урацил.

Молекулы РНК-полимеразы группируются в клетках в так называемые транскрипционные фабрики – отдельные участки, на которых происходит транскрипция. Почему нужно собирать полимеразы (и гены) вместе, ученые пока не поняли. Но зачем-то нужно, поскольку просто так в природе ничего не происходит. Гипотеза «вместе веселее», предложенная вскоре после открытия транскрипционных фабрик, после тщательного и всестороннего изучения была отвергнута научным сообществом.

Процесс называется транскрипцией, а получившаяся в его результате молекула РНК – транскриптом.

Разбирая тот или иной процесс, происходящий в клетке, мы предельно его упрощаем для того, чтобы сделать понятным. Отбрасываем все второстепенное, оставляем только самое главное. Так, например, в процессе транскрипции (да и трансляции тоже) участвует множество регулирующих белков. Одни активизируют процесс, другие его подавляют. Участвуют в управлении транскрипцией и «сторонние», не входящие в оперон гены, причем не один, а несколько.

Но мы с вами условно говорим об одном гене-операторе и одном гене-регуляторе, который управляет процессом транскрипции посредством белка-репрессора и белка-индуктора. Ген-оператор объединяет несколько структурных генов в оперон… Ген-регулятор регулирует процесс… РНК-полимераза ползет по молекуле ДНК… Кстати говоря, молекула ДНК тоже движется в процессе транскрипции, но если мы забредем в эти научные дебри, то обратно уже не выберемся. Да и не понятно ничего в этих дебрях, без специального образования. Знаете ли вы, что такое «кластеризация элонгирующих комплексов РНК-полимеразы»? А почему в условиях недостатка экспрессированной в ядре нуклеазы HpaII-разрывы происходят преимущественно в CpG-островках?

«There’s no time to explain!» – как говорят англичане – нет времени объяснять. Да и незачем, если уж говорить начистоту. Все равно никто эти объяснения читать не станет. Генетики и так все знают, а негенетикам очень скоро станет скучно.

Того, что было сказано о транскрипции, нам с вами достаточно.

Перейдем к трансляции – синтезу белка на матричной РНК. Этот процесс происходит в органоидах, которые называются рибосомами. Вспомните, что о них было сказано в лирическом отступлении, посвященном строению клетки.

Матричная РНК, попадая в рибосомы, «настраивает» их на производство определенного белка. После того как нужное количество молекул белка будет синтезировано, матричная РНК разрушается и рибосомы становятся свободными, готовыми принять новую молекулу РНК.

Может возникнуть закономерный вопрос: а зачем молекулам матричной РНК разрушаться? Белки ведь синтезируются регулярно, а не один-единственный раз и на всю жизнь. Да, регулярно, но где хранить весь этот запас матричных РНК и стоит ли «замораживать» в хранимых РНК большое количество биологического «строительного материала» – нуклеотидов? Это все равно что «заморозить» средства, забив склад фирмы товарами, которые будут медленно распродаваться. Природа не может позволить себе такой расточительности, как создание «складов» для матричных РНК и прочих веществ, используемых не постоянно, а от случая к случаю. И «замораживать» строительные материалы она тоже не может. При таком подходе материалов не напасешься. Поэтому любое вещество, даже столь сложно синтезируемое, как матричная РНК, после выполнения своей функции распадается на более простые молекулы, которые сразу же идут в «производство» – транскрипционные фабрики работают без остановки. Короче говоря, мавр сделал свое дело – мавр должен уйти.

Кто обратил внимание на «ошибку» во фразе «матричная РНК, попадая в рибосомы»? РНК одна, а рибосом несколько? Правильнее было бы написать: «матричные РНК, попадая в рибосомы» или «матричная РНК, попадая в рибосому»…

Нет никакой ошибки! Рибосомы малы, а молекулы матричных РНК длинные. Поэтому одна молекула РНК «пронзает» (так это выглядит со стороны) несколько рибосом сразу, образуя так называемую полирибосому, или полисому.

При этом каждая рибосома, перемещаясь вдоль молекулы РНК, синтезирует «свою», отдельную молекулу белка. Код, записанный в молекуле РНК, подразделяется на кодоны – сочетания трех нуклеотидов. Каждый кодон соответствует определенной аминокислоте, входящей в состав белков. Каждой аминокислоте соответствует не один, а несколько кодонов. Поскольку нуклеотиды на схемах обозначают буквами, кодоны выглядят как сочетания трех букв.

АУГГУУГЦУААУЦУУАУГАГААГГУГЦГЦАГГГГГГАААГАУАААААААУАЦУГАУГГЦАГГГАААГАУАААААААУАЦУГАУГГ

ЦАГГГГГГАУГГУУГЦУААУЦУУАУГАГААГГУГЦГЦАГГГГГГАААГАУАААААААУАЦУГАУГГЦАГГГ…

Посмотрите на фрагмент молекулы матричной РНК, изображенный в виде букв. Глаза разбегаются в разные стороны, верно? А это же всего лишь небольшой фрагментик.

Если начать читать кодоны с буквы А, то первой аминокислотой будет метионин, второй – валин, третьей – аланин… И так далее. Если же пропустить букву А и начать читать с буквы У, второй по счету, то первой аминокислотой будет триптофан, второй – лейцин и третьей – тоже лейцин… Замена всего одной аминокислоты на другую в молекуле гемоглобина приводит к развитию тяжелого заболевания. Страшно представить последствия синтеза совершенно другого белка вместо заданного. А если такое будет повторяться на разных матрицах… Ужас-ужасужас!

Чтобы ужаса не случилось, природа предусмотрела старт-кодон АУГ (аденин – урацил – гуанин), соответствующий аминокислоте метионину, и стоп-кодоны УГА (урацил – гуанин – аденин), УАГ (урацил – аденин – гуанин), УАА (урацил – аденин – аденин), никаким аминокислотам не соответствующие.

Таким образом, синтез любого белка начинается с метионина…

Но ведь метионин может быть закодирован в нескольких местах на молекуле матричной РНК. И будет, непременно! Местах этак в ста или, сажем, в трехстах…

Что будет, если рибосома начнет синтез белка не с того старт-кодона?

А ничего не будет, поскольку природа и здесь подстраховалась – обвела стартовый кодон жирным красным маркером. Захочешь – не спутаешь!

На самом деле, как вы понимаете, никакого красного маркера нет, а есть несколько нуклеотидов «окружающих» старт-кодон, то есть располагающихся до и после него. Такое окружение позволяет рибосомам начинать синтез белковой молекулы с правильного места.

Аминокислоты, нужные для синтеза белковой молекулы, рибосомам доставляют транспортные РНК. Без них не обойтись, поскольку аминокислоты не умеют распознавать кодоны для того, чтобы являться по нужному адресу в точное время.

Каждая аминокислота имеет своего персонального «шофера с машиной» – соответствующую ей и только ей транспортную РНК. Некоторым аминокислотам соответствуют несколько транспортных РНК, но никогда одна транспортная РНК не будет переносить разные аминокислоты. Нет у транспортных РНК таких прав, чтобы посторонних возить!

Кроме «шофера с машиной», у каждой аминокислоты есть свой персональный «камердинер», который помогает ей в эту машину садиться. Иными словами, каждой из двадцати аминокислот, входящих в состав белков, соответствует «свой» фермент под названием «аминоацил-РНК-синтетаза», который распознает аминокислоту и транспортную РНК для того, чтобы соединить их. Если у аминокислоты несколько «машин», то и «камердинеров» будет столько же, потому что аминоацил-РНК-синтетаза «настроена» как на конкретную аминокислоту, так и на конкретную транспортную РНК. Очень узкая специализация, у́же и представить невозможно.

Молекулы транспортных РНК организованы в структуру, напоминающую трилистник или крест. К открытому «заднему» концу присоединяется молекула аминокислоты, а на передней петле находится антикодон – сочетание трех нуклеотидов, соответствующее определенному кодону. Благодаря антикодонам, транспортные РНК доставляют аминокислоты к нужным кодонам, где рибосомы сшивают их в одну молекулу. Рибосоме не нужно думать, где взять материал и заниматься маркировкой – ее дело ползти да сшивать. Доползла до стоп-кодона – отцепись от молекулы матричной РНК.

У безъядерных прокариот и ядерных эукариот транскрипция и трансляция происходят по-разному. Но мы рассмотрели самую суть этих процессов, которая является одинаковой и для прокариот, и для эукариот.

Поскольку эукариоты в эволюционном отношении стоят выше прокариот, проще говоря – имеют более сложную организацию, все процессы, протекающие в эукариотических клетках (в том числе и транскрипция с трансляцией), являются более сложными, более производительными и протекают с бо́льшим количеством вспомогательных веществ. Как говорится – чем навороченнее девайс, тем больше в нем гаджетов.