Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Партасарати Рагувир

Вспомним, как происходит транскрипция. Фермент РНК-полимераза движется по ДНК, как поезд по рельсам, и копирует нуклеотидную последовательность гена с ее начала до стоп-сигнала, формируя нить РНК. Но РНК-полимераза не привязана к ДНК. Значительную времени она плавает в жидкой среде поблизости и прицепляется к ДНК, только если случайно натыкается на специфическое сочетание нуклеотидов. Как мы узнали из третьей главы, такие сочетания – промоторы – примыкают к генам или группам генов. ДНК обладает полярностью, и РНК-полимераза, считывающая одну из нитей двойной спирали ДНК, движется в заданном направлении. Ген (его кодирующая часть) расположен ниже своего промотора по ходу транскрипции, и полимераза, «севшая» на промоторную последовательность, в итоге транскрибирует примыкающие к ней гены. Управление посадкой РНК-полимеразы обеспечивает регуляцию транскрипции генов – один из самых действенных способов контролировать их активность.

Раньше

всего мы изучили механизмы регуляции транскрипции у бактерий. Представьте, что вы бактерия. Вам нравится питаться сахарами, но для этого нужны расщепляющие сахар белки. Вы предпочли бы вырабатывать больше таких белков, только когда встречаете сахар, и не расходовать энергию впустую, когда сахара рядом нет. Как этого добиться? В качестве примера рассмотрим реальный сахар, лактозу, и регуляторный механизм бактерии Escherichia coli, довольно типичный для живой природы [26] .

26

Автор рассматривает в сокращенном виде прокариотический лактозный оперон из трех структурных генов: lacZ, lacY, lacA. У эукариот регуляция метаболических путей схожа по сути, однако реже базируется на оперонной организации – когда несколько генов, кодирующих функционально связанные белки, стоят друг за другом под общим промотором и считываются вместе, единой РНК, подчиняясь общим регуляторным сигналам.

Ген lacZ (см. рисунок) кодирует часть механизма усвоения лактозы. Выше по ходу транскрипции от него (грубо говоря, перед ним), как всегда, находится его промотор. РНК-полимераза, которую я изобразил в виде серой фигуры, вот-вот продвинется вперед и считает ген lacZ.

(Рисунок выполнен без соблюдения масштаба; в реальности ген lacZ состоит примерно из 3 тысяч п. н., а РНК-полимераза покрывает лишь 30–40.) E. coli производит белок, называемый lac– репрессором, который связывается с оператором – другим участком ДНК выше по ходу транскрипции от lacZ. Когда lac– репрессор (темная фигура) связан с ДНК, РНК-полимераза не может нормально прикрепиться к ДНК¹ и ген lacZ не экспрессируется.

Как мы знаем, ДНК и белки – это физические тела со специфической структурой, которая определяет характер их работы. Lac– репрессор связывается с ДНК поразительно хитроумным способом. Расстояние между последовательностями нуклеотидов, которые он распознает, превышает его собственную ширину. Следовательно, репрессор должен сворачивать ДНК в тугое кольцо диаметром около 10 нанометров².

Мы помним, однако, что ДНК – молекула жесткая. Если дать ей свободу, она останется относительно прямой на 100-нанометровых отрезках. Подобно цирковому силачу, гнущему железный прут, lac– репрессор изгибает ДНК. Свернутая в петлю ДНК мешает РНК-полимеразе считывать гены белков, которые участвуют в расщеплении лактозы³.

У lac– репрессора есть еще одно удивительное свойство: он может связываться с молекулярным двойником лактозы, аллолактозой (черный кружок на следующем рисунке), из-за чего слегка меняет форму и теряет способность удерживаться на операторе. Набредая на лактозу в среде, бактерия поглощает какое-то ее количество и преобразует в аллолактозу, lac– репрессор перестает работать, и синтезируются расщепляющие лактозу белки – теперь бактерия может насытиться находкой.

Регуляторы, подобные lac–

репрессору, характерны для всех организмов, не только для бактерий. Мешать РНК-полимеразе должным образом взаимодействовать с ДНК или хотя бы конкурентной борьбой снижать вероятность такого взаимодействия – одна из излюбленных природой тактик регуляции активности генов. Подавление экспрессии может быть сопряжено с внешними стимулами, как в случае с lac– репрессором, либо с внутренними, как мы увидим далее.

В регуляторном арсенале клетки припасены и противоположно действующие инструменты – активирующие экспрессию. Особенно часто они работают в районе промоторов, с которыми РНК-полимераза связывается слабо. Белки-активаторы, имеющие сродство с полимеразой, распознают и занимают прилегающие к промотору участки ДНК, повышая шансы РНК-полимеразы удержаться и начать транскрипцию.

Активаторам нашлось место и в истории с лактозой. Бактерии вроде E. coli действительно любят лактозу, но еще больше они любят другой сахар, глюкозу. Будь у бактерий глюкоза, они ни за что не стали бы тратить силы на расщепление даже доступной лактозы. Этот феномен в 1940-х открыл Жак Моно⁴, который во время Второй мировой войны совмещал исследования в области фундаментальной биологии с участием во французском Сопротивлении. Бактерия должна экспрессировать гены расщепления лактозы, только если в среде есть лактоза и нет глюкозы. Задачу регулятора здесь выполняет белок, активирующий катаболизм (CAP; г-образная фигура на рисунке). Связь РНК-полимеразы с lac– промотором слаба, поэтому даже без lac– репрессора транскрипция генов катаболизма лактозы маловероятна. Бактерия производит белок-активатор, который садится на ДНК, только если связан с молекулой под названием циклический аденозинмонофосфат, или цАМФ. Эту молекулу бактерии производят лишь при низком уровне глюкозы, и ее даже называют «сигналом голода». Следовательно, в присутствии глюкозы цАМФ мало, активатор не связывается с ДНК, и гены расщепления лактозы не экспрессируются, даже если она доступна. Когда глюкозы нет, цАМФ много, активатор связывается с ДНК и гены экспрессируются – при условии, что полимераза не блокируется lac– репрессором. Это очень хитроумная система, особенно для безмозглого существа размером в тысячную долю миллиметра.

Репрессоры и активаторы в совокупности называют факторами транскрипции, поскольку они управляют транскрипцией генетической информации. Факторы транскрипции представляют собой белки, а значит, сами кодируются генами. В нашем геноме таких генов очень много – точное число неизвестно, но считается, что их не меньше 1600⁵. И это при том, что у нас всего около 20 тысяч белок-кодирующих генов. Иными словами, существенная часть наших генетических инструкций приходится на тормозящие и инициирующие механизмы считывания самих инструкций.

Факторы транскрипции и решения, которые они обеспечивают, характерны для всей живой природы и незаменимы при кодировании сложного поведения простыми генами. Регуляторным областям – посадочным площадкам для факторов транскрипции в геноме – даже не обязательно примыкать к подконтрольным генам. Поскольку геном изгибается и перекручивается, транскрипционный фактор, связанный с участком ДНК, может влиять на экспрессию гена, который пространственно приближен, хотя на распрямленной ДНК находился бы далеко (см. рисунок)⁶.

Такие взаимоотношения генетического и физического расстояний открывают дополнительные возможности для регуляции генов и активно исследуются в современной биофизике.

Все механизмы, которые мы рассматривали, относились к регуляции транскрипции, то есть первого шага в экспрессии гена, когда закодированная в ДНК информация переписывается языком РНК. Клетки также могут регулировать трансляцию, или синтез белка по матрице РНК. Способов такой регуляции множество, включая управление скоростью деградации матричной РНК, изоляцию мРНК в особых зонах клетки и даже синтез молекул РНК, комплементарных мРНК, чтобы образовавшийся дуплекс не смог транслироваться в белок. Мы могли бы посвятить еще множество страниц изучению разнообразия инструментов генетической регуляции, но лучше сделаем шаг назад и оценим универсальность этих механизмов и некоторых структур, созданных природой для объединения отдельных инструментов в машины.