Регуляция элонгации синтеза полипептидных цепей

При обсуждении механизмов элонгации цепей РНК в процессе транскрипции была отмечена неравномерность прочитывания матричной ДНК РНК-полимеразами. То же самое наблюдается и во время элонгации растущих полипептидных цепей в процессе трансляции: не все участки мРНК транслируются с одинаковой скоростью. Прежде всего, рибосомы в процессе трансляции мРНК могут задерживаться на кодонах, соответствующих минорным изоакцепторным тРНК, присутствующим в клетке. В этом случае внутриклеточная концентрация изоакцепторных тРНК лимитирует весь процесс трансляции. Кодоны, соответствующие минорным изоакцепторным тРНК, А. С. Спирин предлагает называть модулирующими, поскольку они могут изменять скорость трансляции соответствующих мРНК. Чем больше модулирующих кодонов в мРНК, тем медленнее она транслируется. В то же время клетка может изменять эффективность трансляции определенных мРНК путем адаптации внутриклеточных концентраций изоакцепторных тРНК к числу модулирующих кодонов этих мРНК. Было показано, в частности, что во время интенсивного синтеза фиброина в шелкоотделительных железах тутового шелкопряда внутриклеточный спектр изоакцепторных тРНК сильно меняется и становится идеально соответствующим потребностям белоксинтезирующего аппарата клеток, осуществляющего трансляцию мРНК фиброина. Другим фактором, от которого зависит изменение скорости перемещения рибосомы вдоль транслируемой молекулы мРНК, является характерная пространственная структура матрицы. Для разворачивания индивидуальных участков пространственной структуры мРНК, обладающих неодинаковой стабильностью, требуется разное время, что находит отражение в различной скорости трансляции рибосомами индивидуальных мРНК.

Наконец, обнаружен ряд регуляторных белков, которые после взаимодействия с транслирующей рибосомой избирательно задерживают трансляцию в определенных местах мРНК. Например, у эукариот известна рибонуклеопротеидная частица, содержащая 7S-РНК, которая узнает особую N-концевую гидрофобную аминокислотную последовательность растущего полипептида, присоединяется к рибосомам и блокирует трансляцию до тех пор, пока рибосома не вступит во взаимодействие с мембраной эндоплазматического ретикулума. Регуляция экспрессии генов на уровне элонгации трансляции широко распространена в живой природе. Во время многих вирусных инфекций скорость элонгации полипептидов зараженных клеток резко снижается. Это явление обнаружено, в частности у пикорнавирусов и вирусов осповакцины. Факторы элонгации трансляции могут быть мишенями различных регуляторных воздействий.

Запрограммированный сдвиг рамок считывания и неполная супрессия терминирующих кодонов во время элонгации полипептидных цепей Процесс трансляции мРНК характеризуется высокой точностью, и даже систематические «ошибки» трансляции могут быть генетически запрограммированными. У бактерий транслирующая рибосома может пропускать протяженные последовательности нуклеотидов мРНК, не прекращая синтеза единой полипептидной цепи. Такое явление неизвестно у эукариот. Однако у них в процессе декодирования кодона, находящегося в А-участке рибосомы, может происходить намеренное распознавание кодона «неправильной» аминоацил-тРНК или сдвиг рамки считывания у работающей рибосомы. Следствием этого бывает частичная супрессия терминации трансляции на терминирующих кодонах или синтез одной полипептидной цепи с использованием двух разных рамок считывания транслируемой РНК (Рис. 19е, ж). Хорошо изучены такие явления у ретровирусов и ретротранспозонов, которые используют сдвиг рамки считывания и супрессию терминирующего кодона для экспрессии гена pol, в результате которой синтезируется гибридный белок, N-конец которого является частью полипептидной цепи белка оболочки вируса (продукта гена gag). Тот же механизм используется и некоторыми другими вирусами животных, а также клетками дрожжей.

Сигналом к сдвигу рамки считывания у ретровирусов и ретротранспозонов служат гептануклеотидная последовательность типа X.XXY.YYZ (размечена в виде кодонов в рамке считывания 0), а также ниже расположенный регуляторный элемент, образующий определенную вторичную структуру в виде шпильки или псевдоузла. Предполагается, что сдвиг рамки происходит в тот момент, когда пептидил-тРНК, связанная с кодоном XXY в Р-участке рибосомы, и аминоацил-тРНК, взаимодействующая с кодоном YYZ в А-участке, одновременно сдвигаются на один нуклеотид назад и становятся напротив кодонов XXX и YYY транслируемой РНК. Сдвиг рамки считывания по этому механизму не всегда сопровождается образованием нового уникального белка, но часто приводит к синтезу небольшого числа вариантов полипептидных цепей, незначительно различающихся аминокислотными остатками в окрестностях сдвига рамки. Для осуществления сдвига рамки считывания РНК по такому механизму необходимо, чтобы обе молекулы тРНК в Аи Р-участках образовывали прочную связь с новыми кодонами, которые отличаются от первых только нуклеотидами в положении 3, допускающем неоднозначное соответствие антикодону. Процесс сдвига рамки вызывается или усиливается структурным элементом РНК, перед которым работающая трибосома делает паузу в трансляции. Природа кодонов также важна для функционирования обсуждаемого механизма: из всех возможных XXY-кодонов в настоящее время в сайтах сдвига рамки считывания обнаружены только кодоны AAC, UUU, UUA и AAU. Терминирующие кодоны, часто обнаруживаемые сразу за сайтом сдвига рамки считывания, стимулируют сдвиг, так как вызывают остановку рибосомы. Эффективность сдвига рамки считывания может достигать 1−30%.