Регуляция синтеза азотсодержащих биополимеров

Каждая из трех стадий этого сложного процесса имеет элементы, осуществляющие строгую регуляцию.

Первичным механизмом воздействия на скорость синтеза ДНК служит то, что репликация происходит в жестко определенное время в клетках, готовящихся к делению. В регуляции вступления в S-фазу участвуют циклические пуриновые нуклеотиды (ц-АМФ, ц-ГМФ), а также появление в этот момент большого количества ДНК-полимеразы α, усиление активности тиоредоксинредуктазной системы, участвующей в образовании субстратов генеза ДНК – дезоксирибонуклеозидтрифосфатов. При выходе из S-фазы деятельность этих энзимов резко снижается.

На стадии транскрипции для регуляции используются механизмы: а) изменения скорости экспрессии генов или инициация их репрессии; б) альтернативного сплайсинга. В первом случае исполнителями служат энхансеры (возбудители) и сайленсеры (замедлители). Экспрессия генов подразумевает его транскрипцию в иРНК с последующей трансляцией. Где и когда будет производиться этот процесс – определяют специфические некодирующие участки ДНК или особые белки, которые связываются с энхансерами, что стимулирует экспрессию. У каждого гена имеется по крайней мере один подобный возбудитель, который представляет фрагмент цепи ДНК, состоящий из нескольких сотен мононуклеотидов, может располагаться на различном расстоянии от регулируемого гена.

Гетерогенная ядерная ДНК – предшественница иРНК может включать до нескольких десятков интронов и экзонов. При взаимодействии этого соединения с малыми ядерными РНК, интроны вычленяются, а вторые сшиваются, причем последние могут соединяться в разных последовательностях, что приводит к образованию разных иРНК, кодирующих разные белки. Это наблюдаемое для многих генов явление получило название альтернативного сплайсинга, а количество зрелых иРНК, отличных друг от друга, может приближаться к величине 2ⁿ, где n – число экзонов. Случаи подобного синтеза наблюдаются в мышечной, нервной тканях, при образовании белков клеточной адгезии.

Нарушение же точности сплайсинга иРНК, вызванное мутацией, может препятствовать трансляции и созреванию белковых молекул.

Кроме того, существуют три основных способа регулирования этой стадии. Первый – за счет сродства иРНК к инициирующей рибосоме и факторам инициации. Второй – негативная регуляция с помощью белков – репрессоров, которые, связываясь с иРНК, блокируют инициацию (трансляционная репрессия). Третий механизм – тотальная регуляция синтеза всей совокупности иРНК клетки посредством модификации факторов инициации.

В первом случае, если сродство иРНК слабее, то способность инициации низкая, продукция белка невелика. Структурные же протеины мембран, требуемые в большом количестве, кодируются сильными иРНК, а специализированные ферменты и регуляторные белки – слабыми иРНК.

Механизм трансляционной репрессии заключается в том, что белок-репрессор специфически связывается с тем локусом иРНК, который взаимодействует обычно с рибосомой, тем самым мешает этому процессу и тормозит или блокирует полностью инициацию. Иногда в качестве репрессора выступает свой же продукт иРНК.

Наиболее обычный путь тотальной регуляции белкового синтеза у эукариот – это активация специальной фосфокиназы, которая фосфорилирует фактор инициации iF2. Последний в норме способствует связыванию аминоацил-тРНК с малой субъединицей рибосомы. Модификация фактора мешает возможности начала трансляции. Сигналами для активации фосфокиназы в клетке являются недостаток ростовых факторов, аминокислотное голодание, дефицит железа, вирусные инфекции, тепловой шок и другие виды стрессовых воздействий.

За последние годы исследователям открылась масса новых фактов, свидетельствующих о решающем вкладе не генной активности, а трансляционной регуляции, в частности под влиянием различных гормонов, при старении, при смене фаз клеточного цикла, в процессах развития и клеточной дифференцировки.