Структура гена и процессинг продуктов транскрипции (мРНК)

Известно, что между транскрипцией РНК на матрице ДНК и появ­лением транслируемой мРНК в цитоплазме существует несколько стадий. До недавнего времени полагали, что транскрипция приво­дит к образованию высокомолекулярной РНК, процессинг которой сводится к простому нарезанию специфических молекул мРНК, которые затем и проходят в цитоплазму, где транслируются с об­разованием соответствующих белков. Однако в настоящее время выяснилось, что стадии процессинга, участвующие в образовании мРНК, более сложны и включают такие модификации, как полиаденилирование 3 -конца и присоединение метилированного гуанозина и к 5 -концу молекулы мРНК. Последовательности-ДНК, определяющие первичную структуру мРНК, также оказа­лись не смежными, как полагали раньше, а, как правило, разъеди­ненными «вставками» (или интронами), которые отсутствуют в комплементарной структуре соответствующих мРНК. Таким обра­зом, мРНК не прямо копируется с генной последовательности, а-транскрибируется вначале в виде гораздо более крупного продук­та, из которого в ходе процессинга вырезаются промежуточные последовательности с образованием зрелой мРНК, непосредствен­но транслирующейся на рибосомном уровне [104].

Присутствие промежуточных последовательностей ДНК в эука­риотических генах впервые было обнаружено в генах b-глобулина, легких цепей иммуноглобулинов и альбумина. Позднее такие вставки были найдены также в генах овальбумина, кональбумина и овомукоида, равно как и в других генах специфических белков [1, 104]. Современная точка зрения на организацию овальбуминового гена, отраженная на рис. 4—28, заключается в том, что струк­турный ген разъединяется по меньшей мере 7 промежуточными последовательностями. Стимуляция эстрогеном вызывает коорди­нированное повышение транскрипции структурных и промежуточ­ных последовательностей овальбуминового гена с накоплением как высокомолекулярной РНК, содержащей ов альбуминовую последо­вательность, так и цитоплазматической овальбуминовой мРНК [105]. Молекулы крупного предшественника мРНК, содержащего промежуточные последовательности, подвергаются воздействию ферментов с вырезанием вставок и последующим сшиванием, что приводит к образованию зрелой мРНК (см. рис. 4—28). Функция промежуточных последовательностей (или интронов) в эукариотических структурных генах не выяснена. Одно из предположений заключается в том, что они ограничивают участки гена, кодирую­щие домены белка, ответственные за отдельные части его общей функции, и что структурные участки ДНК (или экзоны) сближа­лись в процессе эволюции при участии интронов [106]. Применимы ли эти объяснения к овальбумину, не ясно, поскольку специфиче­ские функции этого белка яйцеводов не известны. Однако данные о том, что ген кональбумина (овотрансферрина) содержит 17 экзонов, позволяют проверить эту концепцию путем анализа функцио­нальных доменов, принимающих участие в секреции (сигнальная последовательность) белка и связывании железа [107].

Рис. 4—28. Структурная организация и транс­крипция гена овальбумина. Эстроген стимули­рует экспрессию всего гена, а промежуточные последовательности за­тем вырезаются со сши­ванием отрезков и обра­зованием зрелой мРНК овальбумина цыплят (Chan и соавт. [1] в мо­дификации). ов — овальбумин; светлый участок — структурный ген темный участок — вставоч­ные последовательности ДНК: линия — боковые последовательности ДНК.

Анализ генома клеток яйцеводов вблизи овальбуминового гена позволил недавно обнаружить два соседних гена с последователь­ностями, гомологичными овальбуминовому гену [108]. Эти два до­полнительных гена имели и интроны, сходные с таковыми в гене овальбумина, и экспрессировались при стимуляции эстрогенами, хотя и в меньшей степени, чем овальбуминовый ген. Такой клас­тер родственных генов мог бы возникнуть в процессе эволюции-путем параллельной сборки из смеси родственных и неродствен­ных участков или путем удвоения исходного гена, в котором соче­тание нитронов и экзонов было зафиксировано с самого начала [109]. Отражает ли разная экспрессия трех генов при действии эстрогенов различия в эффективности транскрипции или различия в последующем процессинге и стабилизации мРНК, пока не уста­новлено. Организация овальбуминовой области генома аналогична таковой генов глобина, и кластеризация структурно и функцио­нально близких генов может быть общей чертой генома эукариотических клеток [108].

ТИРЕОИДНЫЕ ГОРМОНЫ

Тиреоидные гормоны оказывают многочисленные и разнообразные эффекты на дифференцировку, развитие и метаболический гомео­стаз, контролируя синтез и активность регуляторных белков, в том числе ключевых ферментов метаболизма, гормонов и рецепторов. Известное действие тиреоидных гормонов на потребление кислорода определяется отчасти стимуляцией натриевого насоса за счет ин­дукции мембранного фермента: натрий-, калийзависимой АТФазы [110а]. Этот и другие метаболические эффекты тиреоидных гормо­нов зависят от гормональной индукции синтеза РНК, осуществляе­мой путем регуляции экспрессии генов на ядерном уровне. Хотя постулировались прямые влияния тиреоидных гормонов и на кле­точную мембрану и на митохондрии, но многие из эффектов этих гормонов на процессы метаболизма опосредуются, по-видимому, активацией ядерных реакций связывания с увеличением образова­ния специфических РНК.

Основным йодтиронином, секретируемым щитовидной железой, является тироксин (Т4), которому сопутствует небольшое количе­ство активного трийодтиронина (Т3). В тканях-мишенях Т4 дейодируется в Т3, который представляет собой главную внутри­клеточную форму гормона. Это превращение происходит на плаз­матической мембране и в эндоплазматическом ретикулуме, и в раз­ных тканях варьирует по степени, будучи интенсивным в передней доле гипофиза и менее выраженным в печени и почках. Большая зависимость гипофиза от превращения циркулирующего в крови Т4 в Т3 могла бы определяться потребностью в быстром увеличе­нии гипофизарной продукции ТТГ при небольших изменениях в секреции Т4 щитовидной железой.

Большая часть циркулирующих в крови тиреоидных гормонов связана с белками плазмы: тироксинсвязывающим глобулином (ТСГ), тироксинсвязывающим преальбумином (ТСПА) и альбу­мином. Все они связывают Т4 более прочно, чем Т3, причем ТСГ переносит около 70% связанного Т4 плазмы; из остального коли­чества около 10% связано с ТСПА, а 20% с альбумином [111]. Как и в отношении стероидных гормонов, именно свободные тиреоидные гормоны ответственны за контроль активности клеток-мише­ней, и функция связывающих белков, помимо того, что они явля­ются резервуаром циркулирующего гормона, неясна. Интересной особенностью ТСПА является то, что он в некоторых отношениях напоминает клеточный рецептор тиреоидного гормона, в том числе присутствием предположительного ДНК-связывающего участка, богатого заряженными аминокислотами и триптофановыми остат­ками.

Рис. 4—29. Эффекты и вза­имопревращение Т4 и Т3 В клетках, реагирующих на поступление тиреоидных гормонов. Процесс актива­ции ядра зависит от связы­вания Т3 с ядерными ре­цепторами, а не от отдель­но существующих цито­плазматических рецепторов, как это имеет место в клет­ках-мишенях стероидных гормонов (Eberhardt и соавт. [111] в модификации).