Рибосомальный синтез белка оказался чрезвычайно устойчивым к непосредственному действию радиации. Однако его интенсивность очень чувствительна к регуляторным влияниям организма.
В соответствии с предложенным А. С. Спириным механизмом работы рибосомы стали в определенной мере понятны и молекулярные механизмы известных давно ошибок рибосомального синтеза белка, зависящие от самой рибосомы.
Известно, что противобактериальное действие ряда аминоглюкозидных антибиотиков (стрептомицин, канамицин, неомицин и др.) связывается со способностью их вызывать ошибки кодирования рибосомального синтеза белка, и это было показано экспериментально на бесклеточных системах.
В работах А. С. Спирина и его коллег было изучено влияние указанных антибиотиков на цикл работы рибосомы и показано, что все они ускоряли стабилизацию ассоциированных субчастиц рибосомы. Кроме того, установлено, что бивалентные ионы магния, кальция, марганца и ряд некоторых агентов также увеличивали (ускоряли) стабилизацию (т. е. смыкание) субчастиц рибосомы. Так, изменение концентрации магния на 1 мМ существенно (примерно на 10%) изменяло вероятность нахождения рибосомальных субчастиц в связанном состоянии (т. е. в сомкнутом). Наоборот, одновалентные катионы натрия, калия и других уменьшали вероятность нахождения субчастиц рибосомы в сомкнутом состоянии. Увеличение концентрации их в бесклеточной среде примерно на 10 мМ уменьшало долю связанных субчастиц на 10—20%.
Все факторы, которые ускоряли стабилизацию субчастиц рибосомы, способствовали увеличению ошибок кодирования рибосомального синтеза белка. Это было особенно четко показано в экспериментах с бактериальными рибосомами в бесклеточной среде на примере использования полиуридиновой матрицы, кодирующей аминокислоту фенилаланина.
Вместо фенилаланина рибосома в небольшом проценте случаев включала в полипептидную цепь лейцин и изолейцин и значительно реже серин, тирозин и валин. Однако при добавлении в среду, например, стрептомицина и ионов магния ложное кодирование, определявшееся по отношению включенного в полипептидную цепь лейцина к фенилаланину, увеличивалось с 5 до 32%, т. е. в 6 раз. Особенно сильно влияние ионов магния и натрия. Так, по кривым зависимости числа ошибок включения лейцина видно, что изменение концентрации Mg с 1,0 до 2,0 мМ увеличило ошибки более чем в 3 раза (до 17%).
В терминах модели А. С. Спирина повышенная вероятность сомкнутого состояния рибосомы должна приводить к повышению ложного кодирования. Все факторы, ускоряющие стабилизацию сомкнутого состояния рибосомы, должны увеличивать ошибочное включение аминокислот в пептидную цепь. Среди них изучено влияние ионов магния, кальция, марганца и некоторых других. Противоположным действием обладают ионы натрия, калия и другие одновалентные катионы.
Таблица 3. Аминокислотный код (указаны нуклеотиды кодонов и соответствующие им аминокислоты)
Второй нуклеотид кодона У Ц А Г Первый нуклеотид кодона У (УУУ, УУЦ) Фенилалацин; (УУА, УУГ) Лейцин (УЦУ, УЦЦ, УЦА, УЦГ) Серин (УАУ, УАЦ) Тирозин; (УАА) —; (УАГ) — (УГУ, УГЦ) Цистеин; (УГА) —; (УГГ) Триптофан УЦАГ Третий нуклеотид кодона Ц (ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ) Лейцин (ЦЦУ, ЦЦЦ, ЦЦА, ЦЦГ) Пролин (ЦАУ, ЦАЦ) Гистидин; (ЦАА, ЦАГ) Глютаминовая кислота (ЦГУ, ЦГЦ, ЦГА, ЦГГ) Аргинин УЦАГ А (АУУ, АУЦ, АУА) Изолейцин; (АУГ) Метионин (АЦУ, АЦЦ, АЦА, АЦГ) Треонин (ААУ, ААЦ) Аспарагиновая кислота; (ААА, ААГ) Лизин (АГУ, АГЦ) Серин; (АГА, АГГ) Аргинин УЦАГ Г (ГУУ, ГУЦ, ГУА, ГУГ) Валин (ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ) Аланин (ГАУ, ГАЦ) Аспарагин; (ГАА, ГАГ) Глютамин (ГГУ, ГГЦ, ГГА, ГГГ) Глицин УЦАГ
Таблица 4. Принципиально возможные ошибки чтения кодонов, обнаруженные в экспериментах in vitro в бесклеточной среде на синтетических матрицах
Категория ошибки Исходный кодон Ошибочное чтение Ошибка в чтении одного из нуклеотидов кодона УУУ (фенилаланин) УУГ (лейцин) УЦУ (серин)ГУУ (валин) Сдвиг рамки чтения ЦАУ (гистидин) АУЦ (изолейцин) УЦА (серин) Ошибка в чтении двух нуклеотидов (очень редко встречавшаяся) УУУ (фенилаланин) УГЦ (цистеин) ААУ (аспарагиновая кислота)АУГ (метионин)
Следовательно, изменение ионной среды рибосомы значительно влияет на частоту аминокислотных замен при синтезе белка. Важно также, что сочетание разных ионов может взаимно усиливать или ослаблять это влияние. Кроме ионов, спонтанный уровень ошибок включения аминокислот в пептидную цепь могут изменять сдвиги pH, температура, этанол и другие изменения в среде, окружающей рибосому.
Выяснено, что при таких ошибках в пептидную цепь включаются не случайные аминокислоты, а ближайшие по кодовой специфичности. Так, в экспериментах вместо фенилаланина чаще всего включается на полиуридиновой матрице УУУ лейцин, кодируемый кодонами ЦУУ, УУА, УУГ и др. (табл. 4). Это ошибка в прочтении одного из нуклеотидов. Реже всключались изолейцин (АУУ), серин (УЦУ), тирозин (УАУ) и валин (ГУУ), хотя в этих случаях была также ошибка лишь по одному нуклеотиду. Более частое замещение на лейцин связано с тем, что из всех теоретически возможных однонуклеотидных замен в кодоне УУУ три варианта приходятся на лейцин и по одному варианту на изолейцин, тирозин, валин и цистеин. Остальные аминокислоты могут включаться вместо фенилаланина только в случае замен двух нуклеотидов в кодоне и при нарушении в последовательности их узнавания, что встречается очень редко.
Описаны случаи нарушений по типу сдвига рамки чтения, когда нуклеотиды в кодоне читаются те же, но в иной последовательности. Например, на матрице ЦАУ ЦАУ ЦАУ (гистидин) считывание может начаться со второго или третьего нуклеотида. Тогда вместо гистидина включается изолейцин (АУЦ) или серин (УЦА).
Рис. 6. Схема, поясняющая возможные механизмы увеличения ошибок рибосомального синтеза белка при ускоренном ритме клеточного деления и отсутствии нарушений во всех звеньях аппарата синтеза белка
Главным условием правильного узнавания кодона является достаточное время экспонирования кодона, т. е. длительность периода разомкнутого состояния субчастиц рибосомы. Чем короче время экспонирования кодона, тем меньше времени на узнавание кодона, осуществляемое путем перебора антикодонов на аминоацилтранспортных РНК по законам стохастики, и тем больше вероятность ошибочного подбора антикодона и включения ошибочной, но близкой по кодовой специфичности аминокислоты (рис. 6).
Изложенные особенности работы рибосомы были выявлены в модельных опытах на рибосомном ассоциате субчастиц в условиях так называемой бесфакторной трансляции. В условиях, более приближенных к естественной работе рибосомы, процесс сборки пептидной цепи на искусственной матрице ускоряется и количество ошибок возрастает.
Общепринято суждение о том, что закономерности, полученные на модельных бесклеточных системах, справедливы и для процесса синтеза белка в живой клетке.
Гемоглобин эмбрионального типа, или фетальный HbF, человека содержит по сравнению с основной формой гемоглобина HbA больше изолейцина (кодоны АУУ, АУЦ и АУА)[1] и меньше валина (ГУУ, ГУЦ, ГУА) и пролина (ЦЦУ, ЦЦЦ, ЦЦА), по данным В. Штейна и соавторов. Далее представим, что часть основного гемоглобина HbA превращается в гемоглобин HbF за счет замен указанных аминокислот в тех условиях, в которых содержание его снижается, а минорного, наоборот, повышается. Простой анализ, выполненный нами, показал, что тогда замену аминокислот в данном случае можно представить по принципу рибосомальных ошибок синтеза глобина, так как вместо валина может включаться изолейцин (у них второй и третий нуклеотиды соответственно одинаковые) и вместо пролина — также изолейцин (у них в трех кодонах одинаковые третьи нуклеотиды).
