К абсолютному большинству случаев замен аминокислот, как указано выше, вероятно, применимы закономерности, работающие в простейших модельных системах во внеклеточных условиях и вне генетической регуляции.
Далее необходимо проверить соответствие указанных замен аминокислот большей вероятности триплетов определенных кислот при равновероятном ошибочном чтении каждого из нуклеотидов триплета по указанным принципам. Рассмотрим этот вопрос сначала на примере изолейцина, имеющего три кодона (АУУ, АУЦ и АУА). При замене одного из нуклеотидов триплета каждого кодона или при сдвиге рамки чтения их принципиально возможны 33 модификации и, следовательно, вероятность одной модификации составляет 0,33. Ожидаемая вероятность замен изолейцина на другие аминокислоты была следующей: 0,15 — лейцин, 0,09 — валин, метионин, треонин, серин и аспарагиновая кислота, 0,06 — фенилаланин, 0,03 — лизин, аргинин, тирозин и гистидин. Реально при переходе ЛДГ1 в ЛДГ5 изолейцин заменялся на лейцин в двух случаях и на валин — также в двух случаях. Других замен не было. Следовательно, во всех четырех случаях действительно изолейцин заменялся на те аминокислоты, которые и были предсказаны исходя из законов стохастики перебора аминокислот.
Другой пример. Шестикодонный лейцин по принципу ошибки чтения одного из нуклеотидов или сдвига рамки чтения теоретически может иметь 66 модификаций и вследствие этого заменяться на 14 других аминокислот. Вероятность одной замены равна 0,015. Наиболее часто эта модификация теоретически должна приводить к образованию кодонов четырех аминокислот: валина, фенилаланина, изолейцина и пролина. Каждая из этих аминокислот имеет ожидаемую вероятность заменить лейцин, равную 0,076 и 0,106. Остальные десять аминокислот имеют значительно более низкую вероятность. В реальных условиях при переходе от ЛДГ1 к ЛДГ5 лейцин заменялся 10 раз, из них действительно — 8 раз на предсказанные аминокислоты: валин, фенилаланин и изолейцин. Аналогичные закономерности прослежены для валина, аланина, треонина и тирозина.
Следовательно, для многих заменяемых в М-форме ЛДГ цыпленка аминокислот (при переходе к Н-форме) отмечается преимущественный захват тех аминокислот, которые при равновероятном и равнозначном распределении имеют более высокую ожидаемую вероятность заменить аминокислоту в пептидной цепи. Эти примеры показывают, что действительно при усилении пролиферативной активности ткани сдвиг в изоферментном составе ЛДГ цыпленка, обусловленный изменением соотношения М- и Н-форм белка, в значительной мере может происходить по принципу случайной замены одного из нуклеотидов или сдвига рамки чтения.
Аналогичные результаты были получены при анализе данных Ивентоффа и соавторов об аминокислотной последовательности М- и Н-форм фермента. К сожалению, мы не нашли аналогичных материалов для других видов животных и других ферментов для утверждения об общебиологическом значении обнаруженных явлений. Необходимо продолжение такого анализа по мере накопления новых данных.
Тем не менее проведенный анализ позволяет с определенным основанием считать возможным для клеток млекопитающих тот механизм замен аминокислот в изоформах белка, который был обнаружен в простейших бесклеточных системах и который работает вне генетической регуляции и зависит от пролиферативной активности ткани. Обоснованием такого заключения является следующее.
1. Основное количество (72% и более) замен аминокислот в пептидной цепи М- и Н-форм ЛДГ соответствует механизму неправильного чтения одного из нуклеотидов триплета кодонов аминокислот.
2. Существенное (в несколько раз) преобладание изменений первого нуклеотида триплетов кодонов над изменениями третьего нуклеотида.
3. Существенное преобладание (в несколько раз) однонуклеотидных изменений триплетов над двухнуклеотидными и сдвигом рамки чтения.
4. Стохастический характер ошибочно включаемых аминокислот, близких по специфичности, т. е. чаще включаются те аминокислоты, которые имеют более высокую ожидаемую вероятность их ошибочного включения при равновероятном и равнозначном изменении одного из нуклеотидов триплета кодонов или сдвиге рамки чтения.
5. Хорошее соответствие сдвигов спектра изоформ белков усилению пролиферативной активности тканей и усилению синтеза белка, т. е. сдвиг соотношений изоформ белка возникает во всех случаях стимуляции этих процессов и восстанавливается, как только снимается стимуляционный сигнал к пролиферации.
6. Зависимость частоты ошибочного включения аминокислот в пептидную цепь в экспериментальной бесклеточной системе (т. е. вне генетической регуляции) от влияния на рибосому ионного гомеостаза, pH и других условий, изменяющих продолжительность одного цикла работы рибосомы и продолжительность времени экспонирования кодонов (см. рис. 6).
7. Зависимость изменений внутриклеточных факторов (ионный гомеостаз, pH и др.), способных влиять на рибосому, от скорости пролиферативной активности тканей.
Однако следует сказать, что результаты приведенного выше анализа изменений аминокислотной последовательности изоформ ЛДГ цыплят и свиней выявили факты, не объяснимые механизмами, описанными для бесклеточных модельных систем.
Указанные случаи можно объяснить, по-видимому, только действием генетической регуляции, изменением процессов экспрессии отдельных локусов генома в связи с изменением ионного гомеостаза и pH в процессе усиления пролиферативной активности ткани.
Каково соотношение различных механизмов (генетических и негенетических) замен в аминокислотной последовательности различных изоформ белков — это вопрос предстоящих исследований. Для нас важно, что независимо от механизма таких замен сама возможность изменения изоформ белков в зависимости от состояния рибосомального окружения (и, следовательно, от пролиферативной активности ткани) дает возможность понять некоторые молекулярные основы несущественных изменений белков, модифицирующих ряд характеристик (спектр изоформ, антигенный спектр, термолабильность и т. д.).
Основное внимание нами уделено аминокислотным изменениям белков, происходящим в процессе самого рибосомального синтеза пептидной цепи при сохранении в пределах норм и неизменными всех остальных звеньев сложной последовательности производства функционирующего белка (от процесса транскрипции необходимой информации с ДНК об аминокислотной последовательности до исполнения молекулой белка присущей ей функции).
Между тем нарушения в структуре белка могут происходить в результате изменений в любом звене этой цепи событий. В табл. 7 представлены основные звенья этой цепи.
Таблица 7. Основные звенья цепи процессов производства функционирующего белка
Процесс Основное проявление Зависимость от состояния пролиферативной активности ткани Изменение структуры ДНК (мутация) Стойкая замена аминокислот Нет зависимости Изменение функции ДНК (генная регуляция) Временная замена аминокислот Четкая зависимость предполагается Транскрипция ДНК Нарушение синтеза белка Зависимость ожидается Созревание иРНК То же То же Транспорт иРНК из ядра в цитоплазму '' '' Рибосомальный синтез белка Закономерная замена аминокислот Четкая зависимость доказана Посттрансляционные изменения структуры белка Модификация аминокислот Зависимость можно предполагать
Характер модификации структуры белка будет разным в зависимости от звена, внесшего изменения в белок. В случае изменений на уровне структурных генов возникает мутация, следствием которой будет необратимая замена аминокислоты в структуре белка. Однако весь приведенный экспериментальный материал показал, что таких стойких и необратимых модификаций белка для рассмотренных условий (когда нет еще генетических заболеваний) среди массовых процессов обнаружить не удается, хотя они и не исключены полностью.
Обращают на себя внимание массовые процессы временной и вполне закономерной модификации белков, связанной с заменой одних аминокислот на другие в зависимости от состояния пролиферативной активности ткани, что приводит к определенному изменению спектра изоформ белков. Как показано в этом разделе, такие изменения могут происходить по двум причинам:
