[albert52]

Вставка.
Регуляция биосинтеза белка

Регуляция необходима для поддержания баланса разнообразных белков в клетке или организме, для изменения этого баланса в меняющихся условиях окружающей или внутриорганизменной среды, для обеспечения смены белков в процессах клеточной дифференцировки и развития организма, для адекватного ответа на специфические внешние сигналы или н***агоприятные воздействия.
Живые клетки используют несколько различных способов или путей такой регуляции, но практически во всех случаях она осуществляется через регуляцию инициации трансляции. Это означает, что регуляторные механизмы трансляции направлены на то, чтобы разрешить или не разрешить инициацию трансляции данной мРНК, и если разрешить, то с какой эффективностью (скоростью инициации): чем больше скорость, тем больше образуется белка.

Существуют три основных способа, как регулировать трансляцию. Первый способ – позитивная регуляция на основе сродства мРНК к инициирующей рибосоме и факторам инициации (дискриминация мРНК (англ. discriminate — отличать, распознавать)). Второй способ – негативная регуляция с помощью белков-репрессоров, которые, связываясь с мРНК, блокируют инициацию (трансляционная репрессия). При этом белок-репрессор имеет специфическое сродство к участку мРНК в районе инициации трансляции (часто к участку с нестабильной вторичной структурой) и, связываясь с ним (и стабилизируя его), создает барьер либо для посадки инициирующих рибосомных частиц, либо для движения рибосомы к месту инициации.

Этими двумя способами регулируются индивидуальные мРНК, то есть трансляция каждой мРНК может специфически контролироваться независимо от других мРНК клетки. Третий способ – тотальная регуляция трансляции всей совокупности мРНК клетки посредством модификации факторов инициации. Отметим что при наличии общих черт регуляции на уровне трансляции у прокариотических (бактерии) и эукариотических организмов тотальная регуляция за счет модификации факторов инициации характерна, по-видимому, только для эукариот.

Скорость или частота инициации трансляции рибосомами может сильно различаться для разных мРНК. У прокариотических организмов это определяется тем, что инициирующие или рибосомосвязывающие участки разных мРНК имеют разное сродство к рибосомам и, таким образом, с разной эффективностью связывают рибосомные частицы. На основании разницы в эффективности инициации можно говорить о «сильных» и «слабых» мРНК. На сильных мРНК инициация происходит часто, на них нанизывается много рибосом (образуются плотные полирибосомы) и соответственно продуцируется много молекул белка. Редкая инициация трансляции на слабых мРНК дает в результате редкую посадку рибосом на эти мРНК и, следовательно, низкую белковую продукцию.

Как правило, если белок имеет четвертичную структуру, построенную из разных субъединиц в различном соотношении, то сила мРНК или ее отдельных участков (цистронов), кодирующих эти субъединицы, координирована с пропорцией субъединиц в структуре. Например, мембранный комплекс протонной АТФазы бактерий построен из трех типов субъединиц в соотношении 1:2:10 (a1b2c10), и соответственно субъединица c кодируется очень сильным цистроном мРНК, субъединица a – слабым, а субъединица b – цистроном промежуточной силы.

Похожая ситуация наблюдается и в эукариотических клетках, но там дискриминация мРНК обусловлена скорее разным сродством факторов инициации, а не самих рибосом к разным 5'-проксимальным инициаторным структурам мРНК. Так как факторы инициации в любом случае локализуются на инициирующих малых рибосомных субчастицах, то они и определяют разную эффективность посадки рибосом на разные мРНК.
Различная сила мРНК в значительной мере определяет соотношение продукции различных белков в клетке. Так, структурные белки мембран, рибосомные белки, факторы элонгации, белки оболочки вирусов и другие белки, требуемые в большом количестве, например, пищеварительные ферменты, кодируются сильными мРНК, а многие регуляторные белки – слабыми мРНК.

Трансляция контролируется с помощью большого количества механизмов, наиболее понятным из которых является фосфорилирование факторов трансляции и их регуляторов, особенно ключевых факторов инициации трансляции эукариот (eIFs). mTORC1-опосредованное фосфорилирование eIF4E-связывающих белков (4E-BP) и рибосомных киназ S6 (S6Ks) приводит к устойчивой эффективности инициации трансляции (см выше).

eIF4F представляет собой гетеромерный комплекс, который связывает структуру кэпа и состоит из eIF4A (РНК-геликазы), eIF4E (связывающего кэп белка) и eIF4G (каркасный белок), который связывает как eIF4E, так и eIF4A. После связывания с кэпом eIF4F раскручивает 5'-проксимальную вторичную структуру мРНК, чтобы облегчить связывание преинициативного комплекса 43S (который включает 40S рибосомную субъединицу). После сканирования вдоль 5'-UTR на предмет подходящего стартового кодона AUG, комплекс предварительной инициации затем растворяется, и рибосомная субъединица 60S присоединяется к субъединице 40S с образованием трансляционно компетентной 80S рибосомы.

Этому процессу способствует фактор eIF5B (5B), который инициирует удлинение трансляции. Фаза элонгации характеризуется добавлением аминокислот к растущему пептиду и транслокацией рибосом по мРНК, процессом, который частично контролируется фактором элонгации eEF2. Наконец, прекращение трансляции связано с высвобождением вновь синтезированного пептида и диссоциацией рибосомы от мРНК.

Для связывания инициаторной аминоацил-тРНК (Met-tRNAi) с малой рибосомной субчастицей в процессе инициации трансляции требуется eIF2 в комплексе с ГТФ (GTP); в ходе инициации ГТФ гидролизуется на ГДФ (GDP) и ортофосфат и eIF2 в комплексе с ГДФ (eIF2 : GDP) освобождается из рибосомы.
В норме дополнительный фактор eIF2В принимает участие в том, чтобы превратить отработанный (неактивный) eIF2 : GDP в необходимый для следующей инициации eIF2 : GTP. Этот фактор играет каталитическую роль в обмене ГДФ на ГТФ, и его в клетке мало. Когда eIF2 фосфорилируется фосфокиназой (eIF2Р), он может обычным образом участвовать в инициации трансляции, но, освободившись из рибосомы с ГДФ (в форме eIF2Р : GDP), он образует прочный комплекс с eIF2В (eIF2В : eIF2Р : GDP) и тем самым связывает весь eIF2В клетки, лишая последнюю возможности катализировать регенерацию eIF2 : GTP из eIF2 : GDP, тем самым подавляя синтез белка.

Механизмы трансляционной репрессии обеспечивают пути модуляции скоростей инициации трансляции в широких пределах либо в зависимости от внешних сигналов (эффекторов), либо по типу обратной связи, когда мРНК репрессируется своим же продуктом. Что же касается эффекторов, то, например, в животных клетках белок-репрессор блокирует инициацию синтеза белка ферритина, а железо в качестве эффектора лишает репрессор его мРНК-связывающих свойств и дерепрессирует ферритиновую мРНК, тем самым разрешая ее трансляцию.

Кроме типичной трансляционной репрессии эукариоты выработали механизм маскирования мРНК, когда соответствующая мРНК становится недоступной не только для инициации трансляции, но и фактически выведена из всех других процессов ее возможных превращений или изменений – деградации нуклеазами, ферментативной модификации ее 3'-конца путем полиаденилирования и пр.
Маскирование и демаскирование мРНК являются особенно характерными для процессов гаметогенеза (оогенеза и сперматогенеза), раннего эмбрионального развития, клеточной дифференцировки, гормонального включения или выключения функций. Например, в оогенезе происходит запасание некоторых материнских мРНК в маскированной форме, и часть этих мРНК демаскируется в ответ на оплодотворение яйцеклетки, обеспечивая белковый синтез на самых ранних стадиях эмбриогенеза: дробления, бластулы и ранней гаструлы.

Наиболее обычный путь тотальной регуляции белкового синтеза у эукариот, во всяком случае у животных и грибов, – это активация специальной фосфокиназы (eIF2Р), которая фосфорилирует фактор инициации eIF2, что приводит к подавлению инициации трансляции всех мРНК клетки (см. выше). Сигналами для активации фосфокиназы в клетке являются тепловой шок и другие виды стрессовых воздействий, недостаток ростовых факторов, аминокислотное голодание, недостаток железа, вирусные инфекции. Степень подавления белкового синтеза может варьировать в зависимости от уровня стресса.

Для многих локализующихся мРНК репрессия трансляции отменяется сразу после прибытия в конечный субклеточный пункт назначения. Субклеточное положение белка является ключевым фактором, определяющим его функцию. Локализующиеся мРНК упакованы в рибонуклеопротеидные комплексы (комплексы RNP), которые взаимодействуют с моторами цитоскелета для направленного транспорта по дорожкам цитоскелета, что является эволюционно консервативным механизмом для контроля локализации белка. При этом мРНК совместно собираются в мультимолекулярные транспортные единицы. Различные регуляторы трансляции, которые обнаруживаются в комплексах RNP, представляют собой челночные белки, которые содержат сигналы ядерной локализации и накапливаются, по крайней мере, временно в ядре.
Транспортные RNP могут иметь общие компоненты с процессинговыми тельцами (P-тельцами) - общими цитоплазматическими сайтами для подавления трансляции.

Локализованные мРНК впоследствии транслируются в ответ на локализованные сигналы. Синтез на месте придает белку новые сигнальные свойства и помогает поддерживать локальный протеомный гомеостаз.
Локализация РНК может быть эволюционно консервативным механизмом, который децентрализует геномную информацию и делегирует ее контроль субклеточным компартментам. Генетическая информация, закодированная в ядре, обеспечивает поставку мРНК путем транскрипции, из которой выбираются определенные наборы мРНК для субклеточной локализации. Т.о. субклеточные целевые коллекции мРНК могут функционировать как геномный форпост.