Как работают гены
От гена к белку — как ДНК управляет клеткой.
От гена к белку: логика процесса
ДНК хранит инструкции, но сама по себе ничего не производит — она слишком ценна, чтобы покидать защищённое ядро клетки. Вместо этого клетка работает по принципу «оригинал не выдаётся»: с нужного гена снимается рабочая копия, которая выходит из ядра и доставляется к производственному аппарату. Там копия читается, и по её инструкции собирается белок — крупная молекула из аминокислот, которая будет реально выполнять работу: ускорять химические реакции, передавать сигналы между клетками, строить опорные структуры или регулировать работу других генов.
Этот путь — от гена к белку — состоит из двух главных этапов: транскрипция (считывание гена и создание РНК-копии) и трансляция (считывание РНК-копии и сборка белка из аминокислот). Оба процесса происходят в каждой живой клетке непрерывно — прямо сейчас в вашем теле идут миллиарды таких реакций одновременно.
Транскрипция: считывание гена
Транскрипция (от лат. transcriptio — «переписывание») — это создание молекулы мРНК по шаблону ДНК. мРНК расшифровывается как матричная, или информационная, рибонуклеиновая кислота — это одноцепочечная (не двойная, как ДНК, а одинарная) молекула, которая переносит генетическую инструкцию из ядра в цитоплазму (внутреннее пространство клетки за пределами ядра), где будет собираться белок. РНК похожа на одну цепочку ДНК, но с одним отличием: вместо буквы T (тимин) в ней используется буква U (урацил) — ещё одна из четырёх букв нуклеотидного алфавита РНК.
Процесс транскрипции происходит в три шага:
- Инициация (запуск): специальные белки — факторы транскрипции (белки-«ключи», управляющие тем, какие гены будут считаны) — прикрепляются к участку ДНК перед геном, который называется промотор («стартовая площадка» гена). Это открывает доступ для главного фермента — РНК-полимеразы («полимераза» — фермент, строящий длинную цепочку из отдельных звеньев-мономеров). РНК-полимераза прикрепляется к промотору и начинает «расплетать» двойную спираль ДНК, разделяя две её цепочки.
- Элонгация (удлинение): РНК-полимераза движется вдоль одной из цепей ДНК (шаблонной) и по принципу комплементарности — то есть правилу точного соответствия букв: A напротив U, G напротив C — присоединяет нуклеотиды (звенья) РНК один за другим, наращивая цепочку мРНК. Скорость — около 20–80 нуклеотидов в секунду в клетках человека. За полимеразой двойная спираль ДНК тут же восстанавливается.
- Терминация (завершение): достигнув терминатора — специальной последовательности букв в ДНК, означающей «конец гена», — РНК-полимераза останавливается и освобождает готовую молекулу мРНК.
Процессинг мРНК: редактирование перед отправкой
В клетках эукариот (организмов, чьи клетки содержат оформленное ядро, отделённое от цитоплазмы оболочкой, — это грибы, растения, животные и человек, в отличие от бактерий, у которых ядра нет) только что синтезированная мРНК — это ещё черновик. Прежде чем выйти из ядра, молекула проходит процессинг (от англ. processing — «обработка»): несколько последовательных изменений, которые делают её стабильной и готовой к считыванию.
Молекула мРНК — это цепочка с двумя несимметричными концами. Один конец принято обозначать 5′ (произносится «пять-штрих») — это «начало» молекулы, с которого рибосома начнёт считывание. Другой конец — 3′ («три-штрих») — это «хвост». Цифры 5 и 3 указывают на то, к какому атому углерода в молекуле сахара прикреплён соответствующий конец цепи — это химическое обозначение направления молекулы.
На 5′-конец надевается специальная химическая «шапка» — 5′-кэп (от англ. cap — «колпачок»): она защищает молекулу от разрушения ферментами и служит сигналом для рибосомы, что именно отсюда нужно начинать считывание. На 3′-конец добавляется длинный «хвост» из многократно повторяющейся буквы A (аденина) — поли(A)-хвост: он тоже защищает мРНК и регулирует, как долго молекула проживёт в цитоплазме до разрушения.
Ген в ДНК устроен не как сплошная инструкция: кодирующие участки — экзоны («внешние», несущие реальную информацию) — перемежаются некодирующими вставками — интронами («внутренними», не несущими инструкции для белка). После транскрипции интроны нужно вырезать, а экзоны — сшить в непрерывную цепочку. Эту работу выполняет молекулярная машина сплайсосома (крупный комплекс из белков и малых РНК). При альтернативном сплайсинге экзоны сшиваются в разных комбинациях — один и тот же ген может давать десятки разных белков в зависимости от типа клетки или её состояния. Именно так из ~22 тысяч генов получается более 100 тысяч различных белков.
После процессинга зрелая мРНК выходит из ядра через ядерные поры — белковые каналы в двойной оболочке ядра, которые работают как «таможня»: пропускают одни молекулы и задерживают другие. Снаружи мРНК оказывается в цитоплазме и направляется к рибосомам.
Трансляция: сборка белка
Трансляция (от лат. translatio — «перевод») — это «чтение» последовательности нуклеотидов мРНК и сборка по ней белковой цепочки из аминокислот (небольших органических молекул — строительных блоков всех белков; в природе встречается 20 стандартных аминокислот, которые сочетаются в разных порядках, как буквы алфавита образуют разные слова). Трансляция происходит на рибосомах — молекулярных «заводах» из двух субъединиц (малой и большой), каждая из которых состоит из белков и рРНК (рибосомной РНК — молекулы, выполняющей как структурную, так и каталитическую роль внутри рибосомы).
В трансляции участвуют три вида РНК, каждый со своей ролью:
- мРНК (матричная РНК) — лента с инструкцией, которую читает рибосома. Её нуклеотиды считываются тройками — каждая тройка называется кодон и соответствует одной аминокислоте.
- тРНК (транспортная РНК) — молекула-«переводчик» и одновременно «грузовик». На одном конце тРНК несёт антикодон — тройку нуклеотидов, комплементарную (зеркально соответствующую) определённому кодону мРНК. На другом конце — прикреплённую аминокислоту, которая соответствует именно этому кодону. Таким образом тРНК физически доставляет нужную аминокислоту к рибосоме в нужный момент.
- рРНК (рибосомная РНК) — структурный и каталитический каркас рибосомы. Именно рРНК большой субъединицы формирует пептидилтрансферазный центр — активный участок рибосомы, который катализирует (ускоряет) образование пептидной связи — химической связи, соединяющей аминокислоты в цепочку белка.
Ход трансляции
Малая субъединица рибосомы прикрепляется к 5′-кэпу мРНК (защитной «шапке» на начальном конце молекулы) и скользит вдоль неё, пока не встретит стартовый кодон AUG — тройку нуклеотидов A–U–G, кодирующую аминокислоту метионин и дающую сигнал «здесь начинается белок». В этой точке присоединяется большая субъединица — рибосома собрана и готова к работе.
Рибосома движется вдоль мРНК ровно по три нуклеотида за шаг — кодон за кодоном. На каждом шаге: тРНК с нужной аминокислотой входит в рибосому, её антикодон спаривается с кодоном мРНК, аминокислота присоединяется к растущей цепочке пептидной связью, и рибосома сдвигается к следующему кодону. Скорость — около 3–5 аминокислот в секунду.
Рибосома встречает стоп-кодон (UAA, UAG или UGA) — тройку, для которой не существует тРНК с аминокислотой. Вместо тРНК к стоп-кодону присоединяется фактор высвобождения (специальный белок, подающий сигнал «синтез окончен»): готовая белковая цепочка отсоединяется, рибосома распадается на две субъединицы и может начинать следующий раунд.
Одну молекулу мРНК одновременно могут читать несколько рибосом, движущихся одна за другой с небольшим интервалом — как несколько поездов на одном рельсовом пути. Такой комплекс называют полирибосомой или полисомой. Это позволяет клетке быстро производить много копий одного белка с одной молекулы мРНК, не тратя время на создание новых копий инструкции.
Фолдинг белка: от цепочки к рабочей форме
Только что синтезированная цепочка аминокислот — это ещё не готовый белок, а как бы нитка бусин в произвольном порядке. Цепь должна принять строго определённую трёхмерную форму — свернуться в конкретную пространственную структуру. Этот процесс называется фолдинг (от англ. folding — «складывание»). Именно форма определяет функцию: замок фермента, который подходит только к одному субстрату; карман рецептора, куда садится гормон; жёсткое коллагеновое волокно — всё это результат правильной укладки цепи.
Сворачивание начинается ещё в процессе синтеза и частично происходит спонтанно: цепочка стремится принять конфигурацию с наименьшей свободной энергией (физически — самое устойчивое состояние молекулы). При этом гидрофобные (буквально «боящиеся воды», водоотталкивающие) аминокислоты прячутся внутрь молекулы подальше от окружающей воды, а гидрофильные («любящие воду», водопритягивающие) оказываются снаружи. Однако в живой клетке этот процесс не происходит в изоляции: его сопровождают шапероны (от фр. chaperon — «наставник»; белки-«надзиратели», которые не задают форму белка, а лишь создают условия для правильного сворачивания и не дают цепям слипнуться между собой до того, как они примут нужную конфигурацию). Слипание незрелых белков называется агрегацией — именно её предотвращают шапероны.
Регуляция экспрессии генов
Экспрессия гена (от лат. expressio — «выражение») — это степень активности гена: насколько интенсивно он транскрибируется и сколько соответствующего белка производится в итоге. Не все гены работают во всех клетках и не всегда. Нейрон и клетка печени содержат абсолютно одинаковый геном — но набор активных генов в них совершенно разный: именно разница в экспрессии превращает одинаковые клетки-предшественники в принципиально разные типы клеток.
Регуляция экспрессии происходит на нескольких уровнях:
- Транскрипционная регуляция — самый распространённый уровень контроля. Белки-регуляторы — транскрипционные факторы — прикрепляются к определённым участкам ДНК и включают или выключают транскрипцию нужных генов. Они работают через промоторы (стартовые площадки генов), энхансеры (от англ. enhance — «усиливать»; участки ДНК, усиливающие транскрипцию даже с большого расстояния от гена — тысячи нуклеотидов — через петли хроматина) и сайленсеры (от англ. silence — «заглушать»; участки, подавляющие транскрипцию). Один транскрипционный фактор может управлять сотнями генов одновременно.
- Регуляция на уровне мРНК: скорость разрушения мРНК в цитоплазме — важный регулятор количества белка. Чем быстрее деградирует (распадается) мРНК, тем меньше белка будет произведено даже при активной транскрипции. Ключевую роль здесь играют микроРНК (сокращённо miRNA) — очень короткие молекулы РНК длиной около 22 нуклеотидов. Они связываются с комплементарными участками целевых мРНК и либо блокируют их трансляцию (рибосома не может прочитать заблокированную мРНК), либо запускают её разрушение. У человека около 2500 генов микроРНК, и они регулируют более трети всех генов в геноме.
- Посттрансляционная регуляция: уже готовый белок может быть модифицирован — химически изменён — после синтеза. Фосфорилирование (присоединение к белку фосфатной группы PO₄) меняет его пространственную форму и может включить или выключить его активность — как нажатие кнопки. Убиквитинирование (присоединение небольшого белка убиквитина) служит меткой «отправить на утилизацию»: помеченный белок доставляется в протеасому — молекулярный «шредер», разрезающий его на части. Кроме того, некоторые белки синтезируются в неактивной форме и активируются, только когда ферменты разрезают их в нужном месте.
Эпигенетический контроль
Над всеми описанными механизмами стоит эпигенетическая регуляция (от греч. epi — «над», то есть регуляция «поверх» генетической последовательности): химические метки на ДНК и на гистонах (белках-катушках, на которые намотана ДНК), которые не меняют порядок букв в геноме, но меняют то, насколько доступен ген для считывания — открыт он или упакован так плотно, что РНК-полимераза к нему не добраться.
Метилирование ДНК — присоединение химической группы CH₃ (метила) к нуклеотиду цитозин — как правило заглушает ген. Ацетилирование гистонов — присоединение ацетильной группы CH₃CO — ослабляет связь гистона с ДНК, «распушает» хроматин и открывает ген для считывания. Эти метки устанавливаются под влиянием среды — хронического стресса, характера питания, физической активности — и могут сохраняться при делении клетки, передаваясь дочерним клеткам. Механизм подробно разобран в разделе Наследственность и эпигенетика.
Что происходит при нарушениях
Мутации в сайтах сплайсинга — участках мРНК, по которым сплайсосома определяет, где именно резать и сшивать, — приводят к тому, что интроны остаются в зрелой мРНК или, наоборот, нужные экзоны выпадают. Белок, собранный по такой неправильной инструкции, как правило нефункционален. Около 15–50% патогенных (болезнетворных) мутаций при наследственных заболеваниях связаны именно с нарушениями сплайсинга — хотя сами мутации могут выглядеть как безобидные изменения одной буквы. Классический пример — некоторые формы талассемии (наследственного заболевания, при котором снижается синтез гемоглобина — белка, переносящего кислород в крови).
Белки, не принявшие правильную форму, накапливаются в эндоплазматическом ретикулуме — сети мембранных каналов внутри клетки, где новые белки проходят первичную «проверку качества». Накопление неправильно свёрнутых белков включает защитный каскад — ответ на несвёрнутые белки (UPR, Unfolded Protein Response): клетка замедляет общий синтез белков и усиливает производство шаперонов, чтобы справиться с «браком». Если стресс хронический и UPR не справляется, это связано с развитием диабета 2-го типа, нейродегенеративных и воспалительных заболеваний.
Транскрипционные факторы — одни из самых частых онкогенов (генов, мутация в которых запускает бесконтрольное деление клеток). Хромосомные перестройки могут поставить ген роста клеток под контроль сильного промотора — и он начинает работать постоянно, без внешнего сигнала, толкая клетку к непрерывному делению. Нарушения в системе микроРНК связаны с онкологическими, сердечно-сосудистыми и нейродегенеративными заболеваниями.
Связи с другими системами
- Эндокринная система: гормоны регулируют экспрессию генов напрямую. Стероидные гормоны (производные холестерина — кортизол, эстроген, тестостерон) — жирорастворимые молекулы: они беспрепятственно проходят сквозь клеточную мембрану и ядерную оболочку, проникают прямо в ядро и сами действуют как транскрипционные факторы — связываются с гормон-ответными элементами (специфическими короткими участками ДНК перед регулируемыми генами) и включают или выключают нужные гены. Один гормональный сигнал может одновременно изменить экспрессию сотен генов в клетке-мишени.
- Иммунная система: при активации иммунных клеток запускаются волны транскрипции — гены провоспалительных цитокинов (сигнальных белков, запускающих воспаление и привлекающих другие иммунные клетки к месту инфекции) начинают интенсивно экспрессироваться буквально в течение минут. Ключевой транскрипционный фактор этого ответа — NF-κB (расшифровывается как «ядерный фактор каппа-би» — от англ. Nuclear Factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells) — контролирует более 150 генов иммунного ответа. Именно на NF-κB направлены многие противовоспалительные препараты.
- Нервная система: долговременная память формируется через изменения в экспрессии генов в нейронах. Долговременная потенциация синапсов (устойчивое усиление связи между нейронами, которое происходит при обучении и запоминании) требует синтеза новых белков — то есть активации транскрипции конкретных генов. В экспериментах на животных блокирование синтеза мРНК сразу после обучения предотвращает формирование долговременной памяти, оставляя краткосрочную нетронутой — это прямое доказательство того, что «записать» воспоминание надолго значит буквально изменить генную активность в нейронах.
- Пищеварительная система и питание: аминокислоты из пищи — это не только строительный материал для белков, но и сигналы, регулирующие трансляцию. Дефицит незаменимых аминокислот (тех девяти из двадцати, которые организм не способен синтезировать сам и должен получать с едой: гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан, валин) активирует фермент GCN2 — молекулярный «датчик голода» в клетке. GCN2 тормозит общую трансляцию (чтобы не тратить дефицитный ресурс) и одновременно включает транскрипцию генов стрессового ответа, перестраивая метаболизм клетки под условия нехватки питательных веществ. Строение ДНК и генов разобрано в разделе ДНК и гены; то, как наследственность и среда влияют на активность генов, — в разделе Наследственность и эпигенетика.