Основы организма

Как работают гены

От гена к белку — как ДНК управляет клеткой.

Синтез белка — считывание гена и сборка белковой молекулы

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.

🔑
Центральная догма молекулярной биологии — принцип, сформулированный британским биологом Фрэнсисом Криком в 1958 году: генетическая информация течёт строго в одном направлении — ДНК → РНК → белок. Это означает, что порядок аминокислот в белке определяется порядком нуклеотидов («букв») в гене, но не наоборот: готовый белок не может изменить ДНК, из которой был сделан. Некоторые вирусы (например, ВИЧ — вирус иммунодефицита человека) обходят это правило через обратную транскрипцию — они копируют свою РНК обратно в ДНК с помощью специального фермента (белка-катализатора) — обратной транскриптазы. Но для клеток собственного тела направление потока информации остаётся неизменным.

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.

Кэпирование и полиаденилирование

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.

Сплайсинг

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

Инициация

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.

Элонгация

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.

Терминация

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.

Полирибосомы

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.

🧩
Неправильный фолдинг — прямая причина болезней. При болезни Альцгеймера белок-предшественник амилоида сворачивается неправильно и образует нерастворимые бляшки (плотные скопления слипшихся белковых молекул) в мозге, нарушая работу нейронов. При болезни Паркинсона то же происходит с белком альфа-синуклеином. Особый случай — прионные болезни (prion — от англ. proteinaceous infectious particle, «белковая инфекционная частица»), например болезнь Крейтцфельдта–Якоба: неправильно свёрнутый белок не просто вреден сам по себе — он «заражает» нормальные белки той же формой, заставляя их тоже принять патологическую конформацию (пространственную форму). Один такой белок запускает цепную реакцию, распространяясь по мозговой ткани.

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

Нарушения сплайсинга

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).

Нарушения фолдинга

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.

Нарушения регуляции экспрессии

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.