Биофизика познает рак
Шрифт:
| 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,
| (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
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).
1
Здесь и далее указываются только сравниваемые кодоны аминокислот.
После облучения кроликов в дозе 8,5 Гр, по данным Б. Ф. Сухомлинова, состав аминокислот гемоглобина изменился, уменьшилось количество цистеина (УГУ, УГЦ) и фенилаланина (УУУ, УУЦ) при увеличении аспарагиновой кислоты (ААУ, ААЦ) и гистидина (ЦАУ, ЦАЦ) — при отсутствии заметных изменений в содержании других аминокислот. В этом случае каждая пара кодонов у всех четырех аминокислот имеет одинаковые третьи нуклеотиды и, следовательно, у них имеется также определенная близость кодовой специфичности. Замена этих аминокислот могла произойти по принципу ложного кодирования.
У собак на 15-е сутки после облучения в дозе 3,8 Гр минорный гемоглобин HbA1 увеличивался с 7,5 до 26%, а основной гемоглобин HbA упал с 86,5 до 65—68%. У минорного гемоглобина по сравнению с основным меньше содержание серина (кодоны УЦА, УЦГ, АГУ, АГЦ) и лейцина (УУА, УУГ) и увеличено содержание цистеина (УГУ, УГЦ), глутамина (ГАА), валина (ГУУ, ГУЦ), аргинина (ЦГУ, ЦГЦ) при отсутствии заметных изменений со стороны других аминокислот. Анализ кодонов этих аминокислот нам показал, что замена серина на цистеин и аргинин возможна, так как у них есть общие второй и третий нуклеотиды (ГЦ), серина на валин — по сдвигу рамки чтения (УЦГ на ГУЦ), лейцина на валин — тоже по сдвигу рамки чтения (УУГ на ГУУ), серина и лейцина на глутамин, валин и аргинин — по общности третьего нуклеотида (А).
В указанном эксперименте на собаках прослежена динамика спектра гемоглобинов при одновременном исследовании красной крови. Наибольшее изменение в соотношении указанных двух фракций гемоглобина отмечалось в период 7—46 сут после облучения. Ранее 7 сут исследования, к сожалению, не проводились. Доля HbA с 86,5% упала до 65—68%, а доля HbA1 увеличилась с 7,5 до 24—27%. Доля других минорных фракций гемоглобина M1 и М2 в этот период была также увеличена. Снижение числа эритроцитов и гемоглобина в крови стало заметным с 12-х суток после облучения и было наибольшим на 20-е и 30-е сутки. У одной из старых собак, которая к моменту обследования имела выраженную анемию и увеличенную селезенку, через 8 лет после облучения почти весь гемоглобин был заменен на HbA1.
Состояние костного мозга у них не исследовалось, но в наших экспериментах, описанных выше, были собаки, облученные примерно в такой же дозе, у которых анализировали и состояние костно-мозгового гемопоэза. У них отмечены изменения, позволяющие говорить об ускорении пролиферации и созревании эритробластов в период наблюдавшихся изменений в спектро гемоглобинов. Оно часто сопровождается укорочением клеточного цикла эритробластов в основном за счет сокращения стадии G1, во время которой идет массовый рибосомальный синтез белка. У эритробластов, потерявших способность к делению, может происходить ускорение созревания и укорочение времени на завершение процесса гемоглобинизации нормобластов.