Странный ген

Число белков и пептидов в организме человека на порядки больше, чем число белок-кодирующих генов.

Длина самого короткого из известных белок-кодирующих генов гораздо больше, чем 9 нуклеотидов.

Хотя задача кажется сложной, ответ на нее достаточно простой. Ген тиролиберина кодирует не коротенький пептид, а довольно длинный (около 250 аминокислот) белок (см. рис. 2). Он называется препрогормон.

Рис. 2. Тиролиберин образуется из препрогомона — достаточно длинного белка. Изображение из статьи: Eduardo A. Nillni, Kevin A. Sevarino. The Biology of pro-Thyrotropin-Releasing Hormone-Derived Peptides // Endocrine Reviews. V. 20. Issue 5. October 1, 1999

Затем он разрезается на более короткие фрагменты (средняя часть рисунка) — прогормоны. Из этих фрагментов вырезаются еще более короткие участки — закодированные внутри гена трипептиды глутамин-гистидин-пролин (черные прямоугольнички на рисунке). У крысы таких фрагментов 5 (рис. 2), у человека — 6. Не будь это подсказкой, можно было бы назвать задачу «Семь раз отрежь...»

Рис. 3. Регуляция секреции тиролиберина (TSH). Изображение с сайта arbl.cvmbs.colostate.edu

Описываемая в задаче мутация, во-первых, могла произойти где-то в других частях гена, не имеющих отношения к тиролиберину (там ведь тоже наверняка есть глутамины). Но даже если такая мутация затронет один из шести «тиролибериновых» участков, остальные пять останутся неповрежденными. Во-первых, при этом количество тиролиберина (при прочих равных) снизится всего на 16–17%. Легко представить, что это — вариация в пределах нормы для здоровых людей. Во-вторых, даже такого снижения, скорее всего, не произойдет. Дело в том, что синтез тиролиберина регулируется количеством тироксина по принципу отрицательной обратной связи. Много тироксина — синтез тиролиберина подавляется и тироксина становится меньше; мало тироксина — синтез тиролиберина усиливается, тироксина становится больше. Так что у человека с такой мутацией, скорее всего, будет просто синтезироваться побольше белка-предшественника, и общее число молекул тиролиберина не уменьшится (рис. 3).

Все белки, которые клетка должна выбросить наружу (как тиролиберин), сначала попадают в особую полость из мембраны — эндоплазматическую сеть (ЭПС). Потом они упаковываются в мембранные пузырьки и внутри них передаются в другую систему полостей — аппарат Гольджи (АГ). От него отделяются мембранные пузырьки, сливающиеся с внешней мембраной клетки, только тогда белковый продукт попадает во внешнюю среду. И по дороге белки «дорабатываются».

Во-первых, у всех белков, «предназначенных» для ЭПС, на конце есть короткая последовательность аминокислот — «метка», позволяющая направить этот белок «на путь истинный». Как только белки попадают в ЭПС, сыгравшую свою роль метку удаляет особый фермент. Ну, это дело нехитрое — всё равно как оторвать бирку с куртки, которую вы принесли домой из магазина. А вот представьте себе, что вы купили не куртку, а выкройку. И теперь — когда вы оторвали бирку — нужно вырезать рукава, воротник, манжеты... Потом всё это сшить... И только тогда куртку можно будет надеть на ребенка и отправить его гулять!

В случае тиролиберина, правда, сшивать ничего не надо — там просто из длинной веревки нужно вырезать шнурки для ботинок нужного размера. Но в других случаях еще как надо. Зато к тиролиберину приходится «приделывать наконечники» — четвертую аминокислоту превращать в амидную группу, глутамин модифицировать, то есть задействовать лишнюю пару ферментов... Ничего не поделаешь: даже с почти готовыми шнурками приходится поработать — иначе быстро истреплются. Время полураспада тиролиберина в крови — около 2 минут. А «недоделанный» вариант распадается еще быстрее — его режут неспецифические ферменты-протеазы.

Оказалось, что во многих случаях клетка ведет себя, как продавец «выкроек». Именно они поступают в ЭПС, а дальше их надо разрезать и сшить. Кто же эти замечательные «умельцы-покупатели», способные правильно разрезать заготовку?

Естественно, это ферменты. Они обрабатывают белки в ЭПС и АГ: контролируют качество, примеривают на манекены будущих покупателей, да еще по ходу дела пришивают на будущую куртку всякие нужные прибамбасы или вышивают на ней инициалы владельца... Когда нужно работать с «выкройкой», в дело вступает особая группа ферментов — протеин-конвертазы. Они, как оказалось, работают со многими будущими гормонами. Например, они вырезают лишний кусок из инсулина. Из крупной молекулы проопиомеланокортина они выкраивают штук шесть разных гормонов, наиболее известный из которых, АКТГ, регулирует выделение главного гормона стресса — кортизола. Они же производят многие нейромедиаторы, факторы роста и другие белки. Забавно, что для приведения конвертаз в рабочее состояние от них тоже нужно отрезать солидный кусок. Некоторые справляются с этим без посторонней помощи (режут сами себя), а некоторым помогают «коллеги по швейному цеху» — другие конвертазы.

Две из этих конвертаз работают с препротиролиберином (они обозначены на рис. 2 как РС1 и РС2). Режут они его немножко по-разному, и РС1 более активна. Но в целом они вполне взаимозаменяемы — еще один уровень защиты, увеличивающий помехоустойчивость системы производства.

А что же «отходы производства» — куски веревки, оставшиеся после вырезания шнурков нужной длины? Некоторые из них клетка может покрошить в окрошку и пустить «на вторсырье». Но многие, по-видимому, годятся для других целей — развешивать белье или подвязывать брюки... Далеко не все функции этих «лишних» фрагментов изучены. Да и сам тиролиберин образуется не только в гипоталамусе, но и в других участках мозга (да и во многих других тканях) и обладает кучей эффектов: уменьшает продолжительность сна, повышает двигательную активность, улучшает память и т. д. и т. п. Удивительно, что мышь с полностью отключенным геном тиролиберина не только рождается на свет, но даже вырастает и может размножаться — хотя и страдает от недостатка тироксина. Действуют следующие уровни защиты от помех...

Всего у человека и других млекопитающих 9 конвертаз, и эффекты их отключения разные — от летального исхода до отсутствия видимых нарушений. У других животных их, может, и поменьше, но есть они у всех изученных видов. Откуда же взялись эти «умелые закройщики»? Оказалось, что они произошли от общего «предка» с ферментами бактерий — субтилизинами. Только большинство субтилизинов не такие «умные». Это обычные эндопептидазы, режущие любой белок в окрошку. А конвертазы режут его только в нужных местах — там, где стоят подряд две определенных аминокислоты (обычно лизин-аргинин или аргинин-аргинин) или еще более сложная последовательность из четырех аминокислот.

Одна из загадок, которую еще предстоит разгадать: как такая система производства возникла в ходе эволюции? Чтобы она работала в готовом виде, должно совпасть три события: 1) появиться «умный» фермент, 2) возникнуть белок, который имеет нужные «линии разреза» и 3) появиться рецептор, который реагирует на вырезанные кусочки и усиливает сигнал, регулирующий работу клеток. Ну да эволюция создает и не такие конструкции. И ученые тоже не лыком шиты — постепенно разберутся, что к чему...