белка в коже зародыша полностью прекращается в пределах 24 часов. Однако синтез кератинов продолжается до 15 дня. Эти данные показывают, что мРНК, кодирующая синтез кератина в 15-дневном зародыше, синтезировалась ранее и хранилась в клетках кожи, что свидетельствует о ее высокой стабильности. Другим примером роли стабильности мРНК может служить глобиновая мРНК, составляющая 90% суммарной мРНК ретикулоцитов у млекопитающих. После потери ядра и отсутствии транскрипции генов, происходящей во время созревания ретикулоцитов, они длительное время (до 3-х суток) сохраняют гемоглобиновые мРНК и синтез гемоглобина. Запасенная в ретикулоцитах гемоглобиновая мРНК постепенно разрушается, и в зрелых эритроцитах синтез гемоглобина не происходит.
Имеется весьма тесная корреляция между временем полужизни белков и транслируемых их мРНК. Структурные белки обычно обладают большей продолжительностью жизни (миозин, актин, эластин, коллаген), регуляторные белки, как правило, быстро распадаются. К ним относится большинство ферментов, киназы, кинины и другие. Так, полужизнь ферментов печени крыс: орнитин декарбоксилазы – 11 мин., РНК - полимеразы I – 1,3 ч, тирозин-аминотрансферазы – 1,5 ч, триптофан-оксигеназы – 2 ч, ацетил-СоА карбоксилазы – 2 дн; мускульные белки кролика: α-актинин – 20-25 дн., миозин – 30 дн., актинин > 50 дн.
Стабильность мРНК может определяться разными молекулярными механизмами. Наиболее вероятным молекулярным механизмом в случае имбаланса аминокислот в питании животных является изменение длины поли-(А)-последовательности на 3'-конце молекулы мРНК, т.е. степень её полиаденилирования. Важно подчеркнуть, что степень полиаденилирования определяет и трансляционную активность мРНК: чем длиннее поли-(А)-хвост, тем продолжительнее время полужизни и эффективнее трансляция матрицы, т.е. терминальная поли-(А)последовательность является цис-фактором стабильности мРНК и энхансером (усилителем) трансляции.
Таблица 13.2 – Влияние имбаланса лизина и триптофана в рационах на степень полиаденилирования мРНК печени, среднесуточный прирост поросят (В. Г. Рядчиков, В.К. Плотников, С. Л. Полежаев, 2013 г.)
| Показатели | Основная | Имбаланс лизина | Имбаланс триптофана | Скорректиро- ванная |
|---|---|---|---|---|
| Относительно короткие поли-(А)- хвосты (А)n35⁰С | 9,8±0,7 | 10,8 | 10,0±0,6 | 11,6±0,8 |
| Относительно длинные поли-(А)- хвосты (А)n65⁰С | 8,0±0,4 | 5,1±0,3 | 3,1±0,2 | 11,7±0,6 |
| (А)n65⁰/(А)n35⁰ | 0,85 | 0,47 | 0,31 | 1,01 |
| Среднесуточный прирост поросят, г | 221±11 | 180±12 | 80±13 | 580±23 |
| Потребление корма, кг/гол/день | 1,14±0,1 | 1,04±0,02 | 0,89±0,06 | 1,28±0,06 |
В экспериментах на поросятах методом ступенчатой термальной элюции поли-(А)-содержащей мРНК печени с колонки поли-(У)-
сефарозы было установлено, что имбаланс по лизину и триптофану негативно повлиял на стабильность мРНК. Соотношение фракций мРНК, элюируемых с колонки при температуре 65о С (длиннохвостовые молекулы) и при температуре 35о С (короткохвостовые молекулы), характеризующее стабильность мРНК, сотавляло для 1-й группы на основной диете 0,85, для 2-й и 3-й при имбалансе лизина и триптофана значительно меньше – 0,47 и 0,31, соответственно, самая высокая стабильность была в 4-ой группе – 1,04 на скорректированной диете (табл. 13.2).
Разная стабильность отразилась на показателях роста поросят. При имбалансе они росли в несколько раз хуже по сравнению с ростом поросят на скорректированном по всем незаменимым аминокислотам рационе (Рядчиков В. Г. и др. 2013).
13.3. Аминокислоты как сигнальные вещества экспрессии
генов
Регуляция экспрессии генов у животных отличается по ряду аспектов от таковой у бактерии и дрожжей в том, что включает комплекс взаимодействий нервных, гормональных и пищевых факторов. Пищевые сигналы играют важную роль у млекопитающих в регуляции экспрессии генов. Установлено, что значимые (углеводы, жирные кислоты, стеролы) и микроколичества (минеральные вещества и витамины) рационов участвуют в регуляции экспрессии генов. В настоящее время есть все основания рассматривать аминокислоты, как сигнальные вещества, наподобие гормонов, нейропептидов и трансмиттеров. Принцип действия сигнальных веществ состоит в том, что они способны возбуждать рецепторы либо на поверхности клеточных мембран (для гидрофильных веществ), либо в цитозоле или ядре (для гидрофобных веществ). После связывания с рецептором в процесс вступают внутриклеточные медиаторы – вещества, проводящие сигнал от плазмолеммы к специальным регуляторным белкам (протеинкиназам). В качестве посредников выступают такие вещества, как циклические аденозин монофосфат (цАМФ), гуанозинмонофосфат (цГМФ), оксид азота (NO), простагландины, Ras-белок и другие.
Протеинкиназы – это регуляторные ферменты, способные фосфорилировать (за счет фосфатных групп) строго определенные белки по аминокислотным остаткам серина, треонина или тирозина.В регуляторной цепочке, чаще всего, участвует не одна, а каскад из нескольких протеинкиназ. Ключевыми завершающими объектами протеинкиназ являются факторы транскрипции, трансляции и, как следствие, изменение их активности, получение того конечного эффекта через активацию соответствующих мРНК, который требовал от клетки действующий на нее сигнал.
Реакция клеток млекопитающих на аминокислоты заключается в обнаружении их баланса или дефицита и организации ответа на него. Отсутствие или недостаток любой из незаменимых аминокислот ини-
циирует такой каскад сигналов, который вызывает повышение трансляции «мастера регуляции» (активирующего транскрипционного фактора 4-ATF-activating transcription factor4) и одновременно регуляцию многих ступеней в пути от ДНК и РНК к синтезу белка. Эти ступени включают перестройку хроматина, сплайсинг РНК, экспорт ядерной РНК, стабилизацию мРНК и регуляцию трансляции. За последние годы был достигнут значительный прогресс в понимании молекулярных механизмов, путем которых аминокислоты контролируют синтез и обмен мРНК.
Примером повышения транскрипционной активности генов на отсутствие в питательной среде аминокислот является аспарагиновая синтетаза (АснС). Этот фермент катализирует биосинтез аспарагина из аспарагиновой и глютаминовой кислот. При отсутствии в культуральной среде гепатоцитов мыши аспарагиновой кислоты резко увеличивается концентрация АснС мРНК.
Аминокислоты с разветвленными цепями (АКРЦ)-лейцин, изолейцин, валин стимулируют синтез белка в препаратах скелетных мышц с такой же эффективностью, как полная смесь всех аминокислот в условиях in vitro и in vivo. Только один лейцин (в некоторой степени другие аминокислоты, но не заменимые) может стимулировать синтез мускульного белка в течение короткого периода, доказывая, что лейцин действует, как сигнал, а так же, как субстрат. Один сайт, необходимый для действия лейцина в каскаде сигнального пути инсулина, является протеиновая киназа mTOR, которая является мишенью иммуносупрессанта рапамицина у млекопитающих (mTOR-mammalian target of rapamicin). Увеличение концентрации лейцина стимулирует активность mTOR в повышении реакции фосфорилирования ингибиторного белка 4E-BP1, отрывая его от фактора инициации трансляции eIF4E.
Лейцин через mTOR осуществляет активацию группы протеинкиназ. Эти киназы входят в комплекс белков и участвуют в регуляции активации основного фактора инициации трансляции eIF4F.
Внутривенная инъекция голодающим крысам рапамицина (специфический ингибитор mTOR) за 2 часа до инъекции лейцина, приводила к полному предотвращению фосфорилирования 4E-BP1, при этом синтез белка в мускулах снижался в 2 раза по сравнению с контролем (введен лейцин). Лейцин не показал никакого стимулирующего действия при совместной инъекции с рапамицином. Это доказывает, что mTOR необходим для лейцин-зависимой стимуляции инициации трансляции.Включение в безаминокислотный перфузирующий раствор лейцина способствовало двукратному снижению распада РНК печени.
Проверочные вопросы:
-
Какие процессы лежат в основе обновления белка? От каких факторов зависит скорость обновланеия.
-
Влияние аминокислотного питания на стабильность мРНК.
-
Приведите примеры действия аминокислот в качестве сигнальных веществ.
