Меклер Л.Б., Идлис Р.Г.
Москва 1981
Принципы
В основе вывода данного кода лежат следующие три положения (принципа).
1. Принцип линейного узнавания. Этот принцип определяет закономерности узнавания друг другом биологических полипептидов и каждым из них кодирующих их генов. Согласно данному принципу, узнающие друг друга участки трехмерных молекул биологически полипептидов, например, их антигенные детерминанты и активные центры специфичных по отношению к соответствующим антигенным детерминантам антител, представляет собой линейные олигопептиды, состоящие из пяти–десяти аминокислотных остатков, каждый из которых узнает соответствующий аминокислотный остаток другого пента–декапептида, ибо комплементарен ему, и образует с ним достаточно прочный комплекс (рис. 1). В свою очередь, узнающие друг друга участки трехмерных молекул полипептидов, с одной стороны, и кодирующих их генов, с другой, также представляют собой линейные одноцепочечные структуры, заданные строением гена (его нуклеотидной последовательностью), т.е. сегменты молекулы данного полипептида длиной 5–10 аминокислотных остатков, с одной стороны, и соответствующие им по длине нуклеотидные последовательности, с другой, из расчета 1 триплет на 1 аминокислотный остаток.
Первая часть данного принципа была сформулирована в статьях [31, 32] в результате анализа особенностей строения антигенных детерминантов полисахаридов (антигенные детерминанты полисахаридов – всегда линейные структуры (см., например [39, 40])),и ряда физико-химических соображений, касающихся возможности стерической комплементарности между боковыми остатками соответствующих пар аминокислотных остатков биологических полипептидов. Результаты прямого определения строения антигенных детерминантов столь различающихся по функции белков, как миоглобины, гемоглобины, лизоцим белка куриного яйца, цитохром с, альбумин сыворотки крови, гистоны, выделенные из организмов столь далеких друг от друга в эволюционном отношении как птицы и различные виды млекопитающих – от китов до человека – однозначно показали, что антигенные детерминанты этих белков, действительно, представляют собой линейные олигопептиды длиной 5–7 или 10–12 .аминокислотных остатков, связанных друг с другом либо только пептидными связями, либо кроме пептидных, дисульфидными связями, ковалентно соединяющими друг с другом соответствующие олигопептиды [39–49]. На примере системы лизоцим – антитела к лизоциму также показано, что можно синтезировать олигопептиды длиной 6–7 аминокислотных остатков – имитаторы активных центров соответствующих антител, – не отличающиеся от этих антител ни по специфичности, ни по активности связывания соответствующих антигенов. Поскольку взаимодействие между данными белками есть не что иное и ни что иное как частный случай общего процесса – узнавания и связывания друг с другом двух различных белков – можно полагать, что принцип линейного узнавания, действительно, имеет общебиологический характер.
2. Принцип перекрестной стереокомплементарности
12 лет тому назад, при изучении размножения вируса Сендай – одного из парамиксовирусов – неожиданно было обнаружено, что белок его нуклеопротеида синтезируется при трансляции не вирионной РНК, а комплементарной ей РНК – мРНК вируса [33, 50]. Впоследствии результаты многих исследований (см., например [51, 52]) показали, что эта особенность – свойство многих РНК-содержащих вирусов, названных поэтому минус-нить вирусами.
Способность немодифицированного полипептида, кодируемого РНК вириона, специфически связываться не с той нитью РНК, при трансляции которой он синтезируется, а с комплементарной ей, не может быть случайностью. Поэтому данный феномен был интерпретирован как проявление общей закономерности, лежащей в основе узнавания любым полипептидом кодирующего его полинуклеотида. На этой основе постулируется, что синтезируемые в клетках и немодифицированные полипептиды (т.е. полипептиды, к которым не присоединены какие-либо простетические группы и длина которых не изменена), специфически комплексируются только с полинуклеотидом, комплементарным РНК, при трансляции которой данный полипептид синтезировался, и утверждается, что это означает, что имеет место стереокомплементарность между трехмерными молекулами соответствующих полипептидов и полинуклеотидов, в основе которой лежит комплементарность между нуклеотидными остатками полинуклеотидных цепей, детерминированная генетическим кодом и проявляющаяся при перекрестной реакции соответствующих полимеров, почему и имеет смысл назвать этот принцип принципом перекрестной стереокомплементарности [33–35, 37, 38].
Ясно, что если комплементарным полинуклеотидом является не РНК, ДНК, то возникает ситуация, при которой немодифицированный полипептид, синтезированный в результате трансляции РНК, комплементарной данной ДНК, будет связываться с кодирующей его ДНК, т.е. будет репрессором собственного гена. Поэтому данный принцип можно и сформулировать по-иному: каждый немодифицированный биологический полипептид – репрессор кодирующего его гена.
Именно данный феномен и обнаружил независимо Р.Голдбергер [53], исследуя механизмы регуляции транскрипции генов бактерий, не поддававшихся объяснению с позиций теории Жакоба и Моно. Голдбергер назвал этот тип регуляции транскрипции аутогенной регуляцией выражения гена [53]. Вскоре было обнаружено, что по принципу ауторегуляции работают гены, кодирующие самые различные по функции белки самых различных по положению на эволюционной лестнице видов прокариотов и эукариотов, а также их вирусов – белки системы синтеза гистидина, изолейцина, валина, триптофана и аргинина, гены ДНК полимеразы, РНК полимеразы, пируватдегидрогеназы, дигидрофосфатредуктазы, треониндезиминазы, нитратредуктазы, псевдохолинэстеразы, глобина, ранних белков вируса SV 40, аденовирусов, фагов l , Т4, 0X174 и многих других белков (см., например, обзоры [53–55] и статьи, цитированные в [35] на стр. 461). Понимание механизма реализации этого принципа с позиций данной концепции демонстрирует рис. 2 и результаты, полученные при построении комплекса репрессора cro фага l с регуляторным участком ранней области его генома, описанные ниже.
Резюмируя результаты этих исследований, можно с полным основанием утверждать, что принцип перекрестной стереокомплементарности проявляется в столь далеких друг от друга в эволюционном отношении организмах, как прокариоты, низшие и высшие эукариоты, вирусы растений, бактерий и животных. Этот факт свидетельствует о том, что данный принцип, действительно, отражает то фундаментальное свойство полипептидов и кодирующих их полинуклеотидов, которое лежит в основе их взаимного узнавания. Ясно, однако, что, исходя только из принципа перекрестной стереокомплементарности, нельзя ответить на вопрос, какие именно аминокислотные остатки трехмерной молекулы биологического полипептида узнают кодирующий его ген и какие именно триплеты данного гена являются мишенями, узнаваемыми кодируемым этим геном полипептидов. Ответ на первый вопрос дает рис. 2, и справедливость этого ответа демонстрируют результаты построения трехмерных молекул полипептидов согласно данному коду. Ответ на второй – дает третье положение (принцип), лежащее в основе данного кода.
Принцип антикодон – аминокислотного узнавания
Поскольку принцип перекрестной стереокомплементарности не определяет ни верхней, ни нижней границы размеров узнающих друг друга биологических полипетидов и полинуклеотидов, формально ему должно подчиняться и узнавание друг другом и их элементарных смысловых блоков. А это означает, что аминокислотные остатки полипептидов должны узнавать и связываться с соответствующими антикодонными триплетами полинуклеотидов.
Идея о наличии стереокомплементарности между аминокислотами и антикодонами давно обслуживается в литературе [56–59, 108, 109]. Наиболее убедительно наличие стереокомплементарности между аминокислотами и антикодонами демонстрируют молекулярные модели, недавно построенные Г.Мелчером [59, 60]. Проведен и ряд экспериментов, результаты которых также свидетельствуют в пользу наличия такой стереокомплементарности. Обзор этих данных дан в статье [35].
Следует, однако, подчеркнуть, что взаимодействия между аминокислотами и триплетами–антикодонами хотя и сходны, но не идентичны взаимодействиям между аминокислотными остатками полипептидов и соответствующими триплетными остатками полинуклеотидов, ибо в этом случае в образовании соответствующих комплексов могут принимать группы атомов, входящих в состав полипептидного и сахарофосфатного остовов, соответственно. Это различие, вероятно, и объясняет отсутствие однозначности результатов экспериментов, направленных на обнаружение способности аминокислот связываться с соответствующими триплетами–антикодонами (см. [35]).
Ряд данных, необходимых для вывода принципа антикодон– аминокислотного узнавания, можно получить и анализируя результаты, полученные при изучении иммунохимии и иммунологии РНК, ДНК и их компонентов с позиций принципа линейного узнавания. Детально этот вопрос рассматривается в следующих статьях этого цикла. Здесь же отметим лишь то обстоятельство, что наиболее эффективными конкурентами с молекулами ДНК за анти-ДНК-антитела являются тринуклеотиды, тетрануклеотиды, пента-, гекса-, и гепта-нуклеотиды (активность возрастает в указанном порядке), а динуклеотиды и мононуклеотиды, напротив, слабые ингибиторы реакций ДНК – анти-ДНК-антитела [61]. Имея в виду, что элементарными единицами активного центра любого антитела, узнающими элементарные единицы любого антигенного детерминанта, являются единичные аминокислотные остатки, мы неизбежно приходим к выводу, что каждый аминокислотный остаток активного центра анти-ДНК-антитела узнает какой-то тринуклеотид, которому он комплементарен.
Полагая, что все сказанное выше свидетельствует о реальности сформулированных трех принципов, покажем, как, исходя из этих принципов и результатов иммунологических экспериментов, упоминавшихся выше и излагаемых ниже, можно вывести код, определяющий узнавание друг другом аминокислотных остатков биологических полипептидов.
Титульный лист | Физико-химическая биология | Меклер
