Регуляторы генов работают по принципу Тома Сойера
Чтобы изменить активность гена, регуляторным белкам вовсе необязательно постоянно на нём находиться, достаточно лишь ненадолго «присесть» на ДНК.
Реализация генетической информации начинается с того, что на молекуле ДНК синтезируется матричная РНК. Потом эта РНК отправится к рибосомам, которые в соответствии с генетическим кодом, переписанным в РНК, начнут синтезировать белок. Понятно, что клетка существует в постоянно меняющихся условиях среды, и сама она меняется со временем, и поэтому ей бывают нужны то одни белки, то другие. Чтобы обеспечить требуемое количество того или иного белка, в клетке существует масса регуляторных механизмов, львиная доля которых работает на этапе транскрипции, то есть во время синтеза РНК. А главными «действующими лицами» тут являются белки, называемые транскрипционными факторами.
Сама по себе транскрипция осуществляется ферментным комплексом, который строит цепь РНК на цепи ДНК согласно правилу комплементарности нуклеотидов. Но для того, чтобы транскрипция началась, она должна получить «отмашку» регуляторной области в ДНК. Эта область действует опять же не сама по себе, а с помощью транскрипционного фактора, который связывается с регуляторной ДНК-последовательностью и тем самым определяет активность транскрипции. Причём белок-регулятор не обязательно стимулирует процесс, он может и подавлять синтез РНК.
Факторов транскрипции существует огромное количество, некоторые из них отличаются узкой специализацией относительно последовательностей в ДНК, другие, наоборот, работают с широким спектром генов, некоторые функционируют поодиночке, некоторые работают в команде с другими белками. Основное событие здесь – взаимодействие белка с ДНК. Но нужно ли при этом, чтобы фактор транскрипции, раз связавшись с регуляторной областью в ДНК, продолжал на ней находиться и продолжал посылать сигнал ферментному РНК-синтезирующему комплексу? На первый взгляд кажется, что именно так и должно происходить, и что если фактор уйдёт с ДНК, то и его регуляторное влияние исчезнет.
Однако, как выяснили исследователи из Нью-Йоркского университета, это не совсем так. Глория Коруцци (Gloria M. Coruzzi) и её коллеги анализировали активность растительных генов, отвечающих за усвоение азотных удобрений. При попытке выяснить, как с ними взаимодействуют транскрипционные факторы, оказалось, что большая часть из них остаётся связанной с ДНК очень недолго, порядка нескольких минут. Но, как сказано в статье в Proceedings of the National Academy of Sciences, регуляторный эффект от них потом не исчезал, хотя самого регуляторного белка на ДНК уже не было.
Авторы работы сравнивают это с известным отрывком в книге о Томе Сойере, где описывается, как Том белил забор своей тётушки. Не желая работать самому, он убеждал своих знакомых и товарищей, что ему выпала исключительно почётная обязанность, которой он предпочёл бы ни с кем не делиться. Но в итоге он якобы смягчался и за некоторое подношение передавал кисть и ведро с извёсткой другому, а сам отправлялся прохлаждаться в тени. Аналогия с транскрипционными факторами очевидна, правда, белки после акта регуляции вовсе не предаются безделью, а устремляются к другому гену, от него – к третьему и т. д. Иными словами, благодаря такому инерционному свойству регуляции, небольшое количество факторов транскрипции может за короткое время активировать сразу несколько генов.
На самом деле, такая модель регуляции транскрипции довольно старая – впервые её предложили ещё в 80-е годы XX века, а потом слегка подзабыли. До сих пор взаимодействия транскрипционных факторов с ДНК изучали методами, которые позволяли обнаружить лишь длительные связи, сохраняющиеся на протяжении, например, получаса. Поэтому кратковременные события, длящиеся от 1-5 минут, выпадали из поля зрения исследователей. Сейчас же удалось найти способ регистрировать сверхкороткие взаимодействия, которые могут длиться доли секунды. Разумеется, эти сведения не только расширяют наши представления об управлении важнейшими клеточными процессами, но и могут подтолкнуть вперёд биотехнологию. Например, те же растения можно «убедить» усваивать больше удобрений, подействовав на вот такие кратковременные ДНК-белковые взаимодействия.
Иллюстрация на заставке Allie Fox-Perez / Flickr.com
