Hox-гени визначають схему тіла тварин. Дуже важливо, щоб вони експресуватися в правильному кількості, в правильному місці і в правильний момент ембріонального розвитку - інакше вся схема тіла порушиться. Виявляється, для цих генів існує особливий вид регуляції трансляції, що дозволяє відокремити один вид білків від всіх інших. На їх мРНК є IRES-подібні ділянки, які можуть запускати трансляцію. При цьому кеп-залежна трансляція для цих білків вимикається.
Нох-гени - важливий об'єкт для вивчення
Hox-гени - велике сімейство генів, що визначають схему будови тіла у багатоклітинних. Вони регулюють розвиток організму - кодують білки, які забезпечують правильне утворення органів і тканин [1]. Складно переоцінити їх поширення, тому що вони є мало не у всіх багатоклітинних. Вони контролюють розвиток і у хребетних, в тому числі у людини [1]. Під їх впливом знаходиться формування як крил мух, так і ребер ссавців [2]. Навіть квітки у рослин з'являються завдяки білкам, закодованим в цих генах [3]. Таким чином, робота Hox-генів визначає схему будови тіла.
Однак, механізм регуляції експресії самих Нох-генів залишається незрозумілим. Ясно тільки, що цей процес дуже складний і багатостадійний, в ньому беруть участь не кодують РНК [4]. Також важлива структура хроматину в місці розташування Нох-генів на ДНК [4]. Самі гени розташовуються на хромосомах по порядку, тому сувора, послідовна їх активація необхідна для того, щоб тіло сформувалося правильно.
Нещодавно вчені виявили ще один етап регуляції - безпосередньо перед початком синтезу закодованих в Нох-генах білків (під час ініціації трансляції) [5].
Ініціація трансляції буває різна
Отже, генетичний матеріал клітини закодований в ДНК. З ДНК зчитується певний вид РНК, а з РНК - білок. Такий вид РНК називається матричної РНК, у еукаріот він має певну будову [6]. Це лінійна молекула, відповідно, у неї є 2 кінця, які називаються 5'і 3'-кінці. На 5'-кінці є особлива структура - кеп. Вона необхідна для початку синтезу білка на матриці РНК, оскільки привертає фабрику білка - рибосому.
Так відбувається у нас, але не у вірусів. Точніше, не у всіх вірусів. У деяких є інші структури в РНК, які ініціюють синтез білка - IRES. Так ось виявляється, що в РНК ссавців інколи виявляють структури, схожі на IRES вірусів. При цьому кеп теж присутня. Виходить РНК з двома сигналами залучення рибосоми. Це цікаве явище часто має важливий біологічний сенс. Наприклад, при стресі кеп-залежна ініціація трансляції пригнічена [7, 8]. Але деякі білки повинні синтезуватися і при стресі. Ось тоді клітина і використовує IRES. А як працює така змішана система в нормальних, чи не шокових умовах - велика загадка. Клітинні IRES не схожі один на одного [9]. їх роль в розвитку організму не ясна. Знайти відповідь на це питання спробували вчені, які вивчають регуляцію Нох-генів [10].
У мРНК Hox-генів є IRES вірусів?
Цікаво, що в мРНК деяких Нох-генів припускають наявність IRES. Причому саме IRES привертає рибосому і запускає синтез білків. Вже наведені перші експериментальні докази на користь цієї гіпотези [10]. Також вчені відкрили ще один спеціальний регуляторний елемент - translation inhibitory element (TIE), який блокує кеп-залежний синтез білка [11]. Поява блокуючого елемента пояснює, чому при наявності і кеп-структури. і IRES працює тільки IRES.
Чому IRES краще, ніж кеп?
Важливість того ділянки РНК, де знаходиться передбачуваний IRES, в даному випадку підтвердили експериментально. Показали, що якщо піддати мутації один з Нох-генів мишей. видаливши IRES, то миша буде розвиватися ненормально (див. малюнок 1).
Малюнок 1. Патології в розвитку скелета мишей з делеціями в 5'-нетрансльовані області в одному з Hox-генів - Ноха9. Вчені вивели лінію мишей, у яких пошкоджений IRES в одному з Нох-генів. Такі миші розвиваються ненормально. У них порушується будова скелета: наприклад, не вистачає ребер (на яких бракує ребра вказують чорні стрілки). Також спостерігаються і інші патології. Картинка з [11].
Припускають, що для дуже важливих білків, які закодовані в Нох-генах. IRES краще, ніж кеп. Це може бути пов'язано з тим, що кеп-структура у всіх мРНК однакова. А IRES різні. Тобто до білків, які визначають будову тіла, потрібен індивідуальний підхід. Навіть початок синтезу є важливим етапом регуляції і має бути унікальним для кожного такого білка.
Словник термінів:
- IRES (Internal Ribosome Entry Site) - ділянка внутрішньої посадки рибосоми.
- Hox-гени - сімейство генів, які кодують транскрипційні фактори, що регулюють формування органів і тканин в ході розвитку організму.
- Делеция - видалення фрагмента молекули ДНК.
- Кеп - 7-метілгуанозін - структура на 5'-кінці матричних РНК.
- Рибосома - комплекс, що складається з РНК і білків і службовець для синтезу білка з амінокислот по заданій матриці на основі генетичної інформації, що надається матричної РНК (мРНК).
- Трансляція - синтез білка на матриці РНК.
- Хромосома - структура, що складається з ДНК і білків, що знаходиться в ядрі еукаріотичної клітини. Призначена для зберігання, реалізації і передачі генетичної інформації.
- Еукаріоти - живі організми, клітини яких містять ядра.