РНК как репрессор.
Первичным продуктом гена-регулятора, как и всякого другого гена, является, вероятно, молекула РНК. Возможно, что она сама и есть репрессор. В пользу этого предположения свидетельствуют данные [23] о возможности образования репрессора р- галактозидазы в присутствии ингибиторов белкового синтеза — хлорамфеникола и 5-метилтриптофана. Такой механизм требует соответствия между последовательностями оснований в гене-регуляторе и в регулируемых генах. Рассмотрим две возможности: 1) репрессором служит молекула РНК какой-то определенной величины (например, 20 или более нуклеотидов); 2) репрессором служит какой-то олигонуклеотид. В первом случае соединение с геном, подвергающимся репрессии, может произойти путем гибридизации, и необходимости в ферментативном катализе не возникает; требования специфичности легко удовлетворяются, поскольку мало шансов, что данная последовательность из 20 нуклеотидов встретится в цепочке из 5*107 нуклеотидных пар дважды (для того чтобы вероятность хотя бы двукратного повторения определенной последовательности в такой цепочке превысила 50%, следовало бы ограничиться 13 парами нуклеотидов). Отсюда вытекает необходимость либо свертывания, либо дупликации в процессе эволюции цепочки нуклеиновых кислот, так как в рамках данной гипотезы вероятность случайного повторения достаточно большого числа пар регулятор — оператор значительно меньше 10-50.
Предположим теперь, что репрессором служит какой-то олигонуклеотид. Наименьшее число нуклеотидов, требующееся для создания достаточного разнообразия, зависит от числа репрессируемых генов. Оценка показывает, что это число у Е. coli не меньше 100 и, вероятно, не больше 1000. Но из четырех нуклеотидов можно образовать 256 различных последовательностей, из пяти— 1024 и из шести — 4096. Отсюда следует, что в принципе короткая последовательность, т. е. малая часть молекулы РНК, достаточна для обеспечения специфических реакций со всеми встречающимися операторами. Этот механизм не накладывает никаких ограничений на генезис цепочки ДНК: можно ожидать, что в последовательности из 5-107 нуклеотидов каждый заданный тетрануклеотид встретится 2 * 105 раз, а каждый гексануклеотид — 104 раз. Вместе с тем такой механизм накладывает строгие ограничения на дифференциацию между операторами и другими участками генома, поскольку в противном случае олигонуклеотид образовывал бы почти исключительно нефункциональные гибриды; кроме того, для
получения высокой специфичности необходимо, чтобы гибридизация короткой последовательности происходила при помощи ферментов.
Предположение, что молекула репрессора — это олигонуклеотид, накладывает жесткие ограничения на структуры, окружающие цепочку ДНК в клетке; предположение, что молекула репрессора — это длинная молекула РНК, накладывает ограничения на процесс эволюции цепочки ДНК. В обоих случаях для того, чтобы объяснить, почему возникает специфическая реакция с индуктором или корепрессором, требуется предположение о наличии дополнительного агента, так как, насколько нам известно, молекулы нуклеиновой кислоты вступают в специфическую реакцию только с другими нуклеиновыми кислотами. Естественно считать, что таким агентом служит какой-то белок-фермент. Тогда требуется наличие А ферментов (100<A< 1000), каждый из которых распознает индуктор или корепрессор или их обоих, с одной стороны, и полинуклеотид — с другой. Известно, что ферменты, обладающие такой двойной специфичностью, действительно существуют; таковы, например, активирующие ферменты. Однако между активацией и репрессией имеется некоторое различие. Активирующий фермент должен правильно соединять одну из 18 (или большего числа) аминокислот с одним из 18 (или большего числа) классов РНК, т. е. должен выбирать одну пару из 324—500 возможных; что касается нуклеотидов, то это требует распознавания триплета, имеющего, вероятно, достаточную избыточность, чтобы он мог быть почти [26] или полностью [27] сведен к дуплету. Для осуществления репрессии фермент должен выбирать одну пару из 104—10б возможных пар и при этом распознавать последовательность из 4—6 нуклеотидов. Здесь требуется специфичность, превышающая ту, которой обладают все известные ферменты. Мы рассматривали эту проблему пока только в рамках теории эволюции.
Пэйджен [22] предположил, что и информационная РНК, и репрессорная РНК (или «цензор») служат матрицами в синтезе белка и что определяемые ими белки взаимодействуют как с некоторыми субстратами, так и с самими матрицами. Хотя это и возможно, но, учиты
вая природу механизма кодирования, нельзя указать причину, по которой белок, уже покинувший свою рибосому, будет вступать в реакцию со своей матричной РНК легче, чем с любой другой РНК. Поэтому попытаемся выяснить возможность того, что данный фермент в силу случайности несет какой-то набор аминокислот, позволяющий ему вступать в реакцию именно с той РНК, которая служила для него матрицей. Пусть вероятность этого равна произведению р на число таких наборов, приходящихся на одну молекулу; можно считать, что она лежит между. Если рассматриваемая
нами система содержит несколько ферментов, обладающих требуемой для данного субстрата специфичностью, то только один из них должен вступать в реакцию также и со своей матрицей, а их общее число может колебаться от 1 до 10; тогда вероятность того, что по крайней мере один из таких ферментов сможет распознать свою матрицу, будет лежать между
Но в системе, содержащей от 100 до 1000 репрессируемых генов, должно присутствовать такое же число ферментов с требуемой двойной функцией. Это значит, что для каждой полной системы ферментов (в указанном выше смысле осуществления А функций) вероятность того, что она содержит ферменты, необходимые для реакций с РНК-репрессором, с индукторами и с ко- репрессорами, лежит междуЭту вероятность
следует уменьшить еще примерно на три порядка, так как, помимо распознавания надлежащих субстратов, ферменты должны также активировать или дезактивировать данную РНК (природа реакции зависит от того, является ли вторая участвующая в реакции молекула индуктором или корепрессором). Окончательно вероятность случайного возникновения имеет порядок— ; эта вероятность мала, но событие, о котором идет речь, не вполне невозможно. Оценка вероятности полноты системы ферментов дала значение, лежащее между 1 и, и, следовательно, произведение обеих этих вероятностей попадает в диапазонКак уже
указывалось выше, вероятности, превосходящие нельзя считать совершенно пренебрежимыми.
Белок как репрессор. Поскольку посредником между цитоплазмой и системой нуклеиновых кислот должен служить какой-либо фермент, следует задаться вопросом, не может ли сам этот фермент выступать в роли репрессора. Ген-регулятор мог бы создавать информационную РНК, служащую матрицей для фермента, который обладает следующими свойствами: если он образует комплекс с корепрессором или активируется им, то он вступает в реакцию с геном-оператором и блокирует активность последнего; реакция с индуктором инактивирует фермент и, таким образом, препятствует блокированию гена-оператора. Это означало бы, что репрессор следует считать аллостерическим белком [20]. Трудности, связанные с информацией, остаются прежними.
В качестве доказательства белковой природы репрессора были представлены следующие генетические аргументы [9]. Пусть— мутации у Jв резуль
тате которых щелочная фосфатаза превращается из ин- дуцибельного фермента в конститутивный. Эти мутации затрагивают гены-регуляторы. Обе они блокируются супрессорной мутациейт. е. при наличиищелочная
фосфатаза снова делается индуцибельным ферментом, несмотря на присутствие мутантных геновЛокусудален от локусовСупрессорная мута
цияподавляет и другие мутации [1, 10], причем способ подавления, по-видимому, указывает, что мутация
воздействует на механизмы кодирования синтеза белков и делает возможным этот синтез в некоторых случаях, когда он был блокирован той или иной мутацией. Поскольку мутация а« обеспечивает синтез белка в некоторых случаях, когда он невозможен из-за какой-то другой мутации, и поскольку она восстанавливает регуляцию, нарушенную мутациямиотсюда делают
вывод, что агентом регуляции должен служить белок.
Супрессия под действием РНК как результат синтеза белка. Репрессор может образовываться, когда синтез белка блокирован; отсюда делается вывод, что роль репрессора играет нуклеиновая кислота. Репрессия возобновляется у мутантов, утративших способность к репрессии, если у них произойдет супрессорная мутация, восстанавливающая утраченную способность синтезиро-
вать белок; из этого, очевидно, следует, что репрессором служит белок. Ни одно из этих заключений не обосновано в достаточной степени (и не претендует на это), и оба приводят к трудностям, связанным с организацией; действительно, в данном случае требуется большое число аллостерических белков со строгой специфичностью в отношении определенной последовательности нуклеотидов и в отношении еще одной молекулы, причем требуемая специфичность должна быть выше, чем во всех других известных случаях. Ранее предложенная модель [24] обходит эти трудности следующим образом. Предполагается, что ген-регулятор создает информационную РНК, которая благодаря соответствию последовательности оснований может соединяться либо с геном-оператором, либо со структурным геном, либо с продуцируемой им РНК и таким образом осуществлять репрессию. Информационная РНК может также присоединяться к рибосоме и вызывать синтез белка. Этот белок должен обладать способностью вступать в реакцию с индуктором и репрессором до того, как он покинет рибосому; реакция с корепрессором сопровождается освобождением РНК (возможно, в результате отторжения синтезированного белка), а реакция с индуктором ведет к реакции, аналогичной взаимодействию с антиметаболитом, что вызывает блокирование всей структуры. Им- мобилизованная таким образом РНК в конечном счете подвергается гидролизу. Предлагаемый механизм позволяет объяснить следующие известные факты:
1. Генетическая ДНК продуцирует при надлежащих условиях информационную РНК, если только она специфически не блокирована.
2. РНК, продуцированная геном-регулятором, может выполнять различные функции; одной из таких функций является образование гибридного комплекса с оператором или структурным геном (что блокирует синтез РНК) или же с информационной РНК (что блокирует функцию этой последней) [33].
3. Между РНК, служащей репрессором, и ингибируемой ДНК или информационной РНК существует равновесие ассоциация — диссоциация; поэтому активность гена падает с увеличением количества репрессорной
РНК и, наоборот, увеличивается с уменьшением его количества.
4. Количество репрессорной РНК при постоянной скорости ее образования (можно представить себе, что сама эта скорость регулируется другими генами) определяется подвижным равновесием ассоциация — диссоциация и скоростью гидролиза свободной РНК, но главным образом — судьбой репрессорной РНК, связанной в рибосоме: если она иммобилизована индуктором, то количество свободной РНК уменьшается, а если доминирует действие корепрессора, то это количество увеличивается.
5. Обнаружение того, что репрессор может образовываться в отсутствие синтеза белка, должно указывать, что в этом случае репрессорная РНК не связана с рибосомой или что ее освобождение из рибосомы происходит без синтеза белка.
6. Возобновление репрессии (утраченной в результате ^-мутаций) под действием супрессорной мутации 5« можно интерпретировать следующим образом. Репрессорная РНК, образованная мутантным геном, присоединяется к рибосоме и начинает синтез белка, но не может закончить его, так как эта РНК «застревает» на рибосоме, как было бы в присутствии индуктора; эффект мутации яп сводится к тому, чтобы обеспечить продолжение синтеза белка и тем самым восстановить нормальную ситуацию.
В этой модели молекулам приписывается только их обычное поведение: нуклеиновая кислота взаимодействует с другой нуклеиновой кислотой, а белок взаимодействует с субстратом; трудное звено между белком и РНК заменяется неспецифическим механическим звеном, не требующим передачи информации. Предполагается, что между репрессорной и информационной РНК нет существенного различия, хотя некоторые гены могут быть специализированными, т. е. могут продуцировать РНК, наиболее приспособленную к одной или к другой функции.
Можно задать вопрос, почему г-РНК не блокирует ген-регулятор и почему сама /п-РНК не блокирует структурный ген? Такие действия вполне возможны; в этом
случае эффективность образования РНК зависела бьют относительных скоростей ассоциации и диссоциации между РНК и генетической ДНК, с одной стороны, и между /п-РНК или г-РНК и рибосомами — с другой. Субстрат данного фермента мог бы действовать как ко- репрессор и блокировать дальнейшее образование — нечто вроде обратной связи навыворот («вперед», а не «обратно»), которая могла бы осуществлять эффективный контроль.
Молекулаиз общего фонда мо
жет принять участие в одном из следующих трех процессов: она может присоединиться к рибосоме — вероятность этого обозначим через _ __ она может распасться; она может ассоциироваться с ДНК — вероятность этого обозначим через. Оценим значение ря следующим образом. Пусть X — число молекул синтезируемого белка, приходящихся на одну молекулу;
допустим, что после каждого акта белкового синтеза т- РНК отделяется от рибосомы; допустим также, что вероятностью распада той РНК, которая связана с рибосомой, можно пренебречь. Тогда для ожидаемого значения X получим
В фазе экспоненциального роста . . _ . величина X составляет примерно 5—10; следовательно,лежит в интервале 0,83—0,91. В ретикулоцитах, где X велико, рн должно быть весьма близко к 1. Это выполняется при условии справедливости гипотезы об отделении РНК от рибосомы после синтеза белка. (В ретикулоцитах, насколько нам известно, нет никакого пути для замены утраченнойразумеется, ретикулоцит может пе
рестать вырабатывать гемоглобин, когда имеющийся в нем запасокажется исчерпанным.)
Пусть равно отношению произведения числа
имеющихся эффективных рибосом на константу реакции к произведению эфективного числа имеющихся участков ДНК на константу реакции.
Число таких участков ДНК может равняться единице, двум или вообще малому числу; число рибосом в клетке Е. coli примерно равно 105; число эффективных рибосом составляет, вероятно, 102—104. Отсюда можно заключить, что pD примерно равно 0,01. Если на одну молекулу РНК, соединяющуюся с ДНК, приходится 90 молекул РНК, присоединяющихся к рибосомам, и если время их перемещения мало по сравнению с периодом, в течение которого они находятся в связанном состоянии, то, согласно схеме динамической репрессии — дерепрессии, на каждую молекулу РНК, связанную с ДНК, придется около 90 молекул, присоединенных к рибосомам. Это означает, что от 50 до 150 рибосом могут принимать участие в процессе репрессии для каждого генного локуса, поддающегося репрессии. Число репрессируемых локусов может равняться 100—1000, откуда следует, что в клетке Е. coli число рибосом, связанных в процессе динамической репрессии, может составлять 5000—150 000. Поскольку в клетке Е. coli насчитывается всего около 105 рибосом, ясно, что весьма значительная часть общего их числа может оказаться связанной в процессе динамической репрессии; это совместимо с тем, что лишь малая доля рибосом (1 —10%) проявляет активность в белковом синтезе.
Высшие организмы содержат значительно больше генов, поддающихся репрессии, и, поскольку некоторые процессы репрессии при дифференцировке приобретают необратимый характер, наличие механизма динамической репрессии—дерепрессии у этих организмов значительно менее вероятно, так как он связывал бы слишком большое число рибосом. Кроме того, рассмотренный механизм действует в цитоплазме, тогда как у высших организмов гены сосредоточены в ядре.
Описанная выше модель совместима с представлением Зубея [35], согласно которому увеличение количества антител после антигенной стимуляции связано с дерепрессией. Зубей постулирует, что антитело действует
как репрессор того гена, который определяет специфич- ность антитела; репрессор удаляется в результате соединения с антигеном, вследствие чего и оказывается возможным усиленное образование антител. Для увязки этого представления с нашей моделью приходится постулировать только, что антитело действует как корепрес- сор того гена, который определяет его специфичность; при этом высвобождается информационная РНК, которая воссоединяется с геном, в результате чего, как описано выше, происходит самоблокирование. Соединяясь с антителом в процессе образования, антиген иммобилизует комплекс, содержащий информационную РНК, и таким образом действует как индуктор.
Координированная функция гена. Какой либо ген I может воздействовать на другой ген II на разных уровнях: 1) 1-РНК, образуемая геном I, может либо ингибировать образование информационной П-РНК путем ассоциации с П-ДНК, либо блокировать синтез белка путем ассоциирования с самой информационной П-РНК; 2) 1-белок, определяемый 1-РНК, может либо устранять, либо образовывать субстрат для П-белка; 3) продукт 1-белка может действовать либо как индуктор или коре- прессор гена И, либо как ингибитор Н-белка. Какой-нибудь третий ген III может влиять на ген II косвенным образом, воздействуя непосредственно на ген I (фиг. 12).
Таким образом, взаимный контроль в системе генов может осуществляться путем использования одной лишь активности примитивной нуклеиновой кислоты, без прямой передачи от внешнего мира, иными словами — без учета влияния этой активности на белки. Единственное условие для этого заключается в следующем: некоторые пары генов, взаимодействующие путем ассоциации нитей, должны образовывать ферменты, связанные друг с другом так, чтобы субстрат одного соответствовал индуктору или корепрессору другого. При обычных условиях субстрат какого-либо фермента сходен с его индуктором, а корепрессор — с продуктом соответствующей ферментативной реакции. Отсюда следует только, что сходные по структуре нуклеиновые кислоты определяют образование функциональнее близких ферментов, во всяком случае, настолько часто, что может развиться си
стема контроля, основанного на репрессии — дерепрессии. Предположение о том, что сходные РНК могут определять образование ферментов со сходными функциями, не противоречит ранее сделанному утверждению о незначительности или полном отсутствии специфического физического подобия между каким-либо ферментом и его матрицей.
Гены взаимодействуют благодаря соответствию последовательностей оснований. Так как мы не знаем, насколько полным должно быть это соответствие, нельзя сказать, является ли оно случайным. Мы неоднократно поднимали этот вопрос и каждый раз приходили к заключению, что соответствие в геноме возникло, возможно, в процессе эволюции при наличии механизмов репликации и свертывания.
Еще одно обстоятельство, относящееся на этот раз к белкам, увеличивает правдоподобие высказанного пред
положения. Ингибирование конечным продуктом типично для ферментных систем, и считается, что оно имеет в основном аллостерический характер, т. е. определяется двумя различными активными центрами в молекуле [20]. Это значит, что из 5—10 ферментов один должен содержать два активных центра с родственной, хотя и различной специфичностью. Вероятность наличия какого- либо определенного активного центра в дополнение к уже имеющемуся равна произведению (3 на число пригодных наборов аминокислот в молекуле белка, что составляет, скажем, около 15- 10~4; вероятность наличия по крайней мере одной такой комбинации в 10 возможных ферментных системах равна примерно 1,5-10-2, а вероятность такого .расположения в каждой из примерно 100 ферментных систем равна 1,5- 10~4 или еще меньше. Эта величина вероятности еще приемлема, но объяснение функциональной связи между ферментами на основе структурных связей между последовательностями оснований представляется более привлекательным.
Если современная система нуклеиновых кислот развилась путем слияния цепочек, удвоения и последующего увеличения разнообразия в результате замены оснований [8], то история такого развития должна находить свое отражение в частичном повторении последовательностей аминокислот внутри молекулы одного белка и в молекулах разных белков. Это, действительно, нередко наблюдается [16].
При обсуждении вопроса о возникновении системы функций возникновение рибосомного аппарата постулировалось и не делалось никаких попыток объяснить его. Аналогичное допущение было неявно сделано и при обсуждении вопроса о возникновении организованной системы функций, иными словами — о возникновении клеточной оболочки. Динамическое управление системой, насчитывающей, как было сказано, около 104 генов и 105 рибосом, возможно только в том случае, если вся система сосредоточена в малом объеме, ограниченном какой-либо оболочкой. Предельные размеры системы определяются временем, затрачиваемым молекулой РНК на поиски молекулы ДНК, с которой она может соединиться. Отсюда следует, что большое разнообразие, наблюдаемое в настоящее время, вместе с наличием динамического контроля должно было появиться уже после того, как система оказалась заключенной в оболочку.
ЛИТЕРАТУРА
1. Benser S., С h a m р е S. D., A change From nonsense to sense in the genetic code, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S., 48, 1114—1121
(1962) .
2. В r u i с e T. C., Intramolecular catalysis and the mechanism of chymotrypsin action, Brookhaven Symp. Biol., 15, 52—84 (1962).
3. C a v a 1 i e r i L. F., Rosenberg В. H., The replication of DNA, Biophys. J„ 1, 317—352 (1961).
4. Crick F. H. C., On protein synthesis, Symp. Soc. Exptl. Biol., 12, 138—163 (1958).
5. D a n с о f f S. M., Q u a s 11 e r H„ The information content and error rate of living things. In: Information Theory in Biology (iT. Quastler, ed.), Univ. Illinois Press, Urbana, pp. 263—273, 1953.
6. Erspamer V., Anastasi A., Structure and pharmacological actions of eledoisin, the active endecapeptide of the posterior salivary glands of eledone, Experientia, 18, 58—59 (1962).
7. F о x S., How did life begin? Science, 132, 200—208 (1960).
8. F r e e s e E. E., On the evolution of the base composition of DNA, J. Theoret. Biol., 3, 82—101 (1962).
9. G a r e n A., G a r e n S., Genetic evidence on the nature of the repressor for alkaline phosphatase in E. coli, J. Mol. Biol., 6, 433—438 (1963).
10. G a r e n A., S i d d i q i O., Suppression of mutations in the alkaline phosphatase structural cistron of E. coli, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S„ 48, 1121—1127 (1962).
11. Hartley B. S., On the structure of chymotrypsin, Brookhaven Symp. Biol., 15, 85—100 (1962).
12. J a c о b F., Monod J., Telenomic mechanisms in cellular metabolism, growth, and differentiation, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., 28, 398—401 (1961).
13. К о s h 1 a n d D. E„ Jr., The comparison of nonenzymatic and enzymatic reaction velocities, J. Theoret. Biol., 2, 75—86 (1962).
14. К о s h 1 a n d D. E., Jr., Biological specificity in proteinsmall molecule interactions. In: Proc. 1st Intern. Pharmacol. Mtg., Perga- mon Press, N. Y„ 7, 161-191 (1963).
15. Koshland D. E., Jr., Strumeyer D. H„ Ray W. J., Jr., Amino acids involved in the action of chymotrypsin, Brookhaven Symp. Biol., 15, 101—133 (1962).
16. L a n n i F., Analysis of sequence patterns in ribonuclease III: Variable-span pair-order analysis, J. Theoret. Biol., 4, 1—27
(1963) .
17. Lins chit z H., The information content of a bacterial cell. In: Information Theory in Biology (H. Quastler, ed.), Univ, Illinois Press, Urbana, pp. 251—262, 1953,
18. McClintock B., Some parallels between gene control systems in maize and in bacteria, Am. Naturalist, 95, 265—277 (1961).
19. Miller S. L., Urey H. C., Organic compound synthesis on the primitive earth, Science, 130, 245—251 (1959).
20. Monod J., Changeux P., Jacob F., Allosteric proteins and cellular control systems, J. Mol. Biol., 6, 306—329 (1963).
21. Morowitz H. J., Some disorder-order considerations in living systems, Bull. Math. Biophys., 17, 81—87 (1955).
22. P a i g e n K., On the regulation of DNA transcription, J. Theoret. Biol., 3, 268—282 (1962).
23. Pardee A. B., P r e s t i d g e L. S., On the nature of the repressor of fi-galactosidase synthesis in Escherichia coli, Biochem. Biophys. Acta, 36, 545 (1959).
24. Q u a s 11 e r H., Chemical communication systems in the cell, Trans. N. Y. Acad. Sci., 25, 382—395 (1963).
25. Quastler H., General principles of systems analysis. In: Theoretical and Mathematical Biology (T. H. Waterman and H. J. Morowitz, eds.), Blaisdell, N. Y., 1964.
26. Q u a s 11 e r H., Zubay G., An RNA-protein code based on replacement data. If. Adjustment and extension, J. Theoret. Biol., 3, 496—502 (1962).
27. Roberts R. B., Alternative codes and templates, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S„ 48, 897—900 (1962).
. 28. Schachman H. K., Adler J., R a d d i n g C. M., Lehman I. R., K o r n b e r g A., Enzymatic synthesis of deoxyribonucleic acid. VII. Synthesis of a polymer of deoxyadenylate and deoxythymidylate, J. Biol. Chem., 235, 3242—3249 (1960).
29. Shannon C. E., Weaver W., The Mathematical Theory of Communication, Univ. Illinois Press, Urbana, pp. 117, 1949.
30. Steiner R. F„ Beers R. F., Polynucleotides, Elsevier, Amsterdam, The Netherlands, 404 pp., 1961.
31. Whipple H. E., Erdôs E. G., eds., Structure and Function of Biologically Active Peptides, Ann. N. Y. Acad. Sci., 104, 1—464 (1963).
32. Woolley D. U., M e r r i f i e 1 d R. B., Anomalies of the structural specificity of peptides, Ann. N. Y. Acad. Sci., 104, 161—171 (1963).
33. Yanagisawa K., Genetic regulation of protein biosynthesis at the level of the ribosome? Biochem. Biophys. Res. Commun., 10, 226—231 (1963).
34. Zubay G., A. molecular model for protein synthesis, Science, 140, 1092—1095 (1963).
35. Zubay G., Regulation of gene action, Science (1964).
Предположим теперь, что репрессором служит какой-то олигонуклеотид. Наименьшее число нуклеотидов, требующееся для создания достаточного разнообразия, зависит от числа репрессируемых генов. Оценка показывает, что это число у Е. coli не меньше 100 и, вероятно, не больше 1000. Но из четырех нуклеотидов можно образовать 256 различных последовательностей, из пяти— 1024 и из шести — 4096. Отсюда следует, что в принципе короткая последовательность, т. е. малая часть молекулы РНК, достаточна для обеспечения специфических реакций со всеми встречающимися операторами. Этот механизм не накладывает никаких ограничений на генезис цепочки ДНК: можно ожидать, что в последовательности из 5-107 нуклеотидов каждый заданный тетрануклеотид встретится 2 * 105 раз, а каждый гексануклеотид — 104 раз. Вместе с тем такой механизм накладывает строгие ограничения на дифференциацию между операторами и другими участками генома, поскольку в противном случае олигонуклеотид образовывал бы почти исключительно нефункциональные гибриды; кроме того, для
получения высокой специфичности необходимо, чтобы гибридизация короткой последовательности происходила при помощи ферментов.
Предположение, что молекула репрессора — это олигонуклеотид, накладывает жесткие ограничения на структуры, окружающие цепочку ДНК в клетке; предположение, что молекула репрессора — это длинная молекула РНК, накладывает ограничения на процесс эволюции цепочки ДНК. В обоих случаях для того, чтобы объяснить, почему возникает специфическая реакция с индуктором или корепрессором, требуется предположение о наличии дополнительного агента, так как, насколько нам известно, молекулы нуклеиновой кислоты вступают в специфическую реакцию только с другими нуклеиновыми кислотами. Естественно считать, что таким агентом служит какой-то белок-фермент. Тогда требуется наличие А ферментов (100<A< 1000), каждый из которых распознает индуктор или корепрессор или их обоих, с одной стороны, и полинуклеотид — с другой. Известно, что ферменты, обладающие такой двойной специфичностью, действительно существуют; таковы, например, активирующие ферменты. Однако между активацией и репрессией имеется некоторое различие. Активирующий фермент должен правильно соединять одну из 18 (или большего числа) аминокислот с одним из 18 (или большего числа) классов РНК, т. е. должен выбирать одну пару из 324—500 возможных; что касается нуклеотидов, то это требует распознавания триплета, имеющего, вероятно, достаточную избыточность, чтобы он мог быть почти [26] или полностью [27] сведен к дуплету. Для осуществления репрессии фермент должен выбирать одну пару из 104—10б возможных пар и при этом распознавать последовательность из 4—6 нуклеотидов. Здесь требуется специфичность, превышающая ту, которой обладают все известные ферменты. Мы рассматривали эту проблему пока только в рамках теории эволюции.
Пэйджен [22] предположил, что и информационная РНК, и репрессорная РНК (или «цензор») служат матрицами в синтезе белка и что определяемые ими белки взаимодействуют как с некоторыми субстратами, так и с самими матрицами. Хотя это и возможно, но, учиты
вая природу механизма кодирования, нельзя указать причину, по которой белок, уже покинувший свою рибосому, будет вступать в реакцию со своей матричной РНК легче, чем с любой другой РНК. Поэтому попытаемся выяснить возможность того, что данный фермент в силу случайности несет какой-то набор аминокислот, позволяющий ему вступать в реакцию именно с той РНК, которая служила для него матрицей. Пусть вероятность этого равна произведению р на число таких наборов, приходящихся на одну молекулу; можно считать, что она лежит между. Если рассматриваемая
нами система содержит несколько ферментов, обладающих требуемой для данного субстрата специфичностью, то только один из них должен вступать в реакцию также и со своей матрицей, а их общее число может колебаться от 1 до 10; тогда вероятность того, что по крайней мере один из таких ферментов сможет распознать свою матрицу, будет лежать между
Но в системе, содержащей от 100 до 1000 репрессируемых генов, должно присутствовать такое же число ферментов с требуемой двойной функцией. Это значит, что для каждой полной системы ферментов (в указанном выше смысле осуществления А функций) вероятность того, что она содержит ферменты, необходимые для реакций с РНК-репрессором, с индукторами и с ко- репрессорами, лежит междуЭту вероятность
следует уменьшить еще примерно на три порядка, так как, помимо распознавания надлежащих субстратов, ферменты должны также активировать или дезактивировать данную РНК (природа реакции зависит от того, является ли вторая участвующая в реакции молекула индуктором или корепрессором). Окончательно вероятность случайного возникновения имеет порядок— ; эта вероятность мала, но событие, о котором идет речь, не вполне невозможно. Оценка вероятности полноты системы ферментов дала значение, лежащее между 1 и, и, следовательно, произведение обеих этих вероятностей попадает в диапазонКак уже
указывалось выше, вероятности, превосходящие нельзя считать совершенно пренебрежимыми.
Белок как репрессор. Поскольку посредником между цитоплазмой и системой нуклеиновых кислот должен служить какой-либо фермент, следует задаться вопросом, не может ли сам этот фермент выступать в роли репрессора. Ген-регулятор мог бы создавать информационную РНК, служащую матрицей для фермента, который обладает следующими свойствами: если он образует комплекс с корепрессором или активируется им, то он вступает в реакцию с геном-оператором и блокирует активность последнего; реакция с индуктором инактивирует фермент и, таким образом, препятствует блокированию гена-оператора. Это означало бы, что репрессор следует считать аллостерическим белком [20]. Трудности, связанные с информацией, остаются прежними.
В качестве доказательства белковой природы репрессора были представлены следующие генетические аргументы [9]. Пусть— мутации у Jв резуль
тате которых щелочная фосфатаза превращается из ин- дуцибельного фермента в конститутивный. Эти мутации затрагивают гены-регуляторы. Обе они блокируются супрессорной мутациейт. е. при наличиищелочная
фосфатаза снова делается индуцибельным ферментом, несмотря на присутствие мутантных геновЛокусудален от локусовСупрессорная мута
цияподавляет и другие мутации [1, 10], причем способ подавления, по-видимому, указывает, что мутация
воздействует на механизмы кодирования синтеза белков и делает возможным этот синтез в некоторых случаях, когда он был блокирован той или иной мутацией. Поскольку мутация а« обеспечивает синтез белка в некоторых случаях, когда он невозможен из-за какой-то другой мутации, и поскольку она восстанавливает регуляцию, нарушенную мутациямиотсюда делают
вывод, что агентом регуляции должен служить белок.
Супрессия под действием РНК как результат синтеза белка. Репрессор может образовываться, когда синтез белка блокирован; отсюда делается вывод, что роль репрессора играет нуклеиновая кислота. Репрессия возобновляется у мутантов, утративших способность к репрессии, если у них произойдет супрессорная мутация, восстанавливающая утраченную способность синтезиро-
вать белок; из этого, очевидно, следует, что репрессором служит белок. Ни одно из этих заключений не обосновано в достаточной степени (и не претендует на это), и оба приводят к трудностям, связанным с организацией; действительно, в данном случае требуется большое число аллостерических белков со строгой специфичностью в отношении определенной последовательности нуклеотидов и в отношении еще одной молекулы, причем требуемая специфичность должна быть выше, чем во всех других известных случаях. Ранее предложенная модель [24] обходит эти трудности следующим образом. Предполагается, что ген-регулятор создает информационную РНК, которая благодаря соответствию последовательности оснований может соединяться либо с геном-оператором, либо со структурным геном, либо с продуцируемой им РНК и таким образом осуществлять репрессию. Информационная РНК может также присоединяться к рибосоме и вызывать синтез белка. Этот белок должен обладать способностью вступать в реакцию с индуктором и репрессором до того, как он покинет рибосому; реакция с корепрессором сопровождается освобождением РНК (возможно, в результате отторжения синтезированного белка), а реакция с индуктором ведет к реакции, аналогичной взаимодействию с антиметаболитом, что вызывает блокирование всей структуры. Им- мобилизованная таким образом РНК в конечном счете подвергается гидролизу. Предлагаемый механизм позволяет объяснить следующие известные факты:
1. Генетическая ДНК продуцирует при надлежащих условиях информационную РНК, если только она специфически не блокирована.
2. РНК, продуцированная геном-регулятором, может выполнять различные функции; одной из таких функций является образование гибридного комплекса с оператором или структурным геном (что блокирует синтез РНК) или же с информационной РНК (что блокирует функцию этой последней) [33].
3. Между РНК, служащей репрессором, и ингибируемой ДНК или информационной РНК существует равновесие ассоциация — диссоциация; поэтому активность гена падает с увеличением количества репрессорной
РНК и, наоборот, увеличивается с уменьшением его количества.
4. Количество репрессорной РНК при постоянной скорости ее образования (можно представить себе, что сама эта скорость регулируется другими генами) определяется подвижным равновесием ассоциация — диссоциация и скоростью гидролиза свободной РНК, но главным образом — судьбой репрессорной РНК, связанной в рибосоме: если она иммобилизована индуктором, то количество свободной РНК уменьшается, а если доминирует действие корепрессора, то это количество увеличивается.
5. Обнаружение того, что репрессор может образовываться в отсутствие синтеза белка, должно указывать, что в этом случае репрессорная РНК не связана с рибосомой или что ее освобождение из рибосомы происходит без синтеза белка.
6. Возобновление репрессии (утраченной в результате ^-мутаций) под действием супрессорной мутации 5« можно интерпретировать следующим образом. Репрессорная РНК, образованная мутантным геном, присоединяется к рибосоме и начинает синтез белка, но не может закончить его, так как эта РНК «застревает» на рибосоме, как было бы в присутствии индуктора; эффект мутации яп сводится к тому, чтобы обеспечить продолжение синтеза белка и тем самым восстановить нормальную ситуацию.
В этой модели молекулам приписывается только их обычное поведение: нуклеиновая кислота взаимодействует с другой нуклеиновой кислотой, а белок взаимодействует с субстратом; трудное звено между белком и РНК заменяется неспецифическим механическим звеном, не требующим передачи информации. Предполагается, что между репрессорной и информационной РНК нет существенного различия, хотя некоторые гены могут быть специализированными, т. е. могут продуцировать РНК, наиболее приспособленную к одной или к другой функции.
Можно задать вопрос, почему г-РНК не блокирует ген-регулятор и почему сама /п-РНК не блокирует структурный ген? Такие действия вполне возможны; в этом
случае эффективность образования РНК зависела бьют относительных скоростей ассоциации и диссоциации между РНК и генетической ДНК, с одной стороны, и между /п-РНК или г-РНК и рибосомами — с другой. Субстрат данного фермента мог бы действовать как ко- репрессор и блокировать дальнейшее образование — нечто вроде обратной связи навыворот («вперед», а не «обратно»), которая могла бы осуществлять эффективный контроль.
Молекулаиз общего фонда мо
жет принять участие в одном из следующих трех процессов: она может присоединиться к рибосоме — вероятность этого обозначим через _ __ она может распасться; она может ассоциироваться с ДНК — вероятность этого обозначим через. Оценим значение ря следующим образом. Пусть X — число молекул синтезируемого белка, приходящихся на одну молекулу;
допустим, что после каждого акта белкового синтеза т- РНК отделяется от рибосомы; допустим также, что вероятностью распада той РНК, которая связана с рибосомой, можно пренебречь. Тогда для ожидаемого значения X получим
В фазе экспоненциального роста . . _ . величина X составляет примерно 5—10; следовательно,лежит в интервале 0,83—0,91. В ретикулоцитах, где X велико, рн должно быть весьма близко к 1. Это выполняется при условии справедливости гипотезы об отделении РНК от рибосомы после синтеза белка. (В ретикулоцитах, насколько нам известно, нет никакого пути для замены утраченнойразумеется, ретикулоцит может пе
рестать вырабатывать гемоглобин, когда имеющийся в нем запасокажется исчерпанным.)
Пусть равно отношению произведения числа
имеющихся эффективных рибосом на константу реакции к произведению эфективного числа имеющихся участков ДНК на константу реакции.
Число таких участков ДНК может равняться единице, двум или вообще малому числу; число рибосом в клетке Е. coli примерно равно 105; число эффективных рибосом составляет, вероятно, 102—104. Отсюда можно заключить, что pD примерно равно 0,01. Если на одну молекулу РНК, соединяющуюся с ДНК, приходится 90 молекул РНК, присоединяющихся к рибосомам, и если время их перемещения мало по сравнению с периодом, в течение которого они находятся в связанном состоянии, то, согласно схеме динамической репрессии — дерепрессии, на каждую молекулу РНК, связанную с ДНК, придется около 90 молекул, присоединенных к рибосомам. Это означает, что от 50 до 150 рибосом могут принимать участие в процессе репрессии для каждого генного локуса, поддающегося репрессии. Число репрессируемых локусов может равняться 100—1000, откуда следует, что в клетке Е. coli число рибосом, связанных в процессе динамической репрессии, может составлять 5000—150 000. Поскольку в клетке Е. coli насчитывается всего около 105 рибосом, ясно, что весьма значительная часть общего их числа может оказаться связанной в процессе динамической репрессии; это совместимо с тем, что лишь малая доля рибосом (1 —10%) проявляет активность в белковом синтезе.
Высшие организмы содержат значительно больше генов, поддающихся репрессии, и, поскольку некоторые процессы репрессии при дифференцировке приобретают необратимый характер, наличие механизма динамической репрессии—дерепрессии у этих организмов значительно менее вероятно, так как он связывал бы слишком большое число рибосом. Кроме того, рассмотренный механизм действует в цитоплазме, тогда как у высших организмов гены сосредоточены в ядре.
Описанная выше модель совместима с представлением Зубея [35], согласно которому увеличение количества антител после антигенной стимуляции связано с дерепрессией. Зубей постулирует, что антитело действует
как репрессор того гена, который определяет специфич- ность антитела; репрессор удаляется в результате соединения с антигеном, вследствие чего и оказывается возможным усиленное образование антител. Для увязки этого представления с нашей моделью приходится постулировать только, что антитело действует как корепрес- сор того гена, который определяет его специфичность; при этом высвобождается информационная РНК, которая воссоединяется с геном, в результате чего, как описано выше, происходит самоблокирование. Соединяясь с антителом в процессе образования, антиген иммобилизует комплекс, содержащий информационную РНК, и таким образом действует как индуктор.
Координированная функция гена. Какой либо ген I может воздействовать на другой ген II на разных уровнях: 1) 1-РНК, образуемая геном I, может либо ингибировать образование информационной П-РНК путем ассоциации с П-ДНК, либо блокировать синтез белка путем ассоциирования с самой информационной П-РНК; 2) 1-белок, определяемый 1-РНК, может либо устранять, либо образовывать субстрат для П-белка; 3) продукт 1-белка может действовать либо как индуктор или коре- прессор гена И, либо как ингибитор Н-белка. Какой-нибудь третий ген III может влиять на ген II косвенным образом, воздействуя непосредственно на ген I (фиг. 12).
Таким образом, взаимный контроль в системе генов может осуществляться путем использования одной лишь активности примитивной нуклеиновой кислоты, без прямой передачи от внешнего мира, иными словами — без учета влияния этой активности на белки. Единственное условие для этого заключается в следующем: некоторые пары генов, взаимодействующие путем ассоциации нитей, должны образовывать ферменты, связанные друг с другом так, чтобы субстрат одного соответствовал индуктору или корепрессору другого. При обычных условиях субстрат какого-либо фермента сходен с его индуктором, а корепрессор — с продуктом соответствующей ферментативной реакции. Отсюда следует только, что сходные по структуре нуклеиновые кислоты определяют образование функциональнее близких ферментов, во всяком случае, настолько часто, что может развиться си
стема контроля, основанного на репрессии — дерепрессии. Предположение о том, что сходные РНК могут определять образование ферментов со сходными функциями, не противоречит ранее сделанному утверждению о незначительности или полном отсутствии специфического физического подобия между каким-либо ферментом и его матрицей.
Гены взаимодействуют благодаря соответствию последовательностей оснований. Так как мы не знаем, насколько полным должно быть это соответствие, нельзя сказать, является ли оно случайным. Мы неоднократно поднимали этот вопрос и каждый раз приходили к заключению, что соответствие в геноме возникло, возможно, в процессе эволюции при наличии механизмов репликации и свертывания.
Еще одно обстоятельство, относящееся на этот раз к белкам, увеличивает правдоподобие высказанного пред
положения. Ингибирование конечным продуктом типично для ферментных систем, и считается, что оно имеет в основном аллостерический характер, т. е. определяется двумя различными активными центрами в молекуле [20]. Это значит, что из 5—10 ферментов один должен содержать два активных центра с родственной, хотя и различной специфичностью. Вероятность наличия какого- либо определенного активного центра в дополнение к уже имеющемуся равна произведению (3 на число пригодных наборов аминокислот в молекуле белка, что составляет, скажем, около 15- 10~4; вероятность наличия по крайней мере одной такой комбинации в 10 возможных ферментных системах равна примерно 1,5-10-2, а вероятность такого .расположения в каждой из примерно 100 ферментных систем равна 1,5- 10~4 или еще меньше. Эта величина вероятности еще приемлема, но объяснение функциональной связи между ферментами на основе структурных связей между последовательностями оснований представляется более привлекательным.
Если современная система нуклеиновых кислот развилась путем слияния цепочек, удвоения и последующего увеличения разнообразия в результате замены оснований [8], то история такого развития должна находить свое отражение в частичном повторении последовательностей аминокислот внутри молекулы одного белка и в молекулах разных белков. Это, действительно, нередко наблюдается [16].
При обсуждении вопроса о возникновении системы функций возникновение рибосомного аппарата постулировалось и не делалось никаких попыток объяснить его. Аналогичное допущение было неявно сделано и при обсуждении вопроса о возникновении организованной системы функций, иными словами — о возникновении клеточной оболочки. Динамическое управление системой, насчитывающей, как было сказано, около 104 генов и 105 рибосом, возможно только в том случае, если вся система сосредоточена в малом объеме, ограниченном какой-либо оболочкой. Предельные размеры системы определяются временем, затрачиваемым молекулой РНК на поиски молекулы ДНК, с которой она может соединиться. Отсюда следует, что большое разнообразие, наблюдаемое в настоящее время, вместе с наличием динамического контроля должно было появиться уже после того, как система оказалась заключенной в оболочку.
ЛИТЕРАТУРА
1. Benser S., С h a m р е S. D., A change From nonsense to sense in the genetic code, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S., 48, 1114—1121
(1962) .
2. В r u i с e T. C., Intramolecular catalysis and the mechanism of chymotrypsin action, Brookhaven Symp. Biol., 15, 52—84 (1962).
3. C a v a 1 i e r i L. F., Rosenberg В. H., The replication of DNA, Biophys. J„ 1, 317—352 (1961).
4. Crick F. H. C., On protein synthesis, Symp. Soc. Exptl. Biol., 12, 138—163 (1958).
5. D a n с о f f S. M., Q u a s 11 e r H„ The information content and error rate of living things. In: Information Theory in Biology (iT. Quastler, ed.), Univ. Illinois Press, Urbana, pp. 263—273, 1953.
6. Erspamer V., Anastasi A., Structure and pharmacological actions of eledoisin, the active endecapeptide of the posterior salivary glands of eledone, Experientia, 18, 58—59 (1962).
7. F о x S., How did life begin? Science, 132, 200—208 (1960).
8. F r e e s e E. E., On the evolution of the base composition of DNA, J. Theoret. Biol., 3, 82—101 (1962).
9. G a r e n A., G a r e n S., Genetic evidence on the nature of the repressor for alkaline phosphatase in E. coli, J. Mol. Biol., 6, 433—438 (1963).
10. G a r e n A., S i d d i q i O., Suppression of mutations in the alkaline phosphatase structural cistron of E. coli, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S„ 48, 1121—1127 (1962).
11. Hartley B. S., On the structure of chymotrypsin, Brookhaven Symp. Biol., 15, 85—100 (1962).
12. J a c о b F., Monod J., Telenomic mechanisms in cellular metabolism, growth, and differentiation, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., 28, 398—401 (1961).
13. К о s h 1 a n d D. E„ Jr., The comparison of nonenzymatic and enzymatic reaction velocities, J. Theoret. Biol., 2, 75—86 (1962).
14. К о s h 1 a n d D. E., Jr., Biological specificity in proteinsmall molecule interactions. In: Proc. 1st Intern. Pharmacol. Mtg., Perga- mon Press, N. Y„ 7, 161-191 (1963).
15. Koshland D. E., Jr., Strumeyer D. H„ Ray W. J., Jr., Amino acids involved in the action of chymotrypsin, Brookhaven Symp. Biol., 15, 101—133 (1962).
16. L a n n i F., Analysis of sequence patterns in ribonuclease III: Variable-span pair-order analysis, J. Theoret. Biol., 4, 1—27
(1963) .
17. Lins chit z H., The information content of a bacterial cell. In: Information Theory in Biology (H. Quastler, ed.), Univ, Illinois Press, Urbana, pp. 251—262, 1953,
18. McClintock B., Some parallels between gene control systems in maize and in bacteria, Am. Naturalist, 95, 265—277 (1961).
19. Miller S. L., Urey H. C., Organic compound synthesis on the primitive earth, Science, 130, 245—251 (1959).
20. Monod J., Changeux P., Jacob F., Allosteric proteins and cellular control systems, J. Mol. Biol., 6, 306—329 (1963).
21. Morowitz H. J., Some disorder-order considerations in living systems, Bull. Math. Biophys., 17, 81—87 (1955).
22. P a i g e n K., On the regulation of DNA transcription, J. Theoret. Biol., 3, 268—282 (1962).
23. Pardee A. B., P r e s t i d g e L. S., On the nature of the repressor of fi-galactosidase synthesis in Escherichia coli, Biochem. Biophys. Acta, 36, 545 (1959).
24. Q u a s 11 e r H., Chemical communication systems in the cell, Trans. N. Y. Acad. Sci., 25, 382—395 (1963).
25. Quastler H., General principles of systems analysis. In: Theoretical and Mathematical Biology (T. H. Waterman and H. J. Morowitz, eds.), Blaisdell, N. Y., 1964.
26. Q u a s 11 e r H., Zubay G., An RNA-protein code based on replacement data. If. Adjustment and extension, J. Theoret. Biol., 3, 496—502 (1962).
27. Roberts R. B., Alternative codes and templates, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S„ 48, 897—900 (1962).
. 28. Schachman H. K., Adler J., R a d d i n g C. M., Lehman I. R., K o r n b e r g A., Enzymatic synthesis of deoxyribonucleic acid. VII. Synthesis of a polymer of deoxyadenylate and deoxythymidylate, J. Biol. Chem., 235, 3242—3249 (1960).
29. Shannon C. E., Weaver W., The Mathematical Theory of Communication, Univ. Illinois Press, Urbana, pp. 117, 1949.
30. Steiner R. F„ Beers R. F., Polynucleotides, Elsevier, Amsterdam, The Netherlands, 404 pp., 1961.
31. Whipple H. E., Erdôs E. G., eds., Structure and Function of Biologically Active Peptides, Ann. N. Y. Acad. Sci., 104, 1—464 (1963).
32. Woolley D. U., M e r r i f i e 1 d R. B., Anomalies of the structural specificity of peptides, Ann. N. Y. Acad. Sci., 104, 161—171 (1963).
33. Yanagisawa K., Genetic regulation of protein biosynthesis at the level of the ribosome? Biochem. Biophys. Res. Commun., 10, 226—231 (1963).
34. Zubay G., A. molecular model for protein synthesis, Science, 140, 1092—1095 (1963).
35. Zubay G., Regulation of gene action, Science (1964).
Источник: Г. Касмлер, «ВОЗНИКНОВЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ» 1967