Возникновение биологической организации - Кастлер Г.
Скачать (прямая ссылка):
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<Л< 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 10-2 и 10-5. 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 10-1 и 10-5.
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 между 10_3 и 10-8. Эту 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 10~6— Ю-П; эта вероятность мала, но событие, о котором идет речь, не вполне невозможно. Оценка вероятности полноты системы ферментов дала значение, лежащее между 1 и Ю-20, и, следовательно, произведение обеих этих вероятностей попадает в диапазон 10~6—Ю-30. Как уже указывалось выше, вероятности, превосходящие 10-50 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 /?! и Rz — мутации у Е. coli, в результате которых щелочная фосфатаза превращается из ин-дуцибельного фермента в конститутивный. Эти мутации затрагивают гены-регуляторы. Обе они блокируются супрессорной мутацией su, т. е. при наличии su щелочная фосфатаза снова делается индуцибельным ферментом, несмотря на присутствие мутантных генов Ri и R2. Ло-кус su удален от локусов Ri и R2. Супрессорная мутация su подавляет и другие мутации [1, 10], причем способ подавления, по-видимому, указывает, что мутация su воздействует на механизмы кодирования синтеза белков и делает возможным этот синтез в некоторых случаях, когда он был блокирован той или иной мутацией. Поскольку мутация su обеспечивает синтез белка в некоторых случаях, когда он невозможен из-за какой-то другой мутации, и поскольку она восстанавливает регуляцию, нарушенную мутациями и R2, отсюда делают вывод, что агентом регуляции должен служить белок.
