Биосинтез белка: инициация трансляции
А. С. СПИРИН
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

ВВЕДЕНИЕ. КЛЮЧЕВАЯ РОЛЬ ИНИЦИАЦИИ
Инициация трансляции - это серия молекулярных событий, происходящих с рибосомой, которая приводит к взаимодействию рибосомы с началом кодирующей нуклеотидной последовательности мРНК и последующему считыванию (трансляции) этой последовательности. Таким образом, за стадией инициации следует стадия собственно трансляции, или элонгации полипептидной цепи, которая заканчивается стадией терминации. Эпицикл трансляции, состоящий из этих трех стадий - инициации, элонгации и терминации, - схематически показан на рис. 1 предыдущей статьи (см. [1]).
Для осуществления инициации Природа изобрела специальные механизмы. Дело в том, что способность рибосомы к трансляции матричного полинуклеотида (мРНК) и направляемому ей синтезу полипептидной цепи белка (см. [1]) еще далеко не обеспечивает пути вхождения в эти процессы. Прежде всего, как следует из рассмотрения элементарного элогационного цикла рибосомы (см. рис. 2 в статье [1]), синтез полипептида требует присутствия предобразованной пептидил-тРНК в качестве одного из субстратов реакции транспептидации. Другими словами, донорный субстрат должен присутствовать в рибосомном Р-участке, чтобы далее удлиняться за счет присоединения следующего аминоацильного остатка. Но когда рибосома начинает трансляцию, никакого пептида и соответствующего донорного субстрата в виде пептидил-тРНК в рибосоме еще нет. Для того чтобы решить эту проблему и запускаются специальные механизмы инициации: специальная инициаторная аминоацил-тРНК во взаимодействии со специальными белками (факторами инициации) связывается со специальным инициирующим участком мРНК на рибосоме. При этом связывающаяся инициаторная аминоацил-тРНК поступает именно в Р-участок рибосомы, что позволяет ей служит в качестве донорного субстрата в образовании первой пептидной связи. Таким образом, инициаторная аминоацил-тРНК в Р-участке рибосомы имитирует пептидил-тРНК, что и позволяет решить трудность начала элонгации пептида. У прокариотических организмов (бактерий) инициаторная аминоацил-тРНК похожа на пептидил-тРНК также и химически: ее аминогруппа формилирована, то есть связана с формильной группой амидной связью. Итак, введение донорного субстрата в Р-участок рибосомы и есть одна из основных функций механизма инициации трансляции.
Инициация трансляции, однако, означает не просто начало синтеза полипептидной цепи, то есть элонгационного процесса. Инициация также и начало считывания мРНК, которое должно всегда осуществляться со строго фиксированной определенной точки матричного полинуклеотида. Это начало считывания - никогда не начало полинуклеотидной цепи мРНК (то есть не ее 5'-конец), а всегда находится несколько или даже много отступя от начала цепи. Следовательно, требуется механизм точного узнавания первого кодона на мРНК, чтобы начать синтез полипептида именно с его первого аминокислотного остатка.
Узнавание рибосомой стартовой точки трансляции мРНК должно быть очень точным еще по одной причине. Рибосома читает кодоны мРНК строго последовательно, триплет за триплетом, и это устанавливает так называемую рамку или фазу считывания. Никаких "пробелов" или "запятых" между триплетами нет: их правильное считывание определяется только изначально заданной триплетной рамкой. Поэтому начало потриплетного считывания одним нуклеотидом раньше или одним нуклеотидом позже привело бы к сдвигу рамки, а тем самым не только к утрате первой аминокислоты пептида, но и к полной бессмысленности всей остальной аминокислотной последовательности. Это можно проиллюстрировать на примере любого буквенного текста, где отсутствуют пробелы. Например, набор букв АНАШКОТОТКРЫЛРОТ будет читаться осмысленно только при строгом потриплетном начале с буквы Н: "Наш Кот ОткРыл Рот", а начало потриплетного чтения с А даст полную бессмыслицу - Ана Шко Тот Кры Лро (сдвиг рамки -1) или Ашк Ото Ткр Ылр (сдвиг рамки +1). Таким образом, строгое, безошибочное нахождение рибосомой первого кодона определяет и старт, и рамку трансляции мРНК, и это есть еще одна фундаментальная функция механизма инициации.
Наконец, третий важнейший аспект при рассмотрении функциональной значимости механизма инициации - это его ключевая роль в регуляции биосинтеза белка на уровне трансляции. Именно инициация является точкой приложения регуляторных механизмов, определяющих интенсивность трансляции различных мРНК и, следовательно, продукцию соответствующих белков в клетке, а также прекращение трансляции под действием определенных внутриклеточных сигналов или, наоборот, индукцию трансляции прежде "молчавших" мРНК. Регуляция биосинтеза белка на уровне трансляции может быть рассмотрена как разрешение или запрещение инициации на данной мРНК. Этим путем достигается избирательная или преимущественная трансляция лишь определенных мРНК и, наоборот, трансляционная инактивация других мРНК. Кроме того, различные скорости инициации на различных мРНК определяют необходимые соотношения продукции разных белков.

ПРОКАРИОТЫ И ЭУКАРИОТЫ ИСПОЛЬЗУЮТ ДВА РАЗЛИЧНЫХ ПУТИ К ИНИЦИИРУЮЩЕМУ КОДОНУ
Имеются два способа, два пути поиска стартовой точки трансляции на мРНК в живой природе. У высших организмов - эукариот - рибосомная частица, как правило, сначала присоединяется к 5'-концу мРНК, а затем движется вдоль цепи мРНК и сканирует ее, пока не встретит инициирующий кодон (рис. 1, вверху). Этот способ получил название терминальной инициации. Для осуществления этого пути эукариотические клетки обладают набором специальных мРНК-связывающих белков, помогающих рибосомной частице узнать 5'-конец мРНК и далее двигаться вдоль цепи мРНК, и в том числе расщеплять АТФ и использовать энергию ее расщепления для расплетания вторичной структуры мРНК и движения.
Другой путь - так называемая внутренняя инициация (рис. 1, внизу) используется главным образом одноклеточными прокариотическими организмами. В этом случае рибосомная частица ассоциирует непосредственно с локальной структурой мРНК, содержащей инициирующий кодон независимо от 5'-конца мРНК и его удаленности от начала кодирующей последовательности. Так как у прокариот очень часто одна длинная полинуклеотидная цепь мРНК содержит несколько кодирующих последовательностей для различных белков (полицистронные мРНК), то этот способ обеспечивает инициацию трансляции сразу нескольких кодирующих последовательностей внутри такой мРНК более или менее независимо друг от друга.
Следует отметить, что в некоторых специальных случаях эукариоты тоже могут использовать путь внутренней инициации. Так, мРНК, кодирующие некоторые регуляторные белки, необходимые для эмбрионального развития, транслируются, по-видимому, через внутреннюю инициацию. Наиболее изученный пример внутренней инициации у эукариот - трансляция мРНК некоторых малых вирусов (так называемых пикорнавирусов) при инфекции ими человеческой или животной клетки. Такие мРНК имеют специальные внутренние структуры, привлекающие рибосомные частицы хозяйской клетки и связывающие их, после чего происходит инициация трансляции в точке этого связывания.

ИНИЦИАЦИЯ НАЧИНАЕТСЯ С ДИССОЦИАЦИИ РИБОСОМЫ
Диссоциация рибосомы на составляющие ее субчастицы, малую и большую (см. [2]), является необходимой предпосылкой для инициации трансляции.

Рис. 1. Схематическое представление двух способов выхода рибосомной частицы (малой рибосомной субчастицы) на стартовую позицию трансляции мРНК: способ терминальной инициации, свойственный эукариотам (вверху), и способ внутренней инициации, используемый в основном прокариотами (внизу)

На самом деле тенденция к диссоциации рибосом наблюдается сразу после того, как рибосома дочитала кодирующую последовательность мРНК и терминировала - окончила синтез полипептида. После терминации рибосомные субчастицы становятся слабо ассоциированными друг с другом (и с мРНК) и скорее находятся в динамическом равновесии с ассоциированной формой, чем в прочной ассоциации (рис. 2, вверху). Специальные белки вмешиваются в это равновесие таким образом, что, связываясь со свободной малой рибосомной субчастицей (30S в случае прокариот или 40S в случае эукариот), препятствуют ее реассоциации с большой субчастицей и тем самым сдвигают равновесие в сторону диссоциации. Именно свободная малая рибосомная субчастица, а не целая рибосома вовлекается в дальнейший процесс инициации.

Рис. 2. Последовательность событий в процессе инициации трансляции

Далее...