Текст книги "Биофизика познает рак"
Автор книги: Инал Акоев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 12 страниц)
Гемоглобин эмбрионального типа, или фетальный HbF, человека содержит по сравнению с основной формой гемоглобина HbA больше изолейцина (кодоны АУУ, АУЦ и АУА)[1]1
Здесь и далее указываются только сравниваемые кодоны аминокислот.
[Закрыть] и меньше валина (ГУУ, ГУЦ, ГУА) и пролина (ЦЦУ, ЦЦЦ, ЦЦА), по данным В. Штейна и соавторов. Далее представим, что часть основного гемоглобина HbA превращается в гемоглобин HbF за счет замен указанных аминокислот в тех условиях, в которых содержание его снижается, а минорного, наоборот, повышается. Простой анализ, выполненный нами, показал, что тогда замену аминокислот в данном случае можно представить по принципу рибосомальных ошибок синтеза глобина, так как вместо валина может включаться изолейцин (у них второй и третий нуклеотиды соответственно одинаковые) и вместо пролина – также изолейцин (у них в трех кодонах одинаковые третьи нуклеотиды).
После облучения кроликов в дозе 8,5 Гр, по данным Б. Ф. Сухомлинова, состав аминокислот гемоглобина изменился, уменьшилось количество цистеина (УГУ, УГЦ) и фенилаланина (УУУ, УУЦ) при увеличении аспарагиновой кислоты (ААУ, ААЦ) и гистидина (ЦАУ, ЦАЦ) – при отсутствии заметных изменений в содержании других аминокислот. В этом случае каждая пара кодонов у всех четырех аминокислот имеет одинаковые третьи нуклеотиды и, следовательно, у них имеется также определенная близость кодовой специфичности. Замена этих аминокислот могла произойти по принципу ложного кодирования.
У собак на 15-е сутки после облучения в дозе 3,8 Гр минорный гемоглобин HbA1 увеличивался с 7,5 до 26%, а основной гемоглобин HbA упал с 86,5 до 65—68%. У минорного гемоглобина по сравнению с основным меньше содержание серина (кодоны УЦА, УЦГ, АГУ, АГЦ) и лейцина (УУА, УУГ) и увеличено содержание цистеина (УГУ, УГЦ), глутамина (ГАА), валина (ГУУ, ГУЦ), аргинина (ЦГУ, ЦГЦ) при отсутствии заметных изменений со стороны других аминокислот. Анализ кодонов этих аминокислот нам показал, что замена серина на цистеин и аргинин возможна, так как у них есть общие второй и третий нуклеотиды (ГЦ), серина на валин – по сдвигу рамки чтения (УЦГ на ГУЦ), лейцина на валин – тоже по сдвигу рамки чтения (УУГ на ГУУ), серина и лейцина на глутамин, валин и аргинин – по общности третьего нуклеотида (А).
В указанном эксперименте на собаках прослежена динамика спектра гемоглобинов при одновременном исследовании красной крови. Наибольшее изменение в соотношении указанных двух фракций гемоглобина отмечалось в период 7—46 сут после облучения. Ранее 7 сут исследования, к сожалению, не проводились. Доля HbA с 86,5% упала до 65—68%, а доля HbA1 увеличилась с 7,5 до 24—27%. Доля других минорных фракций гемоглобина M1 и М2 в этот период была также увеличена. Снижение числа эритроцитов и гемоглобина в крови стало заметным с 12-х суток после облучения и было наибольшим на 20-е и 30-е сутки. У одной из старых собак, которая к моменту обследования имела выраженную анемию и увеличенную селезенку, через 8 лет после облучения почти весь гемоглобин был заменен на HbA1.
Состояние костного мозга у них не исследовалось, но в наших экспериментах, описанных выше, были собаки, облученные примерно в такой же дозе, у которых анализировали и состояние костно-мозгового гемопоэза. У них отмечены изменения, позволяющие говорить об ускорении пролиферации и созревании эритробластов в период наблюдавшихся изменений в спектро гемоглобинов. Оно часто сопровождается укорочением клеточного цикла эритробластов в основном за счет сокращения стадии G1, во время которой идет массовый рибосомальный синтез белка. У эритробластов, потерявших способность к делению, может происходить ускорение созревания и укорочение времени на завершение процесса гемоглобинизации нормобластов.
В специальных экспериментах на анемизированных крысах было показано сокращение времени пребывания на каждой стадии дифференцировки бластных клеток красного ряда: проэритробластов – в 1,27 раза, базофильных эритробластов – в 1,45 раза, полихроматофильных эритробластов – в 1,8 раза, ортохромных эритробластов – в 2,1 раза, ретикулоцитов – в 2,6 раза. Наибольшее сокращение времени созревания клеток было для тех стадий дифференцировки, на которых идет накопление гемоглобина и, следовательно, рибосомальный синтез молекул белка глобина, а ускорение рибосомального синтеза белка может быть связано с укорочением времени на один рибосомальный цикл с ошибочным включением в пептидную цепь глобина аминокислот с близкой кодовой специфичностью.
Если изложенное верно, то с улучшением состояния красной крови и выполняемой ею главной дыхательной функции снимается напряжение эритропоэза, восстанавливается нормальная продолжительность клеточных циклов и периодов созревания, нормализуется продолжительность рибосомального цикла, падает ошибочное включение аминокислот в молекулу глобина, восстанавливается нормальный спектр гемоглобинов.
Действительно, у указанных собак по мере улучшения красной крови восстанавливается нормальный спектр гемоглобинов. Наиболее интересные данные о спектре гемоглобинов человека связаны с появлением гемоглобина эмбрионального типа – фетального гемоглобина – при всех заболеваниях, при которых выявлено или предполагается напряжение эритропоэза. Достоверное повышение фетального гемоглобина выявлено у людей, подвергшихся хроническому воздействию свинца, ДДТ, при хронической желтухе, при различных заболеваниях крови – анемиях, лейкозах. Увеличение фетального гемоглобина – распространенная реакция на внешние химические и физические воздействия. Наконец, увеличение выделения в кровь эритропоэтина сопровождается изменением спектра гемоглобина. Эритропоэтин, как известно, ускоряет пролиферацию и дифференцировку клеток эритроидного ряда.
Изучено соотношение активностей двух форм лактатдегидрогеназы – ЛДГ5 и ЛДГ1 – в зависимости от стимуляции пролиферативной активности и синтеза белка в селезенке облученных мышей. Действительно, при стимуляции указанных процессов закономерно преобладала активность ЛДГ5 над активностью ЛДГ1.
Имеются более детальные данные о биохимических различиях непосредственно ЛДГ1 (чистая Н-форма) и ЛДГ5 (чистая М-форма) у свиньи. Поскольку с увеличением пролиферативной активности ткани увеличивается содержание ЛДГ5 и уменьшается содержание ЛДГ1, необходимо анализировать возможность замен тех аминокислот, которых больше в ЛДГ1 и меньше в ЛДГ5 и наоборот. В ЛДГ1 больше глутамина, треонина, серина, валина, аспарагина и фенилаланина. В ЛДГ5, наоборот, больше гистидина, лизина, аргинина, глицина и изолейцина. Предполагали, что увеличение содержания ЛДГ5 идет за счет ошибочных замен глутамина, треонина, серина, валила, аспарагина и фенилаланина, характерных для ЛДГ1, на гистидин, лизин, аргинин, глицин, изолейцин, характерные для ЛДГ5. Возможность таких замен по принципу ошибочного чтения одного из нуклеотидов кодона или по принципу сдвига рамки чтения представлена в табл. 5. Анализ показал принципиальную возможность всех указанных замен аминокислот, если усиление пролиферативной активности будет сокращать продолжительность рибосомального цикла.
Таблица 5. Возможные замены характерных аминокислот ЛДГ1 на характерные аминокислоты ЛДГ5 и их механизм (анализ данных работы Вахсмита и соавторов)
| Глутамин | Глицин | ГАГ → ГГГ | ГАГ → ГГА |
| Лизин | ГАА → ААА | ГАА → ААГ | |
| Аргинин | ГАА → АГА | ||
| ГАГ → АГГ | |||
| Треонин | Изолейцин | АЦУ → АУУ | |
| АЦЦ → АУЦ | |||
| АЦА → АУА | |||
| Аргинин | АЦА → АГА | ||
| АЦГ → АГГ | |||
| Лизин | АЦА → ААА | ||
| АЦГ → ААГ | |||
| Гистидин | АЦЦ → ЦАЦ | ||
| Серин | Аргинин | АГЦ → АГГ | АГЦ → ЦГА |
| АГУ → АГА | |||
| Глицин | АГУ → ГГУ | ||
| АГЦ → ГГЦ | |||
| Изолейцин | АГУ → АУУ | ||
| АГЦ → АУЦ | |||
| Гистидин | УЦА → ЦАУ | ||
| Валин | Изолейцин | ГУУ → АУУ | |
| ГУЦ → АУЦ | |||
| ГУА → АУА | |||
| Аргинин | ГУЦ → ЦГУ | ||
| Глицин | ГУУ → ГГУ | ||
| ГУЦ → ГГЦ | |||
| ГУГ → ГГГ | |||
| Аспарагин | Гистидин | ГАУ → ЦАУ | |
| ГАЦ → ЦАЦ | |||
| Глицин | ГАУ → ГГУ | ||
| ГАЦ → ГГЦ | |||
| Аргинин | ГАЦ → ЦГА | ||
| Фенилаланин | Изолейцин | УУУ → АУУ | |
| УУЦ → АУЦ | |||
Сравнивали аминокислотный состав ЛДГ1 и ЛДГ5 у человека. Наиболее заметные отличия: ЛДГ1 – увеличено содержание аланина, валина, аспарагиновой кислоты, глутаминовой кислоты и метионина; ЛДГ5 – увеличено содержание аргинина, глицина, тирозина. В случае закономерных переходов от ЛДГ1 к ЛДГ5 должно уменьшаться содержание первых аминокислот и увеличиваться содержание вторых. Все они могли заменяться по принципу неправильного чтения одного из нуклеотидов кодона или по сдвигу рамки чтения (см. табл. 5).
Анализ конкретных замен в аминокислотной последовательности двух изоформ белка, связанных с изменением пролиферативной активности тканей, провели на примере сопоставления различий в аминокислотной последовательности двух изоферментов – ЛДГ1 и ЛДГ5 у цыплят и свиней.
В табл. 6 приведены только различия в аминокислотной последовательности М– и Н-форм ЛДГ у цыплят. Указаны порядковые номера аминокислот в пептидной цепи и избранные триплеты характерных для них кодонов. Из 85 различий в 70 случаях (82%) предполагаемая замена аминокислоты при переходе от Н4-формы к М4-форме могла происходить по принципу изменения одного из нуклеотидов триплета (чаще всего по первому нуклеотиду кодона – 61 случай) или по сдвигу рамки чтения (9 случаев). В 12 случаях необходима замена двух нуклеотидов триплета. Это данные в пользу возможного объяснения различий между двумя изоформами белка, характерными для разных состояний пролиферативной активности тканей, механизмами ошибочного чтения кодонов.
Однако в трех случаях – замена аланина на лизин (ГЦУ и ААА), серина на глутамин (УЦУ и ГАА) и глицинина на метионин (ГГУ и АУГ) – такое объяснение не подходит. В этих случаях единственно возможное объяснение замен связано с генетической регуляцией, с репрессией одних локусов генома и депрессией других при изменении пролиферативной активности тканей. Удивляет малый процент таких случаев (3,5%).
Таблица 6. Различия в аминокислотной последовательности М– и Н-форм ЛДГ у цыплят (выписка из работы Торфа и соавторов)
| 2 | 5 | 6 | 9 | 10 | 12 | 13 | 14 | 15 | 17 | 18 | 19 | 20 | 24 | 30 | 41 | 43 | 45 | |
| M | УЦА | ГАУ | ЦАУ | ЦАЦ | ААУ | ЦАУ | AAA | ГАГ | ГАА | ЦАЦ | ЦАЦ | ГЦУ | ЦАУ | УЦА | ГЦГ | АУГ | ГАУ | ГЦУ |
| Ser | Asp | His | His | Asn | His | Lys | Glu | Glu | His | His | Ala | His | Ser | Ala | Met | Asp | Ala | |
| H | Thr | Glu | Lys | Thr | Pro | Ala | Ala | Gly | Ser | Thr | Val | Pro | Ser | Thr | Gly | Gly | Gly | Cys |
| АЦА | ГГУ | AAA | АЦЦ | ЦЦУ | ГЦУ | ГЦУ | ГГГ | УЦУ | АЦЦ | ГУЦ | ЦЦУ | УЦА | АЦА | ГГГ | ГГУ | ГГУ | УГЦ | |
| 49 | 54 | 73 | 75 | 78 | 79 | 80 | 84 | 88 | 91 | 93 | 98 | 116 | 123 | 124 | 130 | 132 | 133 | |
| M | АЦУ | ГУУ | AAA | ЦЦЦ | АЦУ | УЦА | ГГУ | УЦА | ЦАУ | ЦУУ | АУУ | ГЦУ | АУУ | ААЦ | ГУУ | ГАУ | AAA | ЦУУ |
| Thr | Val | Lys | Pro | Phr | Ser | Gly | Ser | His | Leu | He | Ala | He | Asn | Val | Asp | Lys | Leu | |
| H | Ala | Leu | Gin | His | Val | Ala | Asp | Ala | Asn | He | Val | Val | Val | Gin | He | Asn | Val | He |
| ГЦУ | ЦУУ | ЦАА | ЦАЦ | ГУУ | ГЦА | ГАУ | ГЦА | ААУ | АУУ | ГУУ | ГУУ | ГУУ | ЦАА | АУУ | ААУ | ГУА | АУУ | |
| 135 | 147 | 150 | 153 | 167 | 172 | 175 | 183 | 190 | 192 | 199 | 212 | 213 | 215 | 217 | 222 | 224 | 226 | |
| M | АУУ | ГЦУ | АУУ | УУУ | УЦУ | ЦАУ | ГГУ | ЦУА | ГУУ | ЦАГ | ЦЦУ | ААГ | ГЦА | ЦАУ | ГАУ | ГЦА | AAA | ЦАУ |
| Не | Ala | He | Phe | Ser | His | Gly | Leu | Val | Gln | Pro | Lys | Ala | His | Asp | Ala | Lys | His | |
| H | Val | Thr | Leu | Leu | Thr | Tyr | Ala | Thr | Leu | Glu | Ala | Gln | Gln | Asp | Ala | Lys | Ser | Asn |
| ГУУ | АЦУ | ЦУУ | УУА | АЦУ | УАУ | ГЦУ | АЦУ | ЦУУ | ГАГ | ГЦУ | ЦАГ | ЦАГ | ГАУ | ГЦУ | АЛА | АГУ | ААУ | |
| 236 | 243 | 249 | 258 | 260 | 263 | 264 | 268 | 272 | 273 | 276 | 280 | 231 | 284 | 285 | 296 | 297 | 300 | |
| M | ГАУ | AAA | АГУ | ГАУ | ГЦУ | АУА | АУГ | ЦГУ | ЦЦУ | АУУ | ГЦУ | АУГ | ЦАУ | AAA | ГАУ | ГГУ | УЦА | АУУ |
| Asp | Lys | Ser | Asp | Ala | He | Met | Arg | Pro | He | Ala | Met | His | Lys | Asp | Gly | Ser | He | |
| H | Glu | Arg | Asn | Glu | Cys | Met | Leu | Tyr | Ser | Val | Leu | Thr | Tyr | Gln | Asn | Ser | Ala | Leu |
| ГАА | АГА | ААУ | ГАА | УГЦ | АУГ | ЦУГ | УАУ | УЦУ | ГУУ | ЦУГ | АЦГ | УАУ | ЦАА | ААУ | АГУ | ГЦА | ЦУУ | |
| 302 | 304 | 305 | 306 | 307 | 310 | 314 | 315 | 316 | 325 | 329 | 331 | 333 | ||||||
| M | ГАУ | ГУУ | AAA | АУГ | АУА | ЦЦУ | ГАА | ЦАГ | АУУ | ГГУ | ГАА | ЦАА | УУУ | |||||
| Asp | Val | Lys | Met | He | Pro | Glu | Gln | He | Gly | Glu | Gln | Phe | ||||||
| H | Ser | He | Asn | Gln | Lys | Asp | Ala | Lys | Leu | Ser | Asp | Lys | Leu | |||||
| АГУ | АУУ | ААУ | ЦАГ | AAA | ГАУ | ГЦА | ААГ | ЦУУ | АГУ | ГАУ | AAA | УУА | ||||||
| Примечание. Цифры в таблице – номера аминокислот по порядку, буквы – сравниваемые нами триплеты кодонов. | ||||||||||||||||||
К абсолютному большинству случаев замен аминокислот, как указано выше, вероятно, применимы закономерности, работающие в простейших модельных системах во внеклеточных условиях и вне генетической регуляции.
Далее необходимо проверить соответствие указанных замен аминокислот большей вероятности триплетов определенных кислот при равновероятном ошибочном чтении каждого из нуклеотидов триплета по указанным принципам. Рассмотрим этот вопрос сначала на примере изолейцина, имеющего три кодона (АУУ, АУЦ и АУА). При замене одного из нуклеотидов триплета каждого кодона или при сдвиге рамки чтения их принципиально возможны 33 модификации и, следовательно, вероятность одной модификации составляет 0,33. Ожидаемая вероятность замен изолейцина на другие аминокислоты была следующей: 0,15 – лейцин, 0,09 – валин, метионин, треонин, серин и аспарагиновая кислота, 0,06 – фенилаланин, 0,03 – лизин, аргинин, тирозин и гистидин. Реально при переходе ЛДГ1 в ЛДГ5 изолейцин заменялся на лейцин в двух случаях и на валин – также в двух случаях. Других замен не было. Следовательно, во всех четырех случаях действительно изолейцин заменялся на те аминокислоты, которые и были предсказаны исходя из законов стохастики перебора аминокислот.
Другой пример. Шестикодонный лейцин по принципу ошибки чтения одного из нуклеотидов или сдвига рамки чтения теоретически может иметь 66 модификаций и вследствие этого заменяться на 14 других аминокислот. Вероятность одной замены равна 0,015. Наиболее часто эта модификация теоретически должна приводить к образованию кодонов четырех аминокислот: валина, фенилаланина, изолейцина и пролина. Каждая из этих аминокислот имеет ожидаемую вероятность заменить лейцин, равную 0,076 и 0,106. Остальные десять аминокислот имеют значительно более низкую вероятность. В реальных условиях при переходе от ЛДГ1 к ЛДГ5 лейцин заменялся 10 раз, из них действительно – 8 раз на предсказанные аминокислоты: валин, фенилаланин и изолейцин. Аналогичные закономерности прослежены для валина, аланина, треонина и тирозина.
Следовательно, для многих заменяемых в М-форме ЛДГ цыпленка аминокислот (при переходе к Н-форме) отмечается преимущественный захват тех аминокислот, которые при равновероятном и равнозначном распределении имеют более высокую ожидаемую вероятность заменить аминокислоту в пептидной цепи. Эти примеры показывают, что действительно при усилении пролиферативной активности ткани сдвиг в изоферментном составе ЛДГ цыпленка, обусловленный изменением соотношения М– и Н-форм белка, в значительной мере может происходить по принципу случайной замены одного из нуклеотидов или сдвига рамки чтения.
Аналогичные результаты были получены при анализе данных Ивентоффа и соавторов об аминокислотной последовательности М– и Н-форм фермента. К сожалению, мы не нашли аналогичных материалов для других видов животных и других ферментов для утверждения об общебиологическом значении обнаруженных явлений. Необходимо продолжение такого анализа по мере накопления новых данных.
Тем не менее проведенный анализ позволяет с определенным основанием считать возможным для клеток млекопитающих тот механизм замен аминокислот в изоформах белка, который был обнаружен в простейших бесклеточных системах и который работает вне генетической регуляции и зависит от пролиферативной активности ткани. Обоснованием такого заключения является следующее.
1. Основное количество (72% и более) замен аминокислот в пептидной цепи М– и Н-форм ЛДГ соответствует механизму неправильного чтения одного из нуклеотидов триплета кодонов аминокислот.
2. Существенное (в несколько раз) преобладание изменений первого нуклеотида триплетов кодонов над изменениями третьего нуклеотида.
3. Существенное преобладание (в несколько раз) однонуклеотидных изменений триплетов над двухнуклеотидными и сдвигом рамки чтения.
4. Стохастический характер ошибочно включаемых аминокислот, близких по специфичности, т. е. чаще включаются те аминокислоты, которые имеют более высокую ожидаемую вероятность их ошибочного включения при равновероятном и равнозначном изменении одного из нуклеотидов триплета кодонов или сдвиге рамки чтения.
5. Хорошее соответствие сдвигов спектра изоформ белков усилению пролиферативной активности тканей и усилению синтеза белка, т. е. сдвиг соотношений изоформ белка возникает во всех случаях стимуляции этих процессов и восстанавливается, как только снимается стимуляционный сигнал к пролиферации.
6. Зависимость частоты ошибочного включения аминокислот в пептидную цепь в экспериментальной бесклеточной системе (т. е. вне генетической регуляции) от влияния на рибосому ионного гомеостаза, pH и других условий, изменяющих продолжительность одного цикла работы рибосомы и продолжительность времени экспонирования кодонов (см. рис. 6).
7. Зависимость изменений внутриклеточных факторов (ионный гомеостаз, pH и др.), способных влиять на рибосому, от скорости пролиферативной активности тканей.
Однако следует сказать, что результаты приведенного выше анализа изменений аминокислотной последовательности изоформ ЛДГ цыплят и свиней выявили факты, не объяснимые механизмами, описанными для бесклеточных модельных систем.
Указанные случаи можно объяснить, по-видимому, только действием генетической регуляции, изменением процессов экспрессии отдельных локусов генома в связи с изменением ионного гомеостаза и pH в процессе усиления пролиферативной активности ткани.
Каково соотношение различных механизмов (генетических и негенетических) замен в аминокислотной последовательности различных изоформ белков – это вопрос предстоящих исследований. Для нас важно, что независимо от механизма таких замен сама возможность изменения изоформ белков в зависимости от состояния рибосомального окружения (и, следовательно, от пролиферативной активности ткани) дает возможность понять некоторые молекулярные основы несущественных изменений белков, модифицирующих ряд характеристик (спектр изоформ, антигенный спектр, термолабильность и т. д.).
Основное внимание нами уделено аминокислотным изменениям белков, происходящим в процессе самого рибосомального синтеза пептидной цепи при сохранении в пределах норм и неизменными всех остальных звеньев сложной последовательности производства функционирующего белка (от процесса транскрипции необходимой информации с ДНК об аминокислотной последовательности до исполнения молекулой белка присущей ей функции).
Между тем нарушения в структуре белка могут происходить в результате изменений в любом звене этой цепи событий. В табл. 7 представлены основные звенья этой цепи.
Таблица 7. Основные звенья цепи процессов производства функционирующего белка
| Изменение структуры ДНК (мутация) | Стойкая замена аминокислот | Нет зависимости |
| Изменение функции ДНК (генная регуляция) | Временная замена аминокислот | Четкая зависимость предполагается |
| Транскрипция ДНК | Нарушение синтеза белка | Зависимость ожидается |
| Созревание иРНК | То же | То же |
| Транспорт иРНК из ядра в цитоплазму | '' | '' |
| Рибосомальный синтез белка | Закономерная замена аминокислот | Четкая зависимость доказана |
| Посттрансляционные изменения структуры белка | Модификация аминокислот | Зависимость можно предполагать |
Характер модификации структуры белка будет разным в зависимости от звена, внесшего изменения в белок. В случае изменений на уровне структурных генов возникает мутация, следствием которой будет необратимая замена аминокислоты в структуре белка. Однако весь приведенный экспериментальный материал показал, что таких стойких и необратимых модификаций белка для рассмотренных условий (когда нет еще генетических заболеваний) среди массовых процессов обнаружить не удается, хотя они и не исключены полностью.
Обращают на себя внимание массовые процессы временной и вполне закономерной модификации белков, связанной с заменой одних аминокислот на другие в зависимости от состояния пролиферативной активности ткани, что приводит к определенному изменению спектра изоформ белков. Как показано в этом разделе, такие изменения могут происходить по двум причинам:
1) вследствие изменения генетической регуляции процессов экспрессии определенных локусов генома под влиянием эпигеномных изменений, возникающих в связи с биохимическими и биофизическими изменениями в ближайшем окружении ДНК (этот вопрос более подробно рассмотрен ниже). Последнее может быть вызвано интенсификацией клеточного размножения;
2) вследствие ошибок рибосомального синтеза белка, т. е. ошибочного включения и пептидную цепь аминокислот, близких по своей кодовой специфичности, под влиянием биохимических и биофизических изменении в ближайшем рибосомальном окружении. Последнее может ускорять рибосомальный цикл, что может быть вызвано и усилением пролиферативной активности ткани.
Внешние влияния на процессы транскрипции ДНК, созревания иРНК и транспорт иРНК из ядра в цитоплазму могут искажать информацию, закодированную в последовательности нуклеотидов, изменять их химическую структуру и приводить к различного рода нарушениям синтеза белка. По-видимому, чаще всего это приводит к прерыванию или прекращению синтеза белка с данной молекулы иРНК. Важно, что это не приводит к массовому синтезу аномального белка, хотя в очень ограниченных количествах, вероятно, возможен синтез модифицированного белка, если изменение нуклеотида будет связано только с его заменой на другой нормальный нуклеотид. Переход ткани в состояние активной пролиферации с последующими биохимическими и биофизическими изменениями будет способствовать увеличению вероятности таких процессов.
Существует еще один период формирования молекулы белка, во время которого также возможны модификации его структуры. Это так называемые посттрансляционные изменения структуры белка. Для таких изменений важную роль играют особенности аминокислот и место их локализации в молекуле.
С этой целью мы провели анализ частоты замен аминокислот в зависимости от их основных особенностей (полярности, характера заряда, числа кодонов, массового числа и др.). Эти данные относятся к уже указанным выше материалам по ЛДГ цыплят и свиней. Частота замен для разных аминокислот была неодинаковой (от 0 до 54—67%) и не зависела от абсолютного количества данной аминокислоты в молекуле фермента. Не зависела она и от полярности или от характера заряда, от массы молекулы или числа кодонов. Частота замен не зависела и от того, какими группами обусловлены полярность и заряд аминокислоты. Например, цистеин, имеющий SH-группу, заменялся у цыплят в 28% случаев, а у свиней совсем не заменялся. Указанные замены не зависели от места расположений аминокислотного остатка во вторичной структуре молекулы фермента, от того, в наружной или внутренней части молекулы он находился, в активном центре или в боковой ветви. Это указывает, что посттрансляционные замены аминокислот при изменении спектра изоферментов не играли существенной роли. Причину замен следует искать или в ошибках работы самой рибосомы, или в поступлении в рибосому измененной информации, вносимой РНК, или в обоих процессах одновременно.
Мы приводили данные, полученные при анализе аминокислотной последовательности в двух изоферментах ЛДГ, соотношение количеств которых очень закономерно сдвигается в ту или иную сторону в зависимости от пролиферативной активности ткани. Ряд этих данных косвенно свидетельствует о возможном участии (наряду с механизмом генетической регуляции) в изменении аминокислотного состава белка и рибосомального механизма ошибочного включения аминокислот, зависящего в основном только от продолжительности экспонирования кодонов.
Новые косвенные доказательства в пользу существования рибосомального механизма ошибочного включения аминокислот в полипептидную цепь мы увидели и в соотношении замен аминокислот в двух изоформах ЛДГ в пределах пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов или в переходе от одной группы нуклеотидов к другой. Известно, что генетически обусловленные замены легче осуществляются путем замены одного пуринового нуклеотида на другой пуриновый нуклеотид (аденин↔гуанин) или одного пиримидинового нуклеотида на другой пиримидиновый нуклеотид [цитозин↔тимидин (урацил)] и значительно труднее замена пурина на пиримидин. Наш анализ изложенных выше данных показал, что при переходе от ЛДГ1 к ЛДГ5 цыплят замены аминокислот соответствовали нуклеотидам внутри групп А↔Г и Ц↔У в 27 случаях (32%) и переходам АГ↔ЦУ в 61 случае (69%). Для ЛДГ свиней примерно такая же картина: внутри А↔Г и Ц↔У в 20 случаях (25%) и переход АГ↔ЦУ в 60 случаях (75%). Эти данные также говорят в пользу механизма, не связанного с генетической регуляцией.
Однако проявляемые в определенные временные отрезки модификации белка могут быть связаны и со сдвигами в генетической регуляции, обусловленными изменением локального гомеостаза в окружении молекулы ДНК и возникающей ее нестабильностью. Процессы репрессии-депрессии определенных локусов генома изменяются. Среди возможных механизмов генетических изменений не мутационной природы М. М. Виленчик называет нарушения суперструктуры ДНК, увеличение степени метилирования ДНК, некоторые энзиматические изменения метаболизма и ионного гомеостаза. Локальный гомеостаз и значительные изменения клеточного метаболизма происходят, как уже было показано, при ускоренном клеточном размножении.
Для нас важно было обратить внимание на то, что длительное усиление пролиферативной активности тканей и связанные с этим биохимические и биофизические изменения могут независимо от их механизма закономерно изменять структуру белка таким образом, что он в общем не теряет своих основных специфических свойств, но может модифицировать их в определенной мере и переходит в иную изоформу или антигенную группу. Вследствие этого любые клеточные структуры, имеющие в своем составе модифицированные белки, будут в какой-то степени изменять и свои свойства. Такие несущественные нарушения структуры могут объяснить многие из биофизических изменений, характерных для состояний активной пролиферации и для случаев снижения эффективности межсистемных связей, о которых говорилось и которые будут более детально рассмотрены далее. Изложенный механизм ошибок синтеза белка позволяет понять и один из возможных механизмов влияния пищи, в частности зависимого от нее фонда свободных аминокислот в рибосомальном окружении в период сокращения времени экспонирования кодонов. При равной вероятности близких по кодоновой специфичности аминокислот ошибочно включиться в пептидную цепь белка может прежде всего та аминокислота, концентрация которой была выше.
Таким образом, при усилении пролиферативной активности ткани изменяется качественный и количественный состав изоферментных и антигенных спектров белков во многих метаболических последовательностях. Нарушения изоферментного спектра при стимуляции пролиферации в опухолях удобно рассматривать на примере гепатом Морриса, от минимально отклоненных по сравнению с нормальной печенью до наименее дифференцированных, со скоростью пролиферации, сравнимой с таковой для нормальной регенерирующей печени. Оказалось, что степень нарушения изоферментного спектра хорошо коррелирует со скоростью роста опухоли, т. е. со скоростью клеточного размножения. С увеличением скорости роста опухоли и уменьшением степени дифференцировки клеток гепатомы отмечаются прогрессирующая потеря активности специфических ферментов зрелой печени и замещение их эмбриональными или непеченочными, характерными для других тканей. Происходят определенная редукция и упрощение метаболизма.
Наиболее ценные с практической точки зрения результаты получены при исследовании изоферментов лактатдегидрогеназы (ЛДГ). Состав изоферментов ЛДГ тканей позвоночных животных изменяется в эмбриогенезе, постнатальном онтогенезе, при злокачественном росте, действии некоторых метаболитов и гормонов. Для нас важно с практической точки зрения, что изменения спектра ЛДГ (увеличение М-форм и снижение Н-форм) обнаруживаются еще до развития признаков злокачественной трансформации, выявляемых цитологически и гистологически.
Клиницисты показали, что такие изменения характерны для предпатологических стадий, предшествующих развитию ряда злокачественных заболеваний.
В целом имеющиеся данные позволяют считать, что все перечисленные изменения белков, метаболизма и морфологии клеток вторичны и являются только результатом длительной интенсификации клеточного размножения без специфических черт, разграничивающих нормальные и злокачественные ткани.
