Молекулярно-биологические механизмы адаптации белоксинтезирующей системы животных к имбалансу аминокислот

eEF-1

1 > 4 > 2 = 3 4 > 3 > 2 > 1

в-глобин

1 > 4 > 2 > 3 1 > 4 > 3 > 2

c-myc

1 > 4 > 2 = 3 1 > 4 > 3 > 2

Влияние имбаланса по лизину (2-я группа) и триптофану (3-я группа) на относительные ряды стабильности мРНК субъединицы фактора элонгации трансляции (еEF-1), в-глобина и c-myc печени и мозга крыс в сравнении с основной (1-я группа) и скорректированной диетой (4-я группа)

Как следует из данных, представленных на рис. 3, ряды стабильности мРНК субъединицы фактора элонгации трансляции (eEF-1), в-глобина и c-myc в печени крыс были практически одинаковы для всех групп: наиболее стабильны эти мРНК были у крыс на основной и скорректированной диетах, имбаланс по лизину и триптофану снижал стабильность этих мРНК. Эта закономерность соответствует действию имбаланса на суммарную мРНК.

Для мРНК в-глобина и c-myc этот ряд сохранялся и для мозга: имбаланс снижал стабильность этих транскриптов. Отличия коснулись лишь мРНК eEF-1 - её стабильность была самой высокой на скорректированной диете, а имбаланс аминокислот, как и в печени, снижал стабильность этой матрицы. Но самой низкой стабильность этой мРНК оказалась в первой группе животных, получавших основную диету. Для выяснения причин такого различия печени и мозга необходимы дополнительные исследования.

Стабильность мРНК может определяться разными молекулярными механизмами. Наиболее вероятным молекулярным механизмом в случае имбаланса аминокислот является изменение длины поли-(А)-последовательности на 3'-конце молекулы мРНК, т.е. степень её полиаденилирования. Важно подчеркнуть, что степень полиаденилирования определяет и трансляционную активность мРНК: чем длиннее поли-(А)-хвост, тем продолжительнее время полужизни и эффективнее трансляция матрицы, т.е. терминальная поли-(А)-последовательность является цис-фактором стабильности мРНК и энхансером (усилителем) трансляции.

Таблица 11 - Влияние имбаланса по лизину и триптофану на степень полиаденилирования мРНК печени, прирост и аппетит поросят

В экспериментах на поросятах методом ступенчатой термальной элюции поли-(А)-содержащей мРНК печени с колонки поли-(У)-сефарозы было установлено, что, как и в печени крыс, имбаланс по лизину и триптофану негативно повлиял на стабильность мРНК: соотношение фракций мРНК, элюируемых с колонки при температуре 65^оС (длиннохвостовые молекулы) и при температуре 35^оС (короткохвостовые молекулы) сотавляло для 1-й группы 0,85, для 4-й - 1,04, а для 2-й и 3-й - 0,47 и 0,31, соответственно (табл. 11).

Изменения в полиаденилировании мРНК могут быть вызваны действием эндогенных и экзогенных факторов. Так, под действием NaCl увеличивается длина поли-А-хвоста аргинин-вазопрессина и окситоцина у крыс. В гипоталамусе крыс увеличивается размер поли-А-хвоста мРНК окситоцина в течение беременности и лактации. На 100-150 адениловых остатков увеличивается мРНК гормона роста в цитоплазме клеток крыс под воздействием тироидных гормонов. Наблюдаются циркадные ритмы в изменении поли-(А)-хвоста ядерных транскриптов вазопрессина крыс: на свету мРНК имеет хвост протяжённостью 240 остатков аденина, а в темноте - всего лишь 30. Сильно увеличивается полиаденилирование мРНК крыс также при обработке клеток высокими концентрациями актиномицина Д и при аминокислотном голодании. Укорачивание поли-А-хвостов короткоживущих мРНК протоонкогенов c-myc и c-fos в клетках животных происходит с различной скоростью в зависимости от условий внешней среды. В целом это определяет изменение стабильности мРНК в 5-6 раз [5].

Вместе с тем, относительно хорошо изученным является механизм стабилизации специфических мРНК под влиянием голода как следствие усиления синтеза специфических белков, взаимодействующих с (U)_nA-обогащённой последовательностью нуклеотидов в 3'-некодирующей области молекулы мРНК, предшествующей поли-(А)-хвосту. Синтез этих белков усиливается и при блокаде транскрипции антибиотиком актиномицином Д, когда происходит частичный распад мРНК. Это говорит о том, что в свою очередь синтез этих белков усиливается как следствие парадоксальной стабилизации их мРНК [6].

Представляется вероятной цепь следующих событий, для описания перестройки экпрессии генов в адаптационном плане [5]: в условиях имбаланса аминокислот в клетках животных повышается активность РНК-аз, которая в первую очередь подавляет синтез гипотетических белков-репрессоров (или РНК-интерференции - iRNA), продуктов генов-регуляторов, мРНК которых относится к группе короткоживущих и которые в норме снижают время жизни мРНК клеток эукариот. В результате предполагается стабилизация мРНК и стимуляция синтеза белков ряда структурных генов, изначально имеющих относительно стабильные мРНК, и подавление синтеза белков, изначально имеющих относительно короткоживущие мРНК (соразмерные по времени жизни с РНК генов-репрессоров). Всё это приводит к перестройке популяции мРНК и изменяет экспрессию генов в адаптационном плане.

Заключение

Итак, в результате изучения влияния имбаланса по лизину и триптофану на коэффициент активности генома в клетках печени и мышц крыс (РНК/ДНК) установлено, что эта расчётная величина, обычно рассматриваемая как показатель активности транскрипции, не коррелирует с изменением роста животных.

Наиболее интересным показателем, связывающим особенности белоксинтезирующего аппарата подопытных животных и их роста, оказался индекс стабильности матричных РНК (ИС), расчитываемый по результатам двуциклической афинной хроматографии поли-(А)-содержащей мРНК на поли-(У) сефарозе, как процент поли-(А)⁺⁺ мРНК второго цикла хроматографии от поли-(А)⁺ мРНК первого цикла, или как показатель степени полиаденилирования мРНК: (А)_n65^o/(А)_n35^o. Эти параметры характеризуют потенциальную эффективность экспрессии генов в зависимости от генотипа и аминокислотной сбалансированности питания. Как было показано, величина ИС, определяемая степенью полиаденилирования мРНК, отражает интенсивность роста животных: чем выше значение ИС, тем интенсивнее рост. Аналогичные закономерности были выявлены и для растений [5].

Роль катионов магния (Mg⁺⁺). Обязательным условием стабилизации нативной структуры рРНК является наличие в ней катионов магния, которые оказывают негативное влияние на степень полиаденилирования мРНК. Анализ литературных экспериментальных данных показывает, что количество магния в клетках эукариот прямо пропорционально стабильности рРНК и обратно пропорционально стабильности мРНК [5, 21].

При изучении печени и мускулов цыплят-бройлеров было установлено, что мускулы содержат в 2,5 раза больше катионов магния, чем печень. Имбаланс по лизину повышал содержание катионов магния в печени на 20-30% и практически не влиял на его содержание в мускулах. Чем меньше магния содержат клетки, тем интенсивнее рост эукариот [21].

О взаимоотношении стабильности рибосомной м матричной РНК. Представленные в настоящей статье данные показывают, что снижение роста крыс при аминокислотном имбалансе часто сопровождается увеличением содержания РНК (основная масса которой представлена рРНК) печени и дестабилизацией мРНК, составляющей всего лишь 1-2% от суммарной РНК. Но именно мРНК определяет возможности биосинтеза белка и потому её стабильность и содержание положительно взаимосвязаны с ростом животных.

Анализ прямых и косвенных научных фактов, описанных в литературе, показывает, что инверсия направленности стабилизации и дестабилизации мРНК и рРНК были отмечены и в других исследованиях. Установлено, что в полирибосомах десяти различных злокачественных тканей содержание магния оказалось на 30-50% ниже по сравнению с таковыми нормальных клеток, что позволяет предполагать снижение стабильности рРНК. При этом стабильность мРНК в опухолевых клетках выше, чем в нормальных [5]. Противоположные колебания стабильности рРНК и мРНК наблюдали также при сравнительных исследованиях модифицированных нуклеозидов мочи здоровых детей и педиатрических пациентов с черепно-мозговой травмой головы [22]. В подобных экспериментах также установлено. что уровень деградации рРНК на килограмм массы тела выше на 24% у мужчин по сравнению с женщинами во всех возрастных группах; в противоположность этому, уровень распада мРНК был немного выше у женщин, чем у мужчин [23]. На инверсии стабильности мРНК и рРНК и вариациях содержания катионов магния в РНК основан и молекулярный механизм морозоустойчивости озимой мягкой пшеницы [5].

В связи с этим представляется понятным факт, отмеченный в научной литературе: денситометрический анализ рРНК по отношению 28S рРНК/18S рРНК в препарате высокополимерной РНК не может быть критерием качественного состояния мРНК, т.е. рРНК и мРНК имеют разные механизмы деградации [5]. Это хорошо иллюстрируется экспериментами по изучению влияния концентрации рРНК и мРНК на их распад в водном препарате Mg⁺⁺-содержащей РНК при его инкубации в условиях положительных температур (37^о; 65^оС - система ommp): разбавление концентрации РНК снижало степень распада рРНК, но никак не сказывалась на интенсивности распада ряда ген-специфических мРНК [5]. Вероятно, это обусловлено наличием у рРНК наряду с прочно связанными катионами магния и диффузно (слабо) связанных с молекулой катионов Mg⁺⁺, в то время как мРНК имеет только прочносвязанные катионы магния.

Основной вывод

Таким образом, можно полагать, что центральным молекулярным механизмом перестройки метаболизма животных при аминокислотном имбалансе является разнонаправленное изменение стабильности рРНК и мРНК. Дестабилизация мРНК приводит к дезагрегации полирибосом и таким образом затрудняет синтез белка, приводит к снижению роста животных. Стабилизация рРНК, по-видимому, направлена на противодействие этому негативному процессу с целью повышения жизнеспособности организма в стрессовых условиях через обеспечение короткоживущей мРНК избытком рибосом.

Этот вывод согласуется с хорошо изученным молекулярным механизмом влияния аминокислотного имбаланса на активацию системы mTOR (mammalian target of rapamycin), включающей каскад фосфорилирования ряда белков, и приводящей, в конечном итоге, к усилению синтеза рибосомных белков, через повышение уровня трансляции соответствующих им мРНК [2].

Следовательно, аминокислотный имбаланс включает феномен реализации физиологического резервирования (использование скрытых ресурсов организма) через усиление образования рибосом.

Несомненно, представляют интерес дальнейшие более масштабные исследования этого фундаментального явления, важного как для получения новых знаний о регуляции экспрессии генов в животной клетке, так и для разработки новых молекулярно-биологических маркёров и методов оценки генетико-физиологического статуса животных и разработки на их основе научно обоснованных норм питания.

Литература

1. Рядчиков В.Г., Плотников В.К., Плотникова А.В. Баланс аминокислот, как регулятор аппетита и синтеза белка у свиней //Повышение продуктивности свиноводства на Северном Кавказе: Сборник научных трудов КНИИСХ им. П.П. Лукьяненко и Северо-Кавказского НИИ животноводства, Краснодар, 1986,, С. 39-57.

2. Kilberg M.S., Pan Y-X., Chen H., Pineda L. Nutritional control of the gene expression: how mammalian cells respond amino acid limitation // Annu. Rev. Nutr., 2005, 25, P. 59-85.

3. Kimball S.R., Jefferson L. New functions for amino acids: effects on gene transcription and translation // Am. J. Nutr. 2006. 83. P. 500-507.

4. Park B-Ch. Amino acid imbalance - biochemical mechanism and nutritional aspects // Asian-Aust. J. Anim. Sci., 2006, v. 19, P. 1361-1368.

5. Плотников В.К. Биология РНК зерновых культур Краснодар.: ЭДВИ, 2009. 375 с.

6. Yaman I., Fernandes J., Sarkars B., Schneiders R.J., Snider M.D., Nagy L.E., Hatzoglou M. Nutritional control of mRNA stability is mediated by a conserved AU-rich element that binds the cytoplasmic shuttling protein HuR // The journal of Biological Chemistry, 2002, 277, P. 41539-41546.

7. Насонов А.И. Гетерогенность свойств РНК зерновых культур. Связь с биологическими особенностями линий и сортов // Saarbruken, LAP Lambert Academic Publishing, 2010. 190 с

8. Plotnikov V.K., Bakaldina N.B. Differential stability of zein mRNA in developing corn kernel // Plant Molecular Biology. 1996. V.31. P. 507-515.

9. Хеймс Б., Хиггинс С. Транскрипция и трансляция. М.: «Мир», 1987. 400 с.

10. Hayashi X., Makino R., Kawamyra H.// Characterization of rat c-myc and adyasted regions. Nucl. Acid. Res. 1986, 15, 6419-6436,.

11. Linhh A.D., Lee S., Wang E./ Characterization of statin-like S-1 and rat elongation factor 1 alfa as two distinctli expressed messedges in rat // J. Biol. Chem. 1987, v.267. P.699-702.

12. Stevanovic M. Crvenjakov R. Genomic sequence of rat beta-globin minor gene// Nucl. Acid. Res. 1989, 17. P.4878.

13. Лихтенштейн А.В. Фракционирование ядерных и цитоплазматических РНК печени крысы на колонке метилированного альбумина-кизельгура // Докл. Акад. наук СССР. 1970. Т. 193. № 4. С. 936-938.

14 Wang H., Lu D., A study on the optimal amino acid pattern at the proximal duodenum in growing sheep // Asian-Aust. J. Anim. Sci. 2002. V. 15. No 14. P. 38-44,

15 Bocker R., Jones I.K., Karsten W. Metabolism of protein and RNA in liver of rats deprived of tryptophan//J. Nutrition. 1977. v. 107. P. 1737-1746.

16 Canfield L.M., Chytil F. Effect of low lysine diet on rat liver nuclear metabolism//J. Nutrition. 1978. 108. P. 1336-1342.

17 Омаров М.О. Динамика содержания нуклеиновых кислот и активность РНК-аз печени крыс при имбалансе аминокислот // Повышение продуктивности свиноводства на Северном Кавказе: Сборник научных трудов КНИИСХ им. П.П. Лукьяненко и Северо-Кавказского НИИ животноводства. Краснодар, 1986. C.127-132

18 Лишневская Е.В. Мембранносвязанные рибосомы//Успехи современной биологии. 1977. т. 83. вып.2. С. 182-197.

19 Сидорин В.В. Пищевая геномика и пищевая регуляция экспрессии генов// WWW MGIMO.RU

20. Тер-Аванесян М.Д., Инге-Вечтомов С.Г. Генетический контроль синтеза белка. Л.: ЛГУ, 1988. 296 с.

21. Насонов А.И., Полежаев С.Л., Радуль А.П., Рядчиков В.Г., Плотников В.К. Взаимосвязь содержания катионов магния (Mg⁺⁺), стабильности РНК и интенсивности метаболизма в клетках эукариот // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2008. № 2(11). С.104-110.

22. Grimble G.K., Malik S.B., Boza J.J. Method for measuring tissue RNA turnover//Current Opinion in Clinical Nutrition and Metabolic Care. 2000. v. 3, P.399-408.

23. Topp H., Schцch G. Whole-body degradation rates of transfer-, ribosomal-, and messenger ribonucleic acids and resting metabolic rate in 3- to 18-year-old humans // Pedeatric Res. 2000. V. 47. P. 163-175.

Размещено на Allbest.ru