Контекст может изменить значение кодона внутри цистрона. Долгое время полагали, что непосредственно в белок включаются только двадцать стандартных аминокислот, приведенных в таблице генетического кода (см. рис. 2). Другие многочисленные минорные аминокислотные остатки, обнаруживаемые в белках, появляются в них уже после синтеза белка в результате так называемых посттрансляционных модификаций некоторых из двадцати стандартных аминокислот. Сравнительно недавно, однако, было показано, что аминокислота селеноцистеин (очень редкая, но функционально очень важная аминокислота) непосредственно включается в белок. Возникает закономерный вопрос, как же закодирована эта аминокислота. Ведь значение всех 64 возможных кодонов уже четко определено, и все они используются в кодировании двадцати стандартных аминокислот и сигналов терминации.

Исследования показали, что селеноцистеин кодируется UGA (терминирующим кодоном в таблице генетического кода), если за ним находится особая стимулирующая последовательность. Эта последовательность может отстоять от UGA на очень большом расстоянии - иногда она может быть на расстоянии 200 нуклеотидов и находиться в 3'-нетранслируемой области мРНК (рис. 3, б ).

Некоторые мРНК содержат сигналы на изменение рамки считывания. Некоторые мРНК содержат в транслируемой области терминирующие кодоны, но эти кодоны успешно обходятся за счет изменения рамки считывания перед ними или непосредственно на них. Рамка может сдвигаться на -1, +1 и + 2. Существуют специальные сигналы в мРНК, изменяющие рамку считывания. Так, сдвиг рамки трансляции на -1 на РНК ретровируса происходит на специфической гептануклеотидной последовательности перед шпилечной структурой в мРНК (рис. 3, в). Для сдвига рамки на +1 на мРНК бактериального фактора терминацинации RF-2 важны нуклеотидная последовательность на месте сдвига (кодон UGA), последующий кодон, а также предшествующая им последовательность, комплементарная к 3'-концевой последовательности рибосомной РНК (аналог последовательности Шайна-Дальгарно) (рис. 3, г).

Считывание мРНК в пределах одного цистрона не всегда является непрерывным. Первоначально считалось, что последовательность нуклеотидов в мРНК всегда читается непрерывно от инициирующего до терминирующего кодона. Однако оказалось, что при трансляции мРНК гена 60 фага Т4 последовательность значительной длины может пропускаться (рис. 3, д). При этом рибосома совершает как бы прыжок по мРНК с одного глицинового кодона GGA, находящегося перед терминирующим кодоном UAG, на другой глициновый кодон GGA, который отстоит от первого на 50 нуклеотидов. Механизм этого явления пока не очень ясен. Не исключено, что такое шунтирование мРНК обеспечивается ее особой пространственной структурой, например выпетливанием той части молекулы мРНК, которая пропускается при трансляции.

Все приведенные примеры нарушения общих правил кодирования так или иначе связаны с существованием определенного контекста в мРНК. Этот контекст или перекодирующие сигналы иногда называют вторым генетическим кодом.

МНОГИЕ мРНК СОДЕРЖАТ СИГНАЛЫ ПОЛИАДЕНИЛИРОВАНИЯ

Около половины мРНК эукариот полиаденилируются на 3'-конце во время процессинга в клеточном ядре. Сигналом ядерного полиаденилирования 3'-конца служит последовательность AAUAAA, расположенная за 10-20 нуклеотидов от этого конца. В некоторых случаях, например в зрелых ооцитах амфибий или сухих, неактивных в белковом синтезе зародышах пшеницы, мРНК не полиаденилированы. Активация белкового синтеза в развитии сопровождается полиаденилированием этих мРНК в цитоплазме. Для цитоплазматического полиаденилирования мРНК должны содержать в 3'-нетранслируемой области наряду с элементом ядерного полиаденилирования дополнительную последовательность - элемент цитоплазматического полиаденилирования. Такой последовательностью у амфибий является (U)6AUAAAG. Поли(А)-хвост на мРНК узнается особым поли(А)-связывающим белком, который участвует в инициации трансляции мРНК по кэп-зависимому механизму.

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ В мРНК ОТВЕЧАЮТ ЗА РЕГУЛЯЦИЮ ЕЕ МАТРИЧНОЙ АКТИВНОСТИ В БЕЛКОВОМ СИНТЕЗЕ

Матричная активность различных мРНК сильно различается. Очень активными (сильными) матрицами являются фаговые и вирусные РНК, а также клеточные мРНК для мажорных белков клетки, таких, например, как глобины. Наоборот, матрицы для белков, присутствующих в клетке в малых количествах, как правило, являются очень слабыми. Сила матрицы чаще всего определяется эффективностью процесса ее инициации. У эукариот помимо контекста нуклеотидов в районе инициирующего триплета (см. выше) эффективность матрицы сильно падает при наличии в 5'-нетранслируемой области развитой вторичной структуры (образовании двуспиральных участков, таких, как шпильки), а также, по-видимому, с увеличением длины 5'-НТО выше определенного предела. Активность эукариотических мРНК в трансляции катастрофически уменьшается при их декэпировании или введении в 5'-НТО кодонов AUG, в контексте, неоптимальном для инициации. Прокариотические мРНК плохо транслируются, если инициирующие кодоны находятся в двойных спиралях.

Избирательное влияние на активность мРНК в трансляции оказывают специфические регуляторные белки или специальные регуляторные РНК. Эти белки или РНК проявляют свое действие, связываясь со специфическими последовательностями или структурами в мРНК, которые называются регуляторными элементами. В большинстве случаев регуляторные элементы располагаются в 5'-НТО вблизи инициирующего кодона. Однако в некоторых случаях регулярные элементы могут быть на значительном расстоянии от инициирующего кодона, в том числе в 3'-НТО. Связываясь с мРНК вблизи инициирующего кодона, регуляторные белки могут создавать препятствия для компонентов белоксинтезирующего аппарата (мешать связыванию с мРНК или ее сканированию). При связывании с мРНК на большом расстоянии от места инициации регуляторные белки могут влиять на процесс инициации путем изменения общей пространственной структуры мРНК, изменяя таким образом доступность инициирующего кодона или 5'-конца мРНК для белоксинтезирующего аппарата.

Регуляторными белками могут быть специальные белки клетки, выполняющие только эту функцию в организме, а также белки, имеющие в организме другие функции и работающие в качестве регуляторных белков "по совместительству". Довольно часто в качестве белков, регулирующих активность определенных мРНК, могут выступать сами продукты их трансляции (авторегуляция). Обратимся теперь к некоторым конкретным примерам.

Трансляция мРНК треонил-тРНК-синтетазы у бактерий находится под контролем ее продукта (авторегуляция). Авторегуляция достигается за счет специфического сродства треонил-тРНК-синтетазы к своей матрице. Связывание синтетазы с мРНК происходит в ее 5'-НТО со специфической последовательностью (регуляторным элементом), которая складывается во вторичную структуру, напоминающую отдельные элементы вторичной структуры треониловой тРНК. При ограниченном количестве фермента в клетке он ассоциирует главным образом со своим субстратом - треонил-тРНК. В этих условиях мРНК треонил-тРНК-синтетазы может активно транслироваться. При увеличении количества этого фермента избыточный фермент взаимодействует с регуляторным элементом в 5'-НТО своей мРНК. Это приводит к переходу мРНК в такую конформацию, в которой инициирующий триплет оказывается вовлеченным в двуспиральную структуру. В результате инициация синтеза треонил-тРНК-синтетазы прекращается.