Биофизика познает рак
Шрифт:
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,
Таблица 5. Возможные замены характерных аминокислот ЛДГ1 на характерные аминокислоты ЛДГ5 и их механизм (анализ данных работы Вахсмита и соавторов)
| Заменяемая аминокислота | Включаемая аминокислота | Механизм замены | |
|---|---|---|---|
| Замена одного нуклеотида | Сдвиг рамки чтения | ||
| 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.