Переключение генов. Регуляция генной активности и фаг - Пташне М.
ISBN 5-03-000854-3
Скачать (прямая ссылка):
Чтобы продемонстрировать, как регулируется дифференциация сегментов, рассмотрим два соседних грудных сегмента, Т2 и ТЗ. Продукт одного гена, Ubx, экспрессируется в сегменте ТЗ, но не в Т2. Если этот ген не функционирует в ТЗ, последний развивается так же, как Т2; если он экспрессируется в обоих сегментах, то сегмент Т2 развивается так же, как ТЗ. Итак, появление продукта гена Ubx в ходе развития обусловливает формирование сегмента ТЗ; в противном случае образуется Т2.
Ген Ubx относится к группе гомеозисных генов, которые детерминируют дифференцировку группы клеток. Мы предполагаем, что на ранних стадиях развития в каждом сегменте включается свой особый набор гомеозисных генов. Эти гены остаются включенными на протяжении всей жизни взрослого организма и поддерживают особую схему экспрессии генов, специфичную для данного сегмента. Пока не доказано, что каждый гомеозисный белок является непосредственным регулятором генов, но многие исследователи считают, что это весьма вероятно.
Возвращаясь к фагу X, можно утверждать, что cl аналогичен гомеозисным генам. Чтобы проиллюстрировать это положение, рассмотрим гипотетический древний фаг X, у которого не было гена с/. Этот фаг должен был бы хорошо размножаться, но только литически; другими словами, он мог бы осуществлять только одну программу экспрессии генов. Введение гена с/ (вместе с генами ell и dll) позволяет фагу переходить к другому способу экспрессии генов. Напомним, что ген с/ включается на ранней стадии установления лизогении под действием ell, при участии cIII. После этого экспрессия cl самоподдерживается на постоянном уровне, а белок CI в свою очередь обеспечивает характерную для лизогении экспрессию генов. Еще один ген X, функция которого аналогична функции гомеозисных генов,- Q; как и ген cl, он необходим только для одного из альтернативных путей развития X.
Мало того, что гены d и Q необходимы только для одного из путей развития; их продукты, кроме того, во многом определяют выбор этого пути. Так, если ввести белок Q в лизогенную клетку, произойдет включение поздних генов и лизис. Если в клетку, где начинается литический цикл фага, ввести репрессор, рост фага будет подавлен. В отличие от этих
’9
генов ген N фага А, необходим и для литического роста фага, и для установления лизогении. Поскольку в отсутствие гена N фаг не будет развиваться ни по одному из возможных путей, мы бы не отнесли ген N к гомеозисным генам.
Говоря о процессах развития, иногда полезно провести различие между «принятием решения» и действительной дифференциацией клеток. Говоря так, мы подразумеваем, что клетки, которые выглядят одинаковыми на ранних стадиях развития, тем не менее впоследствии дифференцируются и, находясь в одинаковых на первый взгляд условиях, дают начало разным типам клеток. Иными словами, они «приняли решение» (коммитированы) пойти по определенному пути дифференцировки после получения соответствующего стимула.
Одна из форм подобного «принятия решения» - активация некоторых генов, возможно регуляторных. Такой набор активированных генов может в дальнейшем определить ответ на внешний сигнал, а окончательная дифференцировка может быть результатом последующих изменений экспрессии генов.
Если продолжить аналогию, то лизогенная по фагу А, клетка неотличима от неинфицированной бактерии, но только первая из них коммитирована, т. е., «приняла решение» начать литический цикл и высвободить фаговые част ицы после поступления индуцирующего сигнала. Правда, в лизогенной клетке имеются гены, которых нет в обычной клетке, но нетрудно представить себе аналогичный способ «принятия решения» с использованием только дифференциальной экспрессии генов. Возьмем простой пример: регуляторные белки клетки могут включить ген, кодирующий рецептор гормона. Такая клетка в отличие от соседней, в которой ген рецептора гормона молчит, будет отвечать на гормональное воздействие, например, новыми изменениями в общей картине экспрессии генов.
Переключатели
На разных стадиях развития высших организмов сигналы, поступающие из окружающей среды, запускают тот или иной путь экспрессии генов. Проиллюстрируем это положение следующим примером. Рассмотрим в общих чертах эмбрион дрозофилы на стадии ранней бластулы. Яйцо еще не поделилось, но деление ядра уже произошло и около 4000 ядер расположились у поверхности яйца. Вскоре эти ядра образуют клетки, из которых сформируются различные части личинки.
Каким образом ядра на этой ранней стадии получают сигнал о включении набора генов, необходимых для выбора пути развития? Считается, что для яиц характерно асимметричное, возможно градиентное, распределение молекул, которые и запускают экспрессию генов. Поэтому условия
80
окружающей среды для ядер, расположенных в передней части яйца, отличаются от таковых для ядер в задней его части. Точно так же предполагается, что концентрации некоторых веществ в вентральной и дорсальной сторонах яйца различаются. Каждое клеточное ядро должно отозваться на свое положение в яйце, «почувствовать» концентрации этих агентов и тем самым направить экспрессию генов по определенному пути.
