Пташне - Переключение генов - 1988, страница 13

начиная г участка. где пронзонщо надрезание 74 Допустим, что белок СН при этом неактивен, и сосредоточим внимание на транскрипте, который начинается с промотора Р, и считывается с генов иг и хЬ. Здесь мы впервые сталкиваемся с регуляцией не на уровне инициации транскрипции РНК, а на уровне стабильности мРНК. Напомним, что под действием антитерминирующего белка Н синтез мРНК, который начинается на промоторе Р,, проходит через ген % и продолжается на генах !ну и хгж Белок р! переводит РНК-полимеразу в такую форму, что она пропускает сигнал конца транскрипции гена гнд который вообще-то должен был ее остановить.

Таким образом, полимераза, модифицированная под действием Н, продолжает гранскрипцию и прочитывает область уй, как показано на рис. 3. ! 1 и 3.12. Далее с мРНК, несущей на копне область х!Ь, происходит поразительная вещь; она постепенно разрушается, начиная с участка вблизи хе!т„и затем обратно по направлению к гену Х. Поскольку информация, кодируюгцая белок 1пц уничтожается раньше, чем информация о белке Х|з, эта мРНК успевает «произвести» больше белка Х1з, чем 1пп Такой способ регуляции называют ретрорегуляцией. Индукции В третьем случае, при индукции лизогена, фаг должен образовывать оба белка, !пг и Х!з, чтобы могло произойти его вырезание из хромосомы хозяина.

Но поскольку речь идет о начале литического роста, мы не можем рассчитывать на вттв рис 3!3 Интегре|тия и реево.о кение ~ снов фиги Ь В ревультвте интсгрлгии, г е рекомбинации по тчве~л«е«ч~: к Ф оле1ывветея лвлско отетоя~геим ~ енс чг белок С11, чтобы обеспечить синтез 1пк Проблема решается следующим образом: в результате транскрипции с промотора Р„опять-таки образуется мРНК, кодирующая 1п1 и Х1з, но в этом случае область яЬ на конце мРНК отсутс~вуе~. Как видно на рис. 3.13, в результате процесса интеграции фаговой хромосомы область 1Й оказывается далеко отстоящей от тб так что мРНК, инициированная на Рь, не содержит области лЬ.

Следовательно, с этой мРНК транслируются и 1пц и Хпь Другие фаги Фаг Х входит в группу фагов, которые инфицируют клетки Е. сой и могут лизогенизировать их. Последовательность ДНК некоторых из этих фагов нисколько не похожа на последовательность ).. Тем не менее общие принципы организации их генов и механизмы регуляции очень близки.

Таким образом, карта, приведенная на рис. 3.1, приложима ко многим фагам, но с небольшими модификациями. Например, все эти фаги различаются по последовательности сайта ац и потому внедряются в разные места бактериальной хромосомы. В каждом случае продукты генов )ш и хи предназначены для катализа строго определенных процессов интеграции и эксцизии. Еще один пример индивидуальных различий: Я-подобные белки разных фигов обладают антитерминируюшей активностью только по отношению к своим собственным небольшим РНК, считанным со своих хромосом, и не работают в качестве антитермииаторов при транскрипции )..

Наконец, все эти фаги используют свои собственные репрессоры и белки Сго, действующие на свои операторы, но не на операторы ).. Если говорить об общих принципах организации, которым посвящена эта глава, или о деталях молекулярных механизмов, как в гл, ! и 2, то становится очевидным, что в целом регуляторные механизмы одинаковы, хотя специфические последовательности, которые в них используются, различны. Разные фаги эволюционируют совместно, обмениваясь время от времени участками своих хромосом с помощью генетической рекомбинации.

Например, если область ап-х1х-~п~ фага ). заменить соответствующей ДНК другого фага, то мы получим фаг, идентичный )., но встраивающийся в другое место бактериальной хромосомы. Для осуществления такого гасования целых комплексов информационных единиц (генов) необходимо, чтобы последовательности ДНК, являющиеся местами действия регуляторных белков, лежали поблизости от генов, кодируюших сами эти белки. Так, репрессор и белок Сго связываются с операторами, фланкирующими ген г1; белки О и Р действуют на область начала репликации (Оп).

которая лежит внутри са- мого гена 0; продукты генов иг и хи действуют на ац: О действует на участок, расположенный вблизи гена Д; наконец, белок Х узнает участки Мш, лежащие вблизи гена Ю. БОЯ-ответ Индукция фага ).— лишь один из многих ответов бактерии на облучение УФ-светом. При этом включается в общей сложности 10-20 бактериальных генов, и по крайней мере некоторые из них помогают бактерии выжить. Эти гены в совокупности называют БОБ-системой, а их активацию — БОБ-ответом клетки. Механизм индукции бактериальных генов под действием УФ-света такой же, как при индукции роста фага в лизогенных клетках.

Напомним, что УФ-облучение вызывает повреждения ДНК (гл. !). В результате белок Вес А, который обычно способствует рекомбинации между молекулами ДНК, превращается в особую протеазу: она расщепляет Х-репрессор, запуская тем самым индукцию (рис. 1,21). Вес А расщепляет егце по крайней мере один репрессор, белок хозяйской клетки ).ех А. Еех А сходен с репрессором ) и по структуре, и по функции. Мономер 1.ех А состоит из двух доменов: амино-концевого, узнающего ДНК, и карбокси-концевого, который удерживает субъединицы вместе в составе димера.

Белок ).ех А подавляет активность ряда генов, продукты которых помогают бак~ерин выжить при облучении (рис. 3.14). При УФ-облучении ).ех А инактивируется под действием Вес А, и эти гены включаются. Вес А расщепляет 1.ех А точно так же, как он расщепляет репрессор, по строго определенной связи в цепочке аминокислот, соединяющей два домена. Репрессор )., подобно репрессорам других фагов, лизогенизирующнх Е.

со)1, использует БОЯ-ответ клетки. Репрессированный фа~ «чувствует», что хозяйская клетка повреждена, и немедленно начинает литический цикл. БОЯ-система включается не только под действием УФ- облучения. Как правило, ее может запустить любой канцероген, если он соответствующим образом активирован. Бензпирен-одно из соединений, вызывающих образование опухолей у животных. Сам по себе бензпирен инертен, но после модификации под действием фермента, который находится в печени живо.гных, он реагирует с ДНК и вызывает в ней повреждения. Если бензпирен добавить непосредственно в среду, он не оказывает никакого действия на бактерии, но если его вначале модифицировать с помощью ферментов печени, он эффективно индуцирует БОБ-ответ.

Способность того или иного соединения индуцировать БОЯ-ответ коррелирует с его способностью вызывать образо- 77 Рис 3!4 Действие белка асад и БОб-ответ Показаны некоторые гены, подавляемые белком ЕехА Гены исгА и исгй кодируют белки, ответственные за репарацию поврсжленной УФ-облучением ДНК Для образования мутанпгых бактерий в ответ на УФ-облучение по непонятным причинам необходим белок г!тпе Ор — операторы ! ехд которые располагаются рядом с промоторами каждого из указанных генов ванне опухолей у животных; и хотя споры по поводу правомочности такой корреляции продолжаются, бактерии используют в качестве чувствительных детекторов при проверке веществ на канцерогенность.

Применяют два основных теста: индукцию роста фага в лизогенных бактериях и появление мутантов в нелизогенных кулю урах. Последний подход лежит в основе известного теста Эймса на канцерогенность. В обоих случаях первичное событие. происходягцее сразу после повреждения ДНК,— индукция экспрессии генов. Для индукции фага необходимо, чтобы гкес А активировал фаговые гены, расщепив репрессор; для мутагенеза необходимо, чтобы Вес А актнвировал бактериальные гены, расщепив Еех А. Пути развития фага А и развитие зукариотических клеток: возможные аналогии Мы рассматриваем альтернативные способы экспрессии генов как простейшую модель развития.

Теперь проведем три аналогии между этими процессами и развитием эукариотическог о организма из оплодотворенного яйца. Это позволит нам подытожить основные черты регуляции генов фага Х и увидеть их в новом свете. Регуляторные гены При изучении высших организмов были обнаружены гены, роль которых состоит в регуляции экспрессии других генов. С одним из наиболее поразительных примеров такого рода мы встречаемся у плодовой мушки РгокорЫа те!апоуах!ег, Этот организм развивается из оплодотворенного яйца в три этапа. Вначале формируется эмбрион, затем личинка и наконец взрослая муха. Организм личинки и взрослой мухи состоит примерно из 15 сегментов, которые образуют голову, грудь и брюшко. Каждый сегмент, особенно если он относится к грудным или брюшным, легко отличить от остальных сегментов и у личинки, и у взрослой мухи. Чтобы продемонстрировать, как регулируется дифференциация сегментов, рассмотрим два соседних грудных сегмента, Т2 и ТЗ.

Продукт одно~ о т епа, Ии, 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 сегмен~ Т2 развивается так же, как ТЗ. Итак, появление продукта гена УЬк в ходе развития обусловливает формирование сегмента ТЗ; в противном случае образуется Т2, Ген !ах относится к группе гомеозисных генов, которые детерминируют дифференцировку группы клеток. Мы предполагаем, что на ранних стадиях развития в каждом сегмензе 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 фа~у Х, можно утверждать, что с! аналогичен гомеозисным генам. Чтобы проиллюстрировать это положение, рассмотрим гипотетический древний фаг Х, у которого не было гена г!. Этот фаг должен был бы хорошо размножаться, но только литически; другими словами, он мог бы осуществлять только одну программу экспрессии генов.