Пташне - Переключение генов - 1988, страница 14

Введение гена с! (вместе с генами с!! и г1!!) позволяет фагу переходить к другому способу экспрессии генов. Напомним, что ген с1 включается на ранней стадии установления лизогении под действием сП, при участии с!1!. После этого экспрессия с1 самоподдерживается на постоянном уровне, а белок С1 в свою очередь обеспечивает характерную для лизогении экспрессию генов. Еще один ген 1, функция которого аналогична функции гомеозисных генов, Д; как и ген с1, он необходим только для одного из альтернативных путей развития 1.. Мало того, что гены г1 и Д необходимы только для одного из путей развития; их продукгы, кроме того, во многом определяют выбор это~о нуги. Так.

если ввести белок Я в лизогенную клетку, произойдет включение поздних генов и лизис. Если в клетку. где начинаемся литический цикл фага, ввести репрессор, рост фага будет подавлен. В отличие от этих генов ген Х фага Х необходим и для литического роста фага, и для установления лизогении. Поскольку в отсутствие гена Х фаг не буде~ развиваться ни по одному из возможных пу-гей, мы бы не отнесли ген Х 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 Х клетка неотличима от неинфицированной бактерии, но только первая из них коммитирована, т.е., «приняла решение» начать литический цикл и высвободить фаговые частицы 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 ~снов. 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 обгцих 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 зпи ядра образуют клетки, из которых сформируются различные час~и личинки. Каким образом ядра на этой ранней стадии получают сигнал о включении набора ~енов, необходимых для выбора пути развития? Считается, что для яиц характерно асимме.гричное, возможно градиентное, распределение молекул, которые и запускают экспрессию ~снов.

Поэтому условия хо 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, ипочувствовать» концентрации этих агентов и тем самым направить экспрессию генов по определенному пути. Аналогично считается, что на поздних стадиях развития мухи клетки принимают новые решения, касающиеся экспрессии генов, на основании их положения в развивающемся эмбрионе. Можно представить, что в этом случае клетки определяют свое положение, используя концентрацию абсентов, которые продуцируют другие клетки, и включают или выключают нужные гены.

Возвращаясь к фагу Х, вспомним, что в его жизненном цикле есть две стадии, когда внеклеточные сигналы влияют на экспрессию генов. В обоих случаях главный объект воздействия — ген с1, но воспринимают и передают сигнал разные белки. В первом случае, при индукции лизогена УФ-облучением, белок Вес А инактивирует репрессор. Во втором случае условия роста клеток в момент заражения влияют на активность белка СП. который должен включить транскрипцию гена с1 для установления лизогении.

Другими словами, мы могли бы сказать, что в одном случае нарушается поддержание дифференцированного состояния, а в другом затронуто его установление. В обоих случаях влияния внеклеточных факторов на фаг Х он использует внеклеточные сигналы, чтобы принять решение, какой путь развития избрать. Мы могли бы сказать. что положение двухпозиционного переключателя генов зависит от внеклеточных условий.

Переключение Х на путь индукции, механизм которого мы понимаем лучше всего, происходит таким образом, что сравнительно небольшие изменения концентрапии репрессора определяют, произойдет ли индукция лизогена. Другими словами, разумно предположить, что разница в концен грации какого-либо регуляторного белка всего в 5 — 10 раз сможет перевести переключатель генов дрозофилы в другое положение, если только ои подобен механизму переключения фага Х. Переключатель такой конструкции практически никогда не срабатывает случайно. Так, если бы нам пришлось следить за потомством одной клетки, лизогенной по фагу Х, проверяя лишь одну из дочерних клеток в каждом поколении, нам пришлось бы ждать 5 — 10 лет, прежде чем мы обнаружили бы лизис клетки в отсутствие индуцирующего сигнала.

Способы экспрессии генов Мы полагаем, что в ходе развития высший организм экспрессирует гены во множестве различных комбинаций. Определенный ген может, например, включаться на разных стадиях развития и в различных тканях, будучи во всех случаях компонентом разных наборов активированных генов. Для этого необходимо, чтобы отдельные гены подчинялись множественным регуляторным механизмам.

Например, ген алкогольдегидрогеназы дрозофилы экспрессируется в одной группе тканей у личинки и в другой группе тканей, отчасти перекрывающейся с первой, у взрослой мухи. В этом случае мы частично понимаем механизмы регуляции. Транскрипция этого гена контролируется двумя промоторами, которые управляются разными регуляторными механизмами. В эмбрионе активны оба промотора, но в личинке активен только один, а у взрослой мухи — только дру~ой. Изучая фаг )., мы видели, что некоторые его гены экспрессируются в составе той или иной группы генов в зависимости от стадии роста.

Например, ген с1 в процессе установления лизогении работает вместе с геном иб а в стабильном лизогене с1 работает, а тг — нет. В этих двух состояниях ген с1 транскрибируется с различных промоторов: в процессе установления лнзогении- с промотора, актнвируемого белком С11, а при лизогении — с промотора лизогена, активируемого репрессором. Обращаясь к соседствующим генам 1хп и хЬ, вспомним, что для них имеются три способа экспрессии: во время лизогенизации экспресснруется преимущественно ж, во время литического роста — преимущественно хи, а при индукции происходит совместная экспрессия 1ш и хи.

Эти три способа реализуются с помощью двух промоторов, с которых транскрибируется )ш, а также путем «ретрорегуляции» на уровне мРНК гена ~лп Следующий пример относится к физиологии бактерий и показывает, сколь существенным может быгь результат совмещения двух способов регуляции одного гена. Вель в этом случае одно и то же соединение в зависимости от внешних условий активирует две разные группы ~снов. Гены лактозного (1ас) и галактозного (да1) оперонов кодируют ферменты, отвечающие за метаболизм сахаров лактозы и галактозы. Каждая группа генов инактивируется собственным рецрессором. В присутствии лактозы в среде 1ас-репрессор удаляется с ДНК, полобно ~~ ому добавление в среду галактозы инактивирует уа1-репрессор. Эти гены, как и многие другие ~ епы Е. сой, активнруются регуляторным белком БАК.

БАК связывается с ДНК и активирует транскрипцию только в присутствии циклического АМР (сАМР) и только если соответствующий репрессор удален с ДНК Таким образом, низкомолекулярное соединение сАМР активирует в присутствии лактозы 1а<-гены, а в присутствии !алактозы -да1-гены сАМР является частью еще одного регуляторного механизма Козгцентрация сАМР регулируется глюкозой В прнсу»- ствнн глюкозы синтез сАМР подавлен„н ни гены Гас, ни гены да( не могут быть активированы.

В результате если у бактерии есть выбор в утилизации различных сахаров, она предпочитае~ использовать глюкозу, а пе лактозу нлн галактозу Механизмы регуляции Из того факта, что между размножением фага ). и развитием эукариотнческих организмов можно провести некоторую параллель, необязательно следует, что в основе развития всегда лежаг одни н те же механизмы На самом деле нам известны механизмы регуляции генов, которые не встречаются у ), и в будущем, несомненно, булут открыты новые механизмы В приложении 3, завершающем эту книгу, высказаны более детальные предположения относительно возможных аналогий между механизмами регуляции генов фага 3.

и высших ор- ГАНИЗМОВ. Литература: обзоры Указаннвк ниже обзоры опубликованы в книге Непдпх К %, КоЬсгт 3 % зыы Е %, %етЬсгк К [сдз ) Еащьда !1 Ыезк Уог)г, Сом карпов НагЬог, 1983 СатрЬел А Во!тая 0 Гчо)пгюп о( Гье !ащьдон1 рЬавез, рр 365 381, 1983 2 Стаса ГГ Сон!го! оГ ~а!сага!гоп апд ехсюоп, рр 75 93. 1983 3 Рпег(тазг 0 Соггезтт~ М Еуг с тоде оГ ). дете)ортеп!, рр 21 53, 1983 4 Нытье> А 0 0отг И' 1пггодпспоп го ), рр 3 13, 1983 5 Иеоьгга Я Г.аиду А впе-зрссгбс гссощЬ|паноп щ рЬаас х, рр 211- 251, 1983 6 Ий()10 Козелбегр М Езгайгзйщеп) оГ герггвзог зупгЬетз, рр 53 75, 1983 В следующих обзорах обсуждаются различные аспекты регуляции генов в ходе рьзви»ия дрозофи»ы С»атьи о регуляции других эукариотических генов приведены в списке литературы к приложению 3 7 Сеггт-Вг)бдо А Гоитглге Р А Магога С Сотрапгпепгз |п ащпы! дече1ортепг, Ят Аюег, 241, 102 110 (!979) 8 Сеь ггы И'.Г ТЬс гпо)есп)аг Ьаки оГ дете!орщепг, Бс1 Апзег, 253, 153 !62 11985) 9 Гзагз))магг 5 56у»гг)зо я Тгоьегг и Сопгго1 оГ зелпепгы) согпрагппеп! Гог ~напои ~п ГзгозорЬ14, Бекасе, 199, 259 270 (1978) 1О Сегггз Е В Сои!го) оГ Ьоду зекпкпг дг((егепгыг1оп щ 0гозорвдс Ьу ГЬе ЬпЬогах вепе сощр1ех !п ЕтЬгуопгс Осте)орщепз Сгепез апд Се!!з, ед М Впгкег, Хек Уог)г, Сиз, рр 269 288, 1982 Глава 4 Откуда мы это знаем? Ключевые эксперименты В первых нескольких разделах этой главы рассмотрены важнейшие эксперименты, которые послужили основой для существующих представлений о механизмах переключения генов.

Далее описаны некоторые эксперименты, иллюстрируюгцие суть многих рисунков гл, 1 и 2. Более подробное изложение экспериментальных данных можно найти в статьях„ указанных в списке литературы в конце этой главы, а также в работах, которые цитируются в этих статьях. В настоящей главе не приведены данные, на которых основаны концепции, изложенные в гл. 3.