Том 3 (1129748), страница 89
Текст из файла (страница 89)
Дрозофила и молекулярная генетика образования тканевых структур 2045экспрессию заданных gap генов в определенных областях. Далее продукты gapгенов обеспечивают позиционные сигналы второго уровня, которые работают более локально и регулируют более тонкие детали конфигурирования посредствомэкспрессии следующей группы генов, в том числе генов gap pair rule (рис. 22.38).Гены pair rule, в свою очередь, действуют совместно друг с другом и с gap генамии устанавливают регулярную периодическую картину экспрессии генов полярности сегментов, а гены полярности сегментов действуют совместно друг с другомРис. 22.38.
Регуляторная иерархия генов полярности яйца, gap генов, генов сегментации и гомеозисныхселекторных генов. На фотографиях запечатлены характерные примеры картин экспрессии генов из каждой категории, проявленных при помощи мечения антителами к соответствующим белковым продуктам.Гомеозисные селекторные гены, обсуждаемые ниже, определяют длительные различия между сегментами.
(Фотографии сверху вниз: 1) заимствована из W. Driever and C. Nüsslein-Volhard, Cell 54: 83–104, 1988.С любезного разрешения издательства Elsevier; 2) любезно предоставлена Jim Langeland, Steve Paddok, SeanCarroll и Howard Hughes Medical Institute; 3) взята из P. A. Lawrence, The Making of a Fly. Oxford, UK: Blackwell,1992; 4) заимствована из C. Hama, Z. Ali and T. B. Kornberg, Genes Dev.
4: 1079–1093, 1990. С любезного разрешения издательства Cold Spring Harbor Laboratory Press; 5) любезность William McGinnis и переработкана основе D. Kosman et al., Science 305: 846, 2004. С любезного разрешения издательства AAAS.)2046Часть 5. Клетки в контексте их совокупностии определяют внутреннюю структуру каждого отдельно взятого сегмента. Такимобразом, данная стратегия — одна из разновидностей последовательной индукции(см.
рис. 22.16). По мере развития процесса глобальные градиенты, установленныегенами полярности яйца, запускают создание тонкой структуры через иерархиюпоследовательного, все более локального, позиционного управления. Посколькуглобальные позиционные сигналы, начинающие процесс, не должны непосредственно определять мелкие элементы структуры, вовсе не нужно, чтобы отдельныеклеточные ядра с чрезвычайной точностью управлялись маленькими различиямив концентрации этих сигналов.
Вместо этого, на каждом шаге этой последовательности в игру входят новые сигналы, которые обусловливают существенные местныеразличия концентрации и тем самым определяют новые детали строения организма.Таким образом, последовательная индукция — это устойчивая стратегия. Благодаря ее надежной работе на свет появляются зародыши мухи с общим для всехстроением организма, несмотря на существенную неточность биологических системуправления и несмотря на переменчивость условий, в которых муха вынужденаразвиваться, — таких, скажем, как температура.22.3.10. Модульная организация регуляторной ДНК позволяет генамвыполнять многочисленные и независимо контролируемые функцииТолько что описанный нами сложнейший процесс формирования структурорганизма зависит от длинных отрезков последовательности некодирующей ДНК,которые управляют экспрессией каждого из участвующих в этом деле генов. Этирегуляторные области связывают многочисленные копии регулирующих геныбелков, производимых регуляторными генами, экспрессировавшимися ранее.
Подобно логическому устройству ввода-вывода (данных), каждый отдельный гентаким образом включается и выключается согласно конкретной комбинации белков,связанных с его регуляторными областями на каждой стадии развития. В главе 7мы описываем один специфический ген сегментации — ген pair rule Even-skipped(Eve) — и обсуждаем, как на основе всех этих входов возникает решение о том,стоит ли транскрибировать этот ген (см. рис. 7.55).
К данному примеру можнообратиться и в дальнейшем, с целью показать некоторые важные принципы формирования структур организма в ходе развития.Отдельные полосы экспрессии гена Eve зависят от отдельных регуляторных модулей в регуляторной ДНК гена Eve. Таким образом, один регуляторныймодуль отвечает за экспрессию гена Eve в полосах 1 и 5, другой — в полосе 2,следующий —в полосах 3 и 7 и еще один — в полосах 4 и 6 (рис. 22.39). Каждыйрегуляторный модуль определяет свой особый набор требований для экспрессиисоответствующего гена согласно концентрациям продуктов генов полярности яйцаи заполняющих генов.
Таким вот образом регуляторная ДНК гена Eve осуществляеттрансляцию сложной неповторяющейся картины распределения белков полярностияйца и заполнения промежутков в периодическую картину экспрессии данного генаправила пар.Только что описанная здесь модульная организация регуляторной ДНК генаEve является типичной для регуляции генов в организме многоклеточных животных и растений и имеет далеко идущие последствия. Располагая в ряд друг наддругом последовательности модулей, которые отвечают на различные комбинациирегуляторных белков, можно произвести почти любую картину экспрессии геновна основе почти любой другой.
Более того, модульность позволяет регуляторной22.3. Дрозофила и молекулярная генетика образования тканевых структур 2047Рис. 22.39. Модульная организация регуляторной ДНК гена Eve. В представленном эксперименте клонированные фрагменты регуляторной ДНК сцеплены с геном-репортером LacZ (бактериальный ген). Послеэтого трансгенные эмбрионы, содержащие такие конструкции, окрасили посредством гибридизации insitu, чтобы проявить картину экспрессии гена LacZ (синего/черного цвета), и контрастно окрасили антителом к белку Eve (оранжевый), дабы показать положения полос нормальной экспрессии гена Eve.
Какобнаружено, разные сегменты регуляторной ДНК гена Eve (желтые полосы) обусловливают экспрессиюэтого гена в областях, соответствующих разным участкам нормальной картины экспрессии гена Eve. Двасегмента в тандеме обусловливают картину экспрессии, представляющую собой сумму картин, производимых каждым из них в отдельности. Отдельные регуляторные модули отвечают за разные моментывремени экспрессии этого гена, а также за разные ее местоположения: на крайнем левом изображенииотображено действие модуля, который входит в игру позже, чем другие показанные здесь модули,и продвигает экспрессию в подгруппе нейронов. (Заимствовано из М. Fujioka et al., Development 126:2527–538, 1999.
С любезного разрешения The Company of Biologists.)ДНК определять картины экспрессии генов, которые не просто сложны, но имеютперестраивающиеся независимо друг от друга части. Изменение в одном из регуляторных модулей может изменить одну часть картины экспрессии, не затрагиваяостальные ее части и не требуя изменений в наборе регуляторных белков, которыеотозвались бы на экспрессии других генов генома.
Как описано в главе 7, именнотакая регуляторная ДНК содержит ключ к сложной организации многоклеточныхрастений и животных и ее свойства делают возможной независимую приспособляемость каждого структурного звена организма в ходе развития.Большинство генов сегментации выполняет важные функции также и в другиемоменты времени и в других местах в процессе развития дрозофилы. Ген Eve, например, под управлением дополнительных энхансеров экспрессируется в подгруппахнейронов, в предшественницах мышечных клеток и в разных других участках тела(см.
рис. 22.39). За счет добавления новых модулей к регуляторной ДНК любогогена, он, без ущерба для своих старых функций, может быть приобщен в ходеэволюции к выполнению новых целей на новых участках тела.2048Часть 5. Клетки в контексте их совокупности22.3.11. Гены полярности яйца, gap гены и гены pair rule создаютвременную картину экспрессии, запоминаемую другими генамиВ течение первых нескольких часов после оплодотворения активируются gapгены и гены pair rule. Их мРНК-продукты появляются первыми в картинах экспрессии, являющихся лишь предшественником конечного рисунка; далее, в течениекороткого промежутка времени через ряд взаимосогласованных подстроек нечеткоепервоначальное распределение продуктов этих генов самостоятельно преобразуетсяв регулярную, ясно очерченную систему полос (рис. 22.40). Но сама по себе этасистема является неустойчивой и зыбкой.
Когда зародыш проходит гаструляциюи движется далее, регулярная сегментная картина продуктов gap генов и геновpair rule распадается. Однако их действия оставляют неизменный набор меток —позиционных значений — на клетках бластодермы. Эти позиционные метки записаны в виде неизменной активации определенных генов полярности сегментови гомеозисных селекторных генов, которые поддерживают сегментную организациюличинки и взрослого насекомого.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
