Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 138
Текст из файла (страница 138)
7.3.13, Сложные генетические переключатели, регулирующие развитие дрозофилы, построены из более йаелких йаодулей В условиях, когда регуляторные белки могут располагаться на множестве участков вдоль длинных отрезков ДНК и на каждом из них собираться в ком плексы, когда эти комплексы оказывают влияние на структуру хроматина, так же как и на привлечение и сборку основного аппарата транскрипции на промоторе, казалось бы, должны существовать практически бесконечные возможности для развития контролирующих устройств, которые бы резулнровали транскрипцию эукариотических генов. Чрезвычайно поразительным примером сложного многокомпонентного генети.
ческого переключателя является механизм, контролирующий транскрипцию гена Еггеп э7гтррег7 (Епе) дрозофилы, экспрессия которого играет важную роль в развитии зародыша дрозофилы. Если этот ген инактивируется мутацией, то многие части зародыша не формируются и зародыш рано погибает.
В главе 22 описывается, что на той стадии эмбрионального развития, когда начинается экспрессия гена Еое, зародыш представляет собой единственную гигантскую клетку, содержащую мно жество ядер в общей цитоплазме. Эта цитоплазма, однако, не однообразна — она содержит смесь регуляторных белков, которые неравномерно распределены вдоль за родыша, отражая таким образом позиционную информацию, которая отличает одну часть эмбриона от другой (рис. 7.53).
(Способ, который используют поначалу для установления этих различий, описан в главе 22.) Сначала ядра идентичны, но под действием различных регуляторных белков они начинают быстро экспрессировать разные гены. Например, ядра на переднем конце развивающегося эмбриона под '% Нцпспьас(г Кгбррв( Рис. 7. 53. Неоднородное распределение четырех регуляторных белкова раннем зародыше дрозофилы.
На втой стадии зародыш представляет собой синцитий со множеством ядер, располагающихся в общей цитоплазме. На данных рисунках не показаны детали, но все зги белки сконцентрированы в ядрах. вергаются действию набора регуляторных белков, отличающегося от того, который влияет на ядра в заднем конце эмбриона. Регуляторные последовательности ДНК, контролирующие ген Еое, приспосо блены к считыванию информации о концентрации регуляторных белков в каждой точке вдоль оси эмбриона и интерпретируют эту информацию таким образом, что ген Еое экспрессируегся в виде семи регулярных полос.
Ширина каждой полосы первоначально составляет от пяти до шести ядер, и расположены полосы точно вдоль переднезадней оси эмбриона срнс. 7.54). Как осуществляется втсп выдающийся подвиг обработки информации? Еше не все молекулярные детали этого процесса поняты, но, исходя из исследований гена Еое и других генов дрозофилы, регули руемых сходным образом, уже сформулировано несколько основных принципов.
Рис. 7.54. Семь регулярных палас белка, кодируемого геном Ечел-з(г(ррег( (Ече), в развивающемся эмбрионе дрозофилы. Спустя два с половиной часа после оплодотворения яйцеклетку зафиксировали и окрасили антителами, которые распознают белок Ече (зеленьгб), и антителами, которые распознают белок 6(а пт (красный). Окраска имеетжелглыб цвет в тех местах, где содержатся оба белка. На втой стадии эмбрионального развития яйцеклетка содержит примерно 4000 ядер. Оба белка Ече и 6(апт находятся в ядрак и ширина полос белка Ече составляет примерно четыре ядра.
На рис. 7.52г7.53 также показан профиль окрашивания белка 6(апт. (С любезного разрешения М(сьае) Ееч(пе,) Регуляторная область гена Епе очень большая (примерно 20 000 нуклеотидных пар) и образована из серии относительно простых регуляторных модулей, каждый из которых содержит множество регуляторных последовательностей и определяет местоположение конкретной полосы экспрессии гена Еие на оси эмбриона. Эту модульную организацию контролирующей области гена Еге выявляют в опытах, в ходе которых определенный регуляторный модуль (скажем, определяющий по лосу 2) удаляют со своего нормального места слева от гена Еое и помещают перед репортерным геном ссм.
рис. 7А5), а затем вновь вводят в геном дрозофилы. При исследовании развиваюпгихся эмбрионов, полученных от мух, несу!них эту генетиче скую конструкцию, показано, что репортерный ген экспрессируется точно на месте полосы 2 срис. 7.55). В ходе подобных экспериментов выявляют существование модуль модуль модуль свпявнтв 3 свпавнта 2 сегмента 7 ТАТА гвн Еув модуль гвн !.вс2 в) сегмента 2 в) Рис. 7 55. Опыты, показывающие модульную организацию регуляторной области гена Еве. о) Фрагмент регуляторной области гена Еие размером 480 нухлеотидных пар удалили и вставили слева от контрольного п ром ото ра, который управляет синтезом фермента (3-гала хтозида вы (п родухт гена саг2 Е.со)г). 6) Когда искусственную хонсгрунцию вновь ввели в геном эмбрионов дрозофилы, эмбрионы зхспрессировали (3-галахтозидазу (определяют гистохимичесхим охрашиванием) точно на месте второй из семи регулярных полос гена Ехе (в).
(6 и в — с любезного разрешения 5терпеп 5гпа!! и ЗЛ(спае! Сесине.) МЛ~'5))~й~3)бйй(гМФФг(~9$4вс)сэйл'МрйгМЫ~фФМ$ ) б91 других регуляторных модулей, каждый из которых определяет или любую из шести других полос, или некоторую другую часть картины экспрессии гена Епе, в норме проявляющуюся на поздних стадиях развития (см. рис. 22.39).
7.3.14. Ген Ере дрозофилы регулируется механизмами комбинаторного контроля Подробное изучение регуляторного модуля полосы 2 дало некоторое понима ние того, как происходит считывание и интерпретация позиционной информации. Он содержит последовательности, распознаваемые двумя регуляторными белками (ВгсоЫ и НппсЬЬасй), которые активируют транскрипцию Еие, и двумя белками (Кгдрре! и ОгапО, которые ее подавляют (рнс.
7.56). (Регуляторные белки дро зофилы часто имеют колоритные имена, отражающие фенотгпг, получающийся в результате инактивации гена, кодирующего белок, из-за мутации. ) Относительные концентрации этих четырех белков определяют, будут ли белковые комплексы, образующиеся в полосе 2, активировать транскрипцию гена Еие.
На рис. 7.57 показано распределение четырех регуляторных белков вдоль области зародыша дрозофилы, где образуется полоса 2. Считается, что любой из двух репрессорных белков, если он связан с ДИК, будет выключать модуль полосы 2, тогда как для его максимальной активации должны связаться оба белка: ВгсоЫ и НппсЬЬаск. Таким образом, зта простая регуляторная единица сочетает четыре позиционных сигнала так, что включает модуль полосы 2, а следовательно, и экспрессию гена кгврры Дф~ и его участок связывания Вюои и участок связывания ~ 6!ап! и участок связывания НипсЬЬаск и его участок связывания Рис. 756. Детальная структура регуляторного модуля, ответственного эа экспрессию гена Ехе в полосе 2. Сегмент контролирующей области гена Ече, идентифицированный, как показано на предыдущем рисунке, содержит регуляторные последовательности, каждая из которых связывает тот или иной из четырех регуляторных белков.
Из генетических экспериментов стало известно, что эти четыре регуляторных белка отвечают за правильную экспрессию гена Ехе в полосе 2. Например, дрозофилы, дефицитные по двум активаторам, Вмоы и НипсььасМ, не могут эффективно экспрессировать Еке в полосе 2. У мух с дефицитом по любому из двух репрессоров гена, Сйапт и Кгцрре!, полоса 2 расширяется и занимает аномально широкую область эмбриона.
Участки связывания с ДНК для этих регуляторных белков идентифицированы следующим образом: клонировали гены, кодирующие эти белки, и проводили их сверхэкспрессию в клетках Е. сей затем белки очищали и проводили футпринтинг ДНК (см. Рис. 7.29). На верхней диаграмме показано. что в некоторых случаях участки связывания регуляторных белков перекрываются и белки могут конкурировать за связывание с ДН К. Например, считается, что связывание Кгпрре! и связывание ВкоЫ с крайним правым участком — взаимоисключающие процессы. здесь формируется сегмвнт 2 гана Еке Рис. 7.57. Распределение регуняторных бел нов, отвечающих за обеспечение экспрессии гена Еэе в полосе 2.
Распределение этих белков наглядно пРодемонстрировано при использовании методологии акрашивания развивающеюся эмбриона дрозофилы антителами, направленными против каждою из четырех белков )см. рис. 7 53 и 754), Экспрессия гена Еье в полосе 2 происходит только в той позиции, где присутствуют два активатора )в!со)г) и Нцпсььаск) и нет двух репрессоров (Карре! и 6!апт).
Например, у мух, дефицитных по Кгцрре), полоса 2 расширяется назад. Подобным же образом она расширяется назад, если участки ДНК, с которыми связывается белок Карре! в модуле полосы 2 )см. Рис. 7.56), инактивированы мутацией. Сам ген Еке кодирует ре~уляторный белок, который, после того как профиль экспрессии из семи регулярных полос установится, регулирует экспрессию других генов дрозофилы. По мере развития эмбрион, соответственно, подразделяется на все более и более тонкие сегменты, которые в итоге дадут начало различным частям взрослой особи, как описано в главе 22. Этот пример с эмбрионами дрозофилы является необычным в там плане, что ядра непосредственно подвергаются воздействию позиционных сигналов в виде концентраций регулято рных белков.
В эмбрионах большинства других организмов отдельные ядра находятся в разделенных клетках и внеклеточная позиционная информация, чтобы повлиять на геном, должна поступать или через плазматическую мембрану, или, чаще всего, создавать сигналы в цитозоле. Етге, только в тех ядрах, которые расположены в местах, где наблюдаются высокие уровни белков В)соЫ и НнпсЪЪас)с, а Кгбрре! и Сиап1 отсутствуют.
Такое сочетание активаторов н репрессоров встречается только в одной области раннего эмбриона, во всех других местах, следовательно, модуль полосы 2 неактивен. Мы уже обсудили два механизма комбинаторного контроля экспрессии генов: гетеродимеризацию регуляторных белков в растворе (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
