Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 141
Текст из файла (страница 141)
Результатом станет изменяющийся паттерн активности генов, что можно зафиксировать, наблюдая в течение длительных промежутков времени множество клеточных поколений. Хорошо изученный пример этого механизма дифференцировки встречается у бактерий Ба1топеДа и известен как фазовая вариация (рЬазе таг1а6оп). Этот способ дифференцировки не имеет эквивалентов у высших эукариот, но может оказывать значительное воздействие на животных, так как болезнетворная бактерия использует его для того, чтобы избежать обнаружения иммунной системой хозяина, Переключение экспрессии генов у 5а!топеДа происходит путем случайной инверсии специфического участка ДНК размером 1000 нуклеотидных пар, что изменяет экспрессию белка клеточной поверхности флагеллина, для которого у бактерии есть 2 различных гена (рис.
7.64). Фермент сайт-специфической рекомбинации катализирует инверсию и таким образом изменяет ориентацию промотора, расположенного внутри инвертированного сегмента ДНК. Если промотор находится в одной ориентации, бактерия синтезирует один тип флагеллина, а если в другой ориентации — синтезируется другой тип. Поскольку инверсии происходят очень редко, то все клоны бактерий несут тот или иной тип флагеллина. Весьма вероятно, развитие фазовой вариации в ходе эволюции произошло по причине того, что она защищает популяцию бактерий от иммунного ответа организма хозяина-позвоночного. Если у хозяина вырабатываются антитела к одному типу флагеллина, то несколько бактерий, флагеллин которых оказался измененным вследствие инверсии гена, смогут выжить и размножиться. У бактерий из природных популяций очень часто наблюдается фазовая вариация по одному или нескольким фенотипическим признакам. Подобные «нестабильности» исчезают с течением времени у стандартных лабораторных штаммов, и поэтому лежащие в их основе механизмы изучены только в нескольких случаях.
Не все из них связаны с инверсией ДНК. Например, бактерия, вызывающая у человека гонорею (ХеЫепа допоп Ьоеае), избегает действия иммунной системы благодаря наследуемому изменению свойств клеточной поверхности, возникающему вследствие генной конверсии (описана в главе 5), а не инверсии. Этот механизм основан на переносе последовательностей ДНК из библиотеки молчащих «кассет геновь на участок генома, где происходит экспрессия генов. Его преимущество заключается в создании множества вариантов основного белка поверхности бактериальной клетки. инвертируемыи сепкент Реп рессор промогор Н1 Е~Л1., '" ВКЛЮЧЕН е ВЫКЛЮЧЕН Репрессор блокирует синтез Н1 еев~ белок- репрессор промотор г.'л Н2 ВКЛЮЧЕН Н2 Репрессор промотор Н1 п Е~ ь~~ю в нивен инвертируемый сегмент е в е белок Н2 Рис. 7.64.
Переключение экспрессии генов у бактерий путем инверсии ДНК. Альтернативная транскрипция двух генов флагеллина у бактерии 5а/гпапева в результате просюй сайт специфической рекомбинации, приводящей к инверсии небольшого сегмента ДНК, содержащего промотор. а) Приняв одну ориентацию, промогор активирует транскрипцию гена флагеллина Н2, так же как и белка-репрессора, блокирующего экспрессию гена флагеллина Нт. б) Если промотор инвертирован, то он больше не включает экспрессию гена Н2 или репрессора, а, вмесю этого, экспрессируется ген Нт, который, таким образом, больше не подавляется. Механизм рекомбинации активируется лишь изредка (примерно один раз на тоз клеточных делений).
Следовательно, образование одного или другого типа флагеллина обычно строго наследуется в каждом клоне клеток. 7.4.2. Набор регуллторных белков определяет тип клеток )г почи)лощихся дрожжей По причине легкости выращивания и проведения различных генетических зкс периментов над дрожжами, они послужили модельными организмами для изучения механизмов контроля генов в зукариотических клетках. Обычные пекарские дрожжи Яассггатотусез сехепззгае привлекли к себе особый интерес из за их способности дифференцироваться в три различных типа клеток.
Дрожжи — зто одноклеточные эукариоты, которые могут существовать как в саплоидном, так и в диплоидном со стоянии. Диплоидные клетки образуются в ходе процесса, известного как спаривание (гпа(гщ), при котором две гаплоидные клетки сливаются Чтобы зто произошло, клетки должны различаться по типу спаривания (полу). У дрожжей существуют два типа спаривания: а и а. Клетки двух типов приспособлены для спаривания друг с другом: каждая из них образует специфическую диффундируюшую сигнальную молекулу (фактор спаривания) и специфический белок рецептор клеточной поверхно сти; благодаря им клетки противоположного типа спаривания способны узнавать друг друга и сливаться. Образовавшиеся в результате диплоидные клетки, обозначаемые а а,отличаются от каждого из родительских типов: они не способны спариваться, 702 Часть 2. Основные генетические механизмы но при недостатке питательных веществ могут формировать споры (спорулировать), которые при мейозе дают начало гаплоидным клеткам (описано в главе 21).
Механизмы, обусловливающие образование и поддержание трех этих клеточных типов, иллюстрируют несколько из ранее рассмотренных стратегий, приводящих к изменению профиля экспрессии генов. Тип спаривания гаплоидной клетки определяется единственным локусом, локусом типа спаривания (шабпя-суре 1оспз, Ма!), который в клетке а-типа кодирует один регуляторный белок, Ма(а!, а в а-клетках— два регуляторных белка, Ма1а! и Ма1а2. Белок Ма1а1 никак не проявляет себя в гаплоидных клетках а-типа, которые его синтезируют, но становится важным в дальнейшем — в диплоидной клетке, образующейся в результате спаривания.
В отличие от Ма(а!, белок Ма(а2 действует в а-клетках как репрессор транскрипции, который выключает а-специфические гены, тогда как белок Маца! выступает в роли активатора транскрипции, включая а-специфические гены. После слияния клеток двух типов спаривания комбинация регуляторных белков Ма(а! и Ма1а2 обусловливает совершенно новый патгерн экспрессии генов, отличный от родительских. На рис. 7.65 проиллюстрирован механизм, с помощью которого специфические гены, отвегственные за тип спаривания, по-разному экспрессируются в трех типах клеток. Это один из первых идентифицированных примеров комбинаторного контроля генов, который остается одним из самых изученных на молекулярном уровне.
У большинства лаГюраторных штаммов 5. сегеогз(ае а- и а-типы клеток стабильно поддерживаются на протяжении множества клеточных делений, но некоторые штаммы, выделенные из природных популяций, могут многократно переключаться между этими типами клеток при помощи механизма перестройки генов, по результатам напоминающим перестройку ДНК у Х. допоп4юеаз; однако точный механизм характерен, по-видимому, только для дрожжей. В хромосоме дрожжей по обеим сторонам локуса Ма( располагается по молчащему локусу, кодирующему регуляторные белки, определяющие тип спаривания: молчащий локус с одной стороны кодирует Ма1а! и Ма(а2, молчащий локус с другой стороны — Ма1а1. Почти через каждое клеточное деление активный ген в локусе Ма( вырезаегся и заменяется вновь синтезированной копией молчащего локуса, определяющего противоположнь1й тип спаривания.
Поскольку при изменении из активной «ячейки» удаляется один ген, а на его место встает другой, этот механизм называют кассетным механизмом. Изменение обратимо, так как при удалении первоначального гена из локуса Ма( в геноме остается его молчащая копия.
Новые копии ДНК, синтезированные с молчащих генов, действуют как одноразовые кассеты, которые по очереди вставляются в локус Ма(, служащий в качестве «проигрывателя» (рис. 7.66). Молчащие кассеты упакованы в специализированную форму хроматина и поддерживаются в транскрипционно неактивной форме. Исследование этих кассет, которое продолжается уже почти 40 лет, дало многие из ключевых представлений о роли структуры хроматина в регуляции генов.
7.4.3. Два белка, подавляющие синтез друг друга, определяют наследственный статус бактериофага лямбда Как мы выяснили в начале данной главы, ядро одной дифференцированной клетки содержит всю необходимую генетическую информацию для построения всего организма позвоночного или растения. Это исключает возможность того, что основным механизмом клеточной дифференцировки у этих высших эукариот будет необратимое изменение в последовательности ДНК, хотя подобные изменения встречаются при бапиз.регуляторы, продуцируамыа с покуса л(ат набор генов, жжтролируемых покусом Мв( Мсп» АктиВный озв НЕАКТИВНЫЙ Ьзв юююююж * я (гаппоидная) Ма)а1 (нет эфФекта) Й$" К1 Мат 1 Мат 2 НЕАКТИВНЫЙ ("ж"оиднак) Маагт, м Мощ1 а80 АКТИВНЫЙ ЬЗО ььнВВВиэж Фйг-, (диппоидная) 1 НЕАКТИВНЫЙ НЕАКТИВНЫЙ ~ ~ЮКГ~ЮЮ дифференцировке лимфоцитов (описано в главе 25). Обраптимые изменения последо вательности ДИК, которые напоминают недавно описанные для 5а(лгопеПа и дрожжей, в принципе, все еще могут быть ответственны за некоторые из наследуемых изменений экспрессии генов, наблюдаемых у высших организмов, но в настоящее время нет до казательств того, что подобные механизмы широко используются.
Другие механизмы, уже затронутые в этой главе, однако, также способны участвовать в создании паттернов регуляции генов, которые могут передаваться Рис. 7.65. Контроль типа клеток у дрожжей. Три регуляторных белка Матц1, Мата2 и Мата1, которые синтезируются на покусе Маг, определяют тип клеток у дрожжей. В гаплоидных клетках типа а, в гаплоидных клетках типа а и в диплоидных клетнах (типа а/а) транскрибируются различные наборы генов. Гаплоидные клетки зкспрессируют либо набор аспецифических генов (а56), либо набор а-специфических генов (о56), плюс набор гаплоид специфических генов (Ь56). В дипло иди ых клетках ни один из этих генов не экс пресс ируется. Регуляторные белки Мат контролируют многие заданные гены в каждом типе клеток, связываясь в различных комбинациях со специфическими регуляторными последовательностями, расположенными перед этими генами.
Следует отметить, что белок Мата1 является белком-активатором, тогда на к Мато2-это белок-реп рессор. Оба работают в сочетании с регуляторным белком Мсгп1, ного рый есть у всех трех типов клеток. В диплоидной клетке Мата2 и Мата1 образуют гетеродимер (изображен в деталях на рис. 7 21), который выключает набор генов (атом числе ген, жтцирующий белок активатор Мжа1), отличающийся от того, который выключают белки Мата2 и Мсгп1.
Зта относительно простая система регуляторных белков — пример комбинаторного контроля экспрессии генов. молчащая кассете покус а)е( типа е молчащая кассета типа а встраивание новой квссепя в — ТИП СПАРИВАНИЯ а удаление старой кассеты а ниеоа нае  — ТИП СПАРИВАНИЯ е встраивание новой кассеты а Рис. 7 66. Кассетная модель переключения типа спаривания у дрожжей. Кассетное переключение происходит в ходе процесса конверсии гена с участием специвли пированного фермента (Но-зндонуклев вы), которая вводит двухцепочечный разрез в специфическую последовательность ДНК покуса Мат.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
