Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 142
Текст из файла (страница 142)
ДНК вблизи разрезе затем удаляется и заменяется копией молчащей кассеты, определяющей противоположный тип спаривания. Механизм втой специвлизироввнной формы генной конверсии схож с репарацией двухцепочечных разрывов, описанной в главе 5 (рвзд. 5.5.6). '" Состояние профага. нлн лнзогенный путь. 77рим. рег). " Лнтнческий путь. Прим. ред, по наследству последующим клеточным поколениям. Один из самых простых примеров — переключатель, присущий бактериальиому вирусу (бактериофагу) лямбда: вирус как бы находится в позиции етуда-сюда» 111(р 11ор) между двумя стабильными самоподдерживающимися состояниями. Этот тип переключателя можно рассматривать как прототип похожих, ио более сложных переключателей, которые действуют в ходе развития высших эукариот.
Ранее упоминалось, что при благоприятных условиях бактериофаг лямбда может всграиваться в ДНК клетки Е. со1з и автоматически реплицироваться каж дый раз, когда делится бактерия'с. В другом варианте вирус может размножаться в цитоплазме, приводя к гибели своего хозяина" 1см. Рис, 5.78). Белки, коди руемые геиомом бактериофага, принимают участие в переключении между двумя этими состояниями, Геном бактериофага содержит всего около 50 генов, которые совершенно по.разиому трапскрибируются в двух состояниях. 11апример, вирус, который собирается интегрироваться в геном, должен синтезировать белок ингле гразу, необходимый для встраивания Д)зК бактериофага в хромосому бактерии, ио должен подавить образование вирусных белков, ответственных за размножение вируса. 11осле того как установился тот или другой тип транскрипции, ои уже стабильно поддерживается.
стебилыезе гюстояние Е состояние профаге стабильное сосюяние 2: литическое состояние синтезируется репрессор фета лямбда синтезируется Сто-белок фага лямбда оператор ~ ВКПЮЧВМ го-белок ф чз() га лямбда Рис. 7.67. Упрощенный вариант регуляторной системы, определяющей способ роста бакмриофага лямбда в хозяйских клетках Е.
соя. В стабильном состоянии 1 (состояние п рофа та) синтезируется белокрепрессор, который активирует свой собственный синтез и выключает синтез ряда других белков бактериофага, включая белок Сто. В состоянии 2 (литическое состояние) синтезируется белок Сю, который выключает синтез белка-репрессорэ. В результате образуется много фаговых белков, вирусная ДНК свободно реплицируется в клетке Е. соФ, формируется много новых частиц бактериофага, что в итоге приводит к гибели клетки. Зтот пример показывает, как два регуляторных белка могут быть объединены цепочкой событий, приводящих к двум статусам наследования.
Репрессор фага лямбда и белок Сто узнают оператор через мотив спираль-поворот-спираль (см. Рис. 7.11). Центром этого сложного механизма переключения регуляции генов являются два регуляторных белка, синтезируемых вирусом: белок репрессор фага лямбда (белок с1; (ашЫа гергеззог рго(егп), с которым мы уже сталкивачись, и белок Сто (Сто рго1етп). Эти белки подавляют синтез друг друга — условие, приводящее к существованию только двух стабильных состояний (рис. 7.67).
В состоянии 1 (состояние профага) репрессор фага лямбда занимает оператор, блокируя синтез белка Сго и при атом активируя свой собственный синтез. В состоянии 2 (литическое состояние) белок Сго занимает другой участок на операторе, блокируя синтез репрессора, но делая возможным свой собственный синтез. В состоянии профага большая часть ДНК стабильно включенного в геном клетки-хозяина бактериофага не транскрибируется. В литическом состоянии ДНК интенсивно транскрибируется, реплицируется, упаковывается в новые вирусные частицы, которые высвобождаются при лизисе клетки хозяина. Если клетки хозяйского штамма растут хорошо, то бактериофаг, скорее всего, примет состояние 1, что позволит его ДНК размножаться вместе с хромосомой хозяина.
Если клетка, несущая профаг, оказывается ослабленной, то встроенный вирус переходит из состояния 1 в состояние 2, чтобы размножиться в цитоплазме клетки и быстро выйти из нее. Этот переход запускается ответом клетки хозяина на повреждение ДНК, которое инактивирует белок-репрессор. Однако при отсут ствии таких сигналов репрессор фага лямбда выключает образование белка Сго и включает свой собственный синтез, и зта петля положительной обратной связи (роз(Гггге 7еег(Ьас)г (оор) помогает полдерживать стадию профага. 7.4.4. Простьге генетические регуляторньяе цепи могут использовпться для создвния звпоминпюц(их устрОЙстВ Петли положительной обратной связи служат основой для простой общей стра тегии клеточной памяти, то есть для создания и поддержания наследуемых паттернов эффект от кратковременного сигнале запоминает<и во все< последующих клетках атковременн сигнал включает белок А экспрессию белка А не синтезируется, так как в норме дпя его транскрипции нуэмн он сам Рис.
т.бв. Схематическое изображение, показывающее, кан петля положительной обратной связи может создавать клеточную память. Белок А — ре~уляторный белок, активирующий собственную транскрипцию. Все потомки этой клетки будут, следовательно, «помнитьэ, что клетка-предшественник испытала действие кратковременного (транзиентного) сигнала, инициировавшего синтез белка экспрессии генов. На рис. 7.68 показан основной принцип, разложенный на самые необходимые компоненты.
Эукариотические клетки используют мг<ожеспю вариантов этой простой стратегии. Например, несколько регуляторных белков, участвующих в образовании плана строения тела дрозофилы (описано в главе 22), стимулируют свою собственную транскрипцию, тем самым создавая петлю положительной обратной связи, способствующую их непрерывному синтезу; в то же время многие из этих белков подавляют транскрипцию генов, кодирующих другие важные регуляторные белки.
Таким образом. несколько регуляторных белков, взаимно влияющих на синтез и деятельность друг друга, могут определять сложный патгерн наследственности. Простые генетические переключатели могут быль объединены для создания всевозможных видов контролирую<цих устройств, так же как в компьютере про етые электронные переключающие элементы могут быть соединены друг с дру гом, чтобы выполнять множество типов операций. Изучение регуляторных цепей выявило, что определенные простые типы структур раз за разом обнаруживаются в клетках очень разных видов. Например, петли положительной и отрицатель ной обратной связи (педагтюе ~ее<<Ьасй <оор) в особенности распр<устранены во всех клетках (рнс.
7.69). Как отмечалось выше, первый тип петель представляет собой простое запоминающее устройство, второй же часто используется для под держания экспрессии гена в пределах стандартного уровня независимо от колеба Рис. 7.Б9. Распространенные типы сетевых мотивов в транскрипционных цепях. А и В представляют регуляторные белки„стрелки обозначают позитивный тра иск рипционный контроль, а линии с чертой изображают негативный транскрипционный контроль, Более подробные описания петель положительной обратной связи и механизмов «флип-флоп» («туда-сюда») даны соответственно на рис.
7.70 и 7.71. В петлях прямой связи А и В представляют регуляторные белки, и они оба активируют транскрипцию целевого гена Е. летпя '48»Ч положительной обратной связи ч петля отрицательной обратной связи л петля прямой связи ( +- механизм ний биохимических условий внутри клетки. Например, ® «флип флоп» допустим, белок-репрессор связывается с регуляторной областью своего гена и приводит в действие сильную отрицательную обратную связь. Она такова, что если концентрация белка.ренрессора выше некоторого крити. ческого значения (определяемого его сродством к своему ДНК связывающему участку), то транскрипция проис ходит с очень низкой интенсивностью, а если ниже этого значения — с очень высокой.
Тогда концентрация белка будет поддерживаться близкой к критическому значению, так как любое обстоятельство, вызывающее падение ниже этого значения, приведет к крутому взлету скорости синтеза, а любое повышение сверх этого значения вызовет выключение синтеза. Однако подобные корректировки займут некоторое время, так что внезапное изменение условий вызовет значитель нос нарушение в экспрессии гена, хотя оно будет кратковременным. Как описано в главе 15, система отрицательной обратной связи может, таким образом, работать как индикатор внезапных изменений. Как вариант, если в петле обратной связи происходит запаздывание сигнала, то результатом этого могут быть спонтанные колебания в экспрессии гена (см.
рис. 15.28). Количественные характеристики петли отрицательной обратной связи определяют, какому из этих возможных вариантов будет соответствовать ее поведение. Начиная с двух и более генов, сложность возможного диапазона контролирующих цепей и их особенностей быстро возрастает. Мы выяснили, что бактериофаг лямбда является примером обычного типа цепи из двух генов, который может переключаться между экспрессией одного и экспрессией другого генов.
Другой распространенный принцип построения цепи называется петлей прямой связи (7еед 7оггггап( !оор) (см. рис. 7.69). В частности, она может служить фггльтром, реагирующим на про должительные входные сигналы, но игнорирующим короткие (рис. 7.70). Клетка может использовать эти различные сетевые мотивы как миниатюрные логические устройства для обработки информации удивительно сложным путем. Простые типы только что приведенных устройств в типичной эукариотической клетке объединяются, образуя чрезвычайно сложные цепи (рис. 7.71), Каждая клетка в развивающемся многоклеточном организме обладает этим аппаратом контроля транскрипции и должна, по существу, использовать запутанную систе му взаимосвязанных транскрипционных переключателей для вычисленгия своего поведения в любой момент времени в ответ на множество различных входящих сипгалов, полученных в прошлом н настоящем.
Мы только начинаем понимать, как изучать такие сложноорганизованные внутриклеточные системы контроля. На самом деле, без количественной информации намного более точной и полной время— время- в) б) в) Рис. 7.70. Как петля прямой связи может измерять длительность сигнала. а) В этом теоретическом примере оба белка-активатора А и В необходимы для транскрипции гена 2, и белок А становится активным, только если есть входной сигнал. 6) Если входной сигнал, направленный на белок А, короткий, то А активен недостаточно долго для того, чтобы накопился белок В, — и ген 2 не транскрибируется.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
