Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 143
Текст из файла (страница 143)
в) Если поданный на Аюигнал устойчив, то белок В накапливается, белок А остается активным и 2 транскрибируется. Подобная система позволяет клетке игнорировать быстрые колебания входного сигнала и отвечать только на его устойчивые уровни. Эта стратегия мажет быть использована, например, чтобы различать случайный шум и истинный сигнал.
Показанное здесь поведение рассчитано для одного определенного набора значений параметров, описывающих количественные свойства А, В, 2 и их синтез. С другими значениями этих параметров петли прямой связи могут, в принципе, выполняться другие типы «расчетовь. В клетках было обнаружено множество петель прямой связи, и их теоретический анализ помогает исследователям оценить и впоследствии проверить различные пути их возможного функционирования. (Адаптировано из 5.
5. 5Ьеп-огг, я. М)!о, 5. Мапвап апд ц А!оп, А!от. бепет. Зтч 64-66, 2002. С разрешения Маспкйап Рцы)вбегз Етд.) по сравнению с той,которой мы пока обладаем, невозможно предсказать поведе ние системы, — такой, как например, представленная на рис. 7.71, — тут одной принципиальной схемой не обойтись. 7.4.6. Синтетическая биология создает новые устройства из существующих биологических час~ей Наше обсуждение было сосредоточено на транскрипционных цепях, встречаю шихся в природе, но информацию можно получить также при разрагютке и конструи ровании искусственных цепей в лабораторных условиях с последующим введением их в клетки с целью изучения их поведения Например, на рис.
7.72 ггоказано, как созданная генно инженерным путем бактериальная клетка может переключаться в установленном порядке между тремя состояниями, работая, таким образом, как осцнллятор или простой часовой механизм. Конструирование подобных новых устройств нз существуюгцих биологических частей часто называют синтетической биологией ЬупЕйестс Ьго)оду). Ученые используют данный подход, чтобы про верить, правильно ли они поняли свойства компонентов, составляющих систему.
Если зто так, то они будут способны соединить зги части по новому и точно пред сказать характеристики нового устройства. Тот факт, что этн предсказания обычно не оправдываются, свидетельствует о том, как далеко мы находимся от истинного понимания детальной работы клетки. В наших знаниях много крупных пробелов, Рнс. 7.71. Чрезвычайно сложная генетическая цепь, определякнцая формирование части развивающегося эмбриона морского ежа. Каждый небольшоо цветной прямоугольник представляет собой индивидуальный ген. Желтые гены кодируют регуляторные белки, зеленые и синие кодируют белки, придающие соответственно клеткам мезодермы и энтодермы их специализированные свойства.
Гены, изображенные серым цветом, очень активны у матери и посылают яйцу сигналы, необходимые для его правильного развития. Стрелками изображены примеры активации регуляторным белком транскрипции другого гена. Линии, заканчивающиеся черлгой, указывают на случаи репрессии гена. для заполнения которых потребуется умелое применение количественных подходов физических наук к изучению сложных биологических систем.
7.4.7. В основе цириадных часов лежат петли обратной свнвн, Рюгули Ру$01циа зксп Россию Генов Жизнь на Земле эволюционировала в условиях существования суточного цикла дня и ночи, и многие современные организмы, начиная от архей и заканчи 7.4.
Молекулярно-генетические механизмы 711 меньше или немного больше 24 часов. Внешние сигналы о времени суток вызыва ют небольшие корректировки в настройках хода часов, чтобы организм находился в синхронности с окружающей средой. После более сильных сдвигов циркадные циклы постепенно сбрасываются (подводятся) под действием нового цикла смены дня и ночи, что может подтвердить любой, кто испытывал на себе перелет через несколько часовых поясов. Вполне можно ожидать, что циркадные часы у такого создания, как человек, будут сами по себе сложным многоклеточным устройством, в котором задействованы разные группы клеток, ответственные за различные части осцилляторного механизма.
Поразительно, но оказывается, что почти у всех организмов, включая человека, хронометрами служат отдельные клетки. Таким образом, часы, действующие внутри каждого участника специализированной группы клеток мозга (клетки в супрахиазматическом ядре гипоталамуса), контролируют наши суточные циклы сна и бодрствования, температуру тела и высвобождение гормонов. Даже если выделить эти клетки из мозга и рассеять на поверхности культуральной чашки, они будут продолжать осциллировать по отдельности, демонстрируя циклическую картину экспрессии генов с периодом примерно в 24 часа.
В организме эти клетки получают нервные сигналы от сетчатки, подгоняюшие их колебания к суточному циклу дня и ночи, и пересылают информацию о времени суток в другую область мозга — эпифиз, который передает сигналы времени остальному телу путем высвобождения гормона мелатонина в соответствии с ходом часов. Клетки супрахиазматического ядра играют центральную роль как хронометры у млекопитаклцих, но в теле млекопитающих это далеко не единственные клетки, которые обладают внутренним циркадным ритмом или способностью «сбрасываться» в ответ на дневной свет. Подобным же образом у дрозофилы много различных типов клеток, включая клетки груди, брюшка, антенны, ноги, крыла и семенника, продолжают отсчитывать циркадный цикл после отделения от тела мухи.
Часы в этих изолированных тканях, как и в клетках супрахиазматического ядра, могут сбрасываться под действием налагаемых внешних циклов дня и ночи. Таким образом, работа циркадных часов представляет собой фундаментальную проблему клеточной биологии. Пока не известны все детали, но в ходе изучения большого разнообразия организмов уже выявлены многие из основных принципов и молекулярных компонентов биологических часов. Что касается животных, большая часть известной информации была получена при исследовании мутаций дрозофилы: эти мутации приводили к тому, что ее циркадные часы шли быстрее или медленнее или совсем не работали.
В результате проведенных исследований пришли к открытию, что в циркадных часах различных млекопитающих задействовано множество одних и тех же компонентов. Механизм циркадных часов дрозофилы вкратце изображен на рис. 7. 73. «Сердце» этого механизма — транскрипционная петля обратной связи, в которую встроен ме ханизм задержки по времени: накопление определенных ключевых генных продуктов выключает транскрипцию их генов, но с задержкой — так что, грубо говоря, клетка колеблется между состоянием, когда присутствуют продукты генов, а транскрипция выключена, и состоянием, когда продуктов нет и транскрипция включена.
Несмотря на сравнительную простоту основного принципа работы циркадных часов, его реализация — сложный процесс. Одна из причин его сложности состоит в том, что часы должны быть «забуферены», то есть, устойчивы к изменениям температуры, что обычно ускоряет или замедляет ассоциацию макромолекул.
Кроме 7.4. Молекулярно-генетические механизмы 713 деления, множество до сих пор неэкспрессируемых генов одновременно включаются, чтобы запустить события, приводящие в конечном итоге к делению клетки (описано в главе 17). Один из способов координации экспрессии группы генов, применяемый бактериями, состоит в объединении их в оперон, находящийся под контролем одного промотора (см, рис, 7. 34). Однако у эукариот каждый ген транс крибируется с отдельного промотора.
В таком случае как эукариоты координируют экспрессию генов? Это является особенно важным вопросом в связи с тем, что, как отмечалось выше, большинство эукариотических регуляторных белков действует как часть < комитета» регуляторных белков, и для экспрессии гена на должном уровне в правильной клетке, в правильное время в ответ на соответствующий сигнал необходимы все его члены. Тогда как эукариотическая клетка может быстро и решительно включать н выключать целые группы генов? Ответ на этот вопрос следующий: несмотря на то, что контроль экспрессии генов представляет собой комбинаторный процесс, действие единственного регуляторного белка все же может быть решающим для выключения или включения определенного гена — просто потому, что этот белок завершает комбинацию белков, необходимую для максимальной активации или подавления этого гена. Эта ситуация аналогична набору последней цифры кодового замка: замок откроется только лишь после того, как добавлена последняя цифра, при условии, что до этого были введены все остальные.
Кроме того, та же цифра может завершать комбинации множества разных замков. Аналогично, добавление определенного белка может включать много различных генов. В случае человека примером может быть контроль экспрессии генов белком- рецептором глюкокортикоидов (д!исосогсгсоЫ тесер(ог рго(е(п). Чтобы связаться с регуляторными участками ДН К, этот регуляторный белок должен сначала образовать комплекс с молекулой глюкокортикоидного гормона, например кортизола (см. рис. 15.
13). Этот гормон секретируется в организме во время периодов голодания и интенсивных физических нагрузок, и среди всех его остальных эффектов он стимулирует увеличение синтеза глюкозы из аминокислот и других низкомолекулярных соединений в клетках печени, из-за чего в них возрастает экспрессия множества разных генов, кодирующих ферменты метаболизма н другие продукты.
Все зги гены имеют различные и сложноорганизованные контролирующие области, но их максимальная экспрессия зависит от связывания комплекса гормон — глюкокортикоидный рецептор с регуляторным участком каждого гена на ДНК. Когда организм восстанавливается и гормон исчезает, то экспрессия каждого из этих генов в печени падает до своего нормального уровня. Подобным образом один регуляторный белок может контролировать экспрессию множества разных генов (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
