Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 145
Текст из файла (страница 145)
Таким образом, в ходе развития клетка может накапливать набор регуляторных белков, которые не обязательно сразу же меняют экспрессию генов. Добавление последних членов цепочки из входящих в состав необходимой комбинации регуляторных белков завершает регуляторное «послание» и может приводить к значительным изменениям в экспрессии генов. Подобная схема, как мы видели, помогает объяснить, как добавление одного регуляторного белка в клетку фибробласта может вызвать ее внезапное превращение в мышечную клетку. Возможно, что именно эта схема обусловливает описанные в главе 22 важные различия между процессом детерминации клетки, где клетка становится коммитированной к определенному пути развития, и процессом дифференцировки клетки, где коммитированная клетка проявляет свой специализированный характер. 7.4.11.
Один регуляторный белок может запустить образование целого органа Мы выяснили, что, хотя комбинаторный контроль является нормой для эукариотических генов, один регуляторный белок, если он завершает соответствующую комбинацию белков, может быть решающим при включении или выключении целого набора генов, и мы видели, как это может привести к превращению одного типа клеток в другой. Впечатляющее распространение этого принципа бьио обнаружено при исследованиях развития глаза дрозофилы, мыши и человека. В данном случае ключевым является регуляторный белок, называемый Еу (сокращенно от Еуе!езз) у мух и Рахб у позвоночных.
При экспрессии в соответствующем окружении Еу может запускать об. разование не просто одного типа клеток, а целого органа (глаза), состоящего из разных типов клеток, и все они определенным образом организованы в пространстве. Самое поразительное доказательство ведущей роли белка Еу продемонстрировано в опытах над плодовыми мушками, когда на начальных стадиях развития экспрессию гена Еу вызывали искусственным способом в группах клеток, которые в норме формируют части ног. Эта аномальная экспрессия генов приводила к развитию глаз на ногах (рис. 7.77). Глаз дрозофилы состоит из тысяч клеток, и вопрос о том, как регуляторный белок координирует формирование целого органа, является центральной темой биологии развития.
Как описывается в главе 22, в этом задействованы как межклеточные взаимодействия, так и внутриклеточные регуляторные белки. Обратите внимание в данном случае на то, что белок Еу напрямую контролирует экспрессию многих других генов посредством связывания с их регуляторными областями. Некоторые из генов, находящихся под контролем Еу, сами кодируют регуляторные белки, которые, в свою очередь, контролируют экспрессию других генов. Кроме того, некоторые из этих регуляторных продуктов генов, в свою очередь, тоже действуют на сам ген Еу, создавая петлю положительной обратной связи, которая обеспечивает непрерывный синтез белка Еу, пока клетки делятся и дифференцируют дальше (рнс.
7.78). Таким образом, воздействие только одного регуляторного белка может надолго запустить каскад регуляторных белков и механизмов межклеточного взаимодействия, чьи действия приведут к формированию организованной группы 7;4, мстпек)гейрйа генетйцес)езее(ехднезми- 7ф9 группа клеток, иэ которых развивается глаз взрослой особи группа клеток. нз которых развивается нога взрослой особи (красным показаны клетки, экспрессирующие ген Еу) -. --2 1 --г личинка дроэофипы сформировавшиеся на ноге дроэофила с искусственно вызванной экспресаивй гена Еу а клвткшьпрвдшестаенняках ноги нормапьнвя дроихрила а) из множества разных типов клеток.
Можно представить, как при неоднократном применении этого принципа постепенно выстраивается сложный организм. 7.4,12. Й(згл дсепемизт ипетои ггоэномоцмьгх хереитер азетзтпьтроввмвти Дг1К алонсет передвину(зс я гго маспедстну До сих пор подчеркивалась регуляция транскрипции генов белками, которые связываются с Д!1К, цо и сама Д11К может быть ковалентно модифицирована; и в последующих разделах мы увидим, что это тоже предоставляет возможности Рис. 7.77. Экспрессия гена Еу дрозофилы в клетках-предшественнииах ноги инициирует развитие глаза на ноге.
а) Упрощенные схемы, показывающие результаты нормальной экспрессии гена Еу э личинке плодовой мушки (слева) и экспрессии гена Еу, вызванной искусственным способом, в клетках, из которых в норме развивается ткань ноги (справа). б) Фотография аномальной ноги с глазом (см. также рис. 222). (б — с любезного разрешения УУа(тег бепппф) с -'-я г взрослая особь ф ~ -/ структуры глаза. " 74(Е г '.: -:,«й((сг(т(фб)«а((ЙЙ1ь)()уз(й((е~4~ 646а$4«)(р(й((63(в(з( сигнал Рис.7.78.
Регуляторные белки, ап ределяющие развитие глаза у дрозофилы. Гены То у (Тило о/еуе!езз) и Еу (Еуе!ем) кодируют схожие регуляторные белки, Тоу и Еу, каждый из которых при их эктопической экспрессии может запускать развитие глаза. При нормальном развитии для экспрессии Еу необходим ген Тоу.
После активации транскрипции белком Тоу белок Еу активирует транскрипцию генов 5о (5спе осипа) и Еуа (Еуез аьзелт), действующих совместно, чтобы включить ген пас (пасьзлопг(). Зелеными стрелкама отмечено, что некоторые из регуляторных белков образуют серию взаимосвязанных петель положительной обратной связи, усиливающих первоначальное коммитиравание клеток на развитие глаза. Известно, что для того, чтобы развился глаз, белок Еу напрямую связывается с многочисленными целевыми генами, включая те.
что кодируют кристаллины хрусталика, родопсины и другие фоторецепторн ые белки. (Адаптировано из Т Сзегпу ет а!., п(о!. Сев 3: 297-307, 1999. С разрешения Е!телег) Тоу Развитие бо Еув Овв б-мвтилцитозин цитсеин М М н нсо б,,:3 М М ~6 "Т'"~2' мегилированив н м о н -„"' о ! ! Рис.7.79. Образование 9-метил цитозина происходит при метилировани и цитозина в двойной спирали ДНК.
У позвоночных этот процесс ограничен цитозиновыми остатками (С), находящимися в последо- вательности Сб. для регуляции экспрессии генов. В клетках позвоночных метили)ювание цитозина представляет мощный механизм, посредством которого происходит передача про филей экспрессии генов дочерним клеткам. Метилированная форма цитозина, 5-метилцитозин (5 метил С), имеет то же отношение к цитозину, что и тимин к урацилу, и модификация также не оказывает влияния на спаривание оснований (рнс. 7.79).
Метилирование ДНК (ВХА гпеозу(ас(оп) у позвоночных ограничива ется нуклеотидами цитозина (С) в последовательности СО, которая спарена с точно такой же последовательностью (но в обратной ориентации) на другой цепи ДНК. Следовательно, прямое наследование дочерними цепями ДНК существующего типа метилирования обеспечивается простым механизмом. Юермент, называемый поддер живающейлгетилтрансферазой (тгттп!епппсе те(7гу((тапа(етпзе) главным образом действует на те последовательности СО, которые спарены с уже метилированной последовательностью СО. В результате профиль (паттерн) метилирования родитель ской цепи ДНК служит матрицей для метилирования дочерней цепи, что приводит к тому, что он наследуется непосредственно после репликации ДНК (рис.
7.8()). Стабильное наследование паттернов метилирования ДНК может быть объ яснено действием поддерживающей ДНК метилтрансферазы. Однако профиль метилирования ДНК динамически изменяется в ходе развития позвоночных. АССТАТ 5' пдйщяя15 щ ФФнвтззчеО958 сгь сот ОСА сн, яс а тяте а т 9 з мвтипированныи нвматилироввнный цигозин 3" 5' тасятлася Сн 9 Т О С АТА аспознавгся вржнвзющвй павой А с О тхт распознается псддвржнваюа1ей з 5' таслтяася СН, сн, ! АСОТАТСОТ 5' з сат 9 асл Сзв з' 5' ТОСАТАОСЯ СН, з ТОСАТЯ Рис. 7.80. Как происходит точное наследование профиля мвтилирования ДНК.
8 ДНК позвоночных метилирована значительная часть остатков цитозина, входящих в состав последовательности СБ (см. рис. 7.7Я). Благодаря действию метил-зависимого метилирующего фермента (поддерживающей метилтрансферазы) однажды проведенная разметка ДНК-метильными группами наследуется дочерними молекулами ДНК, как показано на рисунке. ц В настоящее время показано, кто. зачастую «целеукзззтелем» для метнлнровзння ДНК, рьяно как и ддя модификации гнстонов, может служить некодирующая Р1!К Прим. Ред. Вскоре после оплодотворения по геному прокатывается волна деметилирова ния -- и болыпинство метильных групп Д1)К утрачивается.
Такое деметилиро вание может происхолить либо путем подавления активности поддерживающей ДНК метилтрансферазы, в результате чего происхолит пассивная потеря метиль ных групп в ходе каждого цикла репликации ДНК„либо вследствие действия специфического деметилирующего фермента. На более поздних стадиях развития новые типы метилирования образуются при помощи нескольких Ие тзооо синтези рованных ДНК Асетилтрапсфераз, направляемых к ДНК сайт специфическими ДНК связывающими белками, где они молифицируют соседние неметнлированные нуклеотиЛы СС 17.
Как только новые паттерны метилирования установятся, они могут быть распространены в холе раундов репликации ДНК благодаря лействию поддерживающих метилтрансфераз. Метилирование ДНК может по разному использоваться в клетках позвоночных. Возможно, его самая важная роль состоит в совместной работе с другими механизмами контроля экспрессии генов с целью гозлания особо эффективной формы репрессии генов, которая может без оши(юк передаваться дочерним клеткам 1(тггс.
7.И ). Такая комбинация механизмов гарантирует, что ненужные эукариотические гены можно подавить с высокой эффективностью. Например, интенсивность, с которой транс крибируется ген позвоночных в одной ткани, может отличаться от интенсивности в лругой ткани в 105 раз. Неэкспрессируемые гены позвоночных являются намного менее «текучими» в отношении транскрипции, чем гены бактерий, у которых наи большие известные различия в интенсивности транскрипции экспрессируемых и не экспрессируемых генов не превышают 1 000 кратный уровень.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
