Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 149
Текст из файла (страница 149)
Другой возможной причиной в некоторых случаях может быть хаотическое поведение внутриклеточной системы контроля. Математический анализ показывает, что даже достаточно простые контролирующие твмкм Рис. 7.91. Расположение белков, отвечающим зв компенсацию доз генов, относительно Х-хромосом в ядрах гермвфродитв (ХХ) С е(едалз. Нв этом рисунке показаны многочисленные ядра, взятые из развивающегося эмбриона. Вся ДНК окрашена голубым при помощи интеркалирующего в ДНК красителя ОАРГ, в белок 5г(с2 окрашен красным благодаря использованию анти-5г(с2-антител, конъюгироввнных с флуоресцентным красителем. Опыт показал, что белок 5бс2 ассоциирует только с ограниченным набором хромосом, идентифицированных в ходе других опытов как две Х-хромосомы Белок 5г(с2 связывается по асей длине Х-хромосомы и привлекает комплекс компенсации даз генов. (Из Н.Е.
Ювшез ет в!., 5сгелсе 284: 1800-1804, 1999. С разрешения ААА5.) системы могут быть чрезвычайно чувствительными к контролирующим параметрам таким образом, что, например, крошечная разница в начальных условиях может привести к совершенно другому долгосрочному результату. Но, кроме этих причин непредсказуемости, существует дополнительная, более фундаментальная причина того, почему все поведение клетки в некоторой степени чнеизбежно случайно».
Клетки представляют собой химические системы, состоящие из отгкзсительно малого количества молекул, и химические реакции на уровне отдельных молекул происходят, по существу, случайным, или сьтохасгпическии (.т(осЬатггс), образом. Заданная молекула за единицу времени с определенной вероятностью подверга ется химической реакции, по произойдш ли зто па самом деле в любой данный момент времени, предсказать невозможно -- это зависит от случайных тепловых столкновений и вероятностных правил квантовой механики. Чем меныпе число молекул, управляющих процессом внутри клетки, тем сильнее на него будет вли ять случайность химических актов на одномолекулярном уровне.
Таким образом, существует некоторая степень случайности в каждом аспекте поведения клетки, но определенные процессы склонны к этому в высокой степени. В частности, контроль транскрипции, зависит от точного химического состоя ния гена. Рассмотрим простой идеальный случай, в котором ген транскрибируется до тех пор, пока белок активатор транскрипции связан с его регуляторной областью, и становится транскрипционно неактивным, если этот белок не связан. Реакция 7.4. Молекулярно-генетические механизмы 735 ассоциации/диссоциации между регуляторной областью ДНК и белком является стохастической: если время полужизни г„связанного состояния составляет час, то ген может оставаться активным иногда в течение 30 минут или меньше, а иногда в течение нескольких часов кряду перед тем, как белок-активатор диссоциирует.
Таким образом, транскрипция будет колебаться между активным и неактивным состояниями, по существу, случайным образом. Средняя скорость колебания и отношение среднего времени, проведенного в активном состоянии, ко времени, проведенном в неактивном состоянии, будет определяться величинами кь,„„и к„, для реакции связывания и концентрацией белка-активатора в клетке.
Количество транскриптов гена, накапливаемых в клетке, будет колебаться соответственно; если время жизни транскриптов больше ~„, колебания будут сглаженными, если меньше — резкими. Один из способов демонстрации подобных случайных колебаний в экспрессии отдельных копий генов состоит в конструировании при помощи методов генной инженерии клеток, в которых одна копия контролирующей области гена соединена с последовательностью, кодирующей зеленый флуоресцентный репортерный белок, а другая копия подобным же образом соединена с последовательностью, кодирующей красный флуоресцентный репортерный белок.
Оба этих генетических конструкта находятся в одной клетке и подвергаются одинаковому воздействию окружающей среды, но флуктуации в уровне их экспрессии проходят независимо. В результате в популяции клеток, несущих одну и ту же пару конструктов, некоторые клетки оказываются зелеными, другие красными, а третьи являются смесью двух цветов и, таким образом, представлены различными оттенками желтого (см. рис. 8.75). В более общем случае решение о судьбе клетки часто «принимается» стохастически, по-видимому, по при чине подобных случайных флуктуаций; в главе 23, где обсуждается происхождение различных типов лейкоцитов, мы еще столкнемся с подобными явлениями. В некоторых типах клеток и для некоторых аспектов поведения клетки только что описанная случайность в контроле транскрипции генов, вероятно, становится основным источников случайной изменчивости, в других типах клеток преобладают иные источники случайных отклонений.
Если шум в контролирующей системе был бы опасен, то развились бы специальные регулирующие механизмы для сведения его эффектов к минимуму; петля прямой связи, описанная ранее, является примером такого устройства, помогающего отфильтровывать воздействие быстрых колебаний в контролируюгцем сигнале. Но во всех клетках некоторая степень случайности неизбежна. Это фундаментальная черта поведения клетки.
Заключение Многие типы клеток животных и растений образуются большей частью с использованием механизмов, вызывающих транскрипцию разных наборов генов в различньгх клетках. Поскольку специализированные животные клетки могут сохранять свой уникальный характер в течение множества циклов клеточных делений и даже при росте в культуре, то механизмы регуляции генов, которые участвуют в их создании, однажды установившись, должны быть стабильными и передаваться по наследству при делении клетки. Эти качества отражают память клетки об истории своего развития.
Бактерии и дрожжи также демонстрируют наличие у них клеточной памяти и представляют собой необычайно доступные модельные системы для изучения механизмов регуляции генов. Прямые или косвенные петли положительной обратной связи, которые даюпг возможноспгь регуляторным белкам сохранять и поддерживать свой собственный 736 Часть 2. Основные генетические механизмы синтез, обеспечивают простейший механизм клеточной памяти. Транскрипционные цепи также служат в клетке средствами для выполнения логических операций и измерения времени.
Простые транскрипционные цепи, объединенные в крупные регуллторные сети, выполняют сложные программы эмбрионального развития. У зукариот транскрипция любого специфического гена главным образом контролируется комбинацией регуляторных белков. Полагают, что каждый тип клеток в высшем эукариотическом организме содержит специфический набор регуляторных белков, которые обеспечивают экспрессию только тех генов, которые соответствуют этому типу клетки. Любой конкретный регуляторный белок может быть активным в широком спектре разнообразных обстоятельств и обычно участвует в регуляции множества различных генов. В отличие от бактерий, эукариотические клетки используют передаваемые по наследству состояния конденсации хроматина как дополнительный механизм регуляции экспрессии генов и создания клеточной памяти.
Особенно яркий пример — инактивация целой Х-хромосомы у самок млекопитающих. Метилирование ДНК также может осуществлять сайленсинг генов, который будет передаваться по наследству. Кроме того, этот механизм лежит в основе феномена геномного импринтинга у млекопитающих, при котором экспрессия гена зависит от того, был ли он унаследован от матери или от отца. 7.5. Посттранскрипционные средства контроля В принципе, каждый этап, необходимый для экспрессии генов, может контролироваться.
Действительно, можно найти примеры каждого вида регуляции, и многие гены регулируются посредством множества механизмов. Как отмечалось выше, контроль инициации транскрипции генов является крайне важной формой регуляции для всех генов. Но на более поздних этапах пути от ДНК к белку могут функционировать и другие средства контроля, регулируя количество произведенного генного продукта и в некоторых случаях определяя точную аминокислотную последовательность белкового продукта. Эти посттранскрипциоиные средства контроля (роз!-сгапвспрг(опа! сопЫо!з), которые действуют после того, как РНК-полимераза связалась с промотором гена и начала синтез РНК, являются ключевыми для регуляции множества генов.
В последующих разделах мы рассмотрим варианты посттранскрипционной регуляции по их порядку во времени, согласно последовательности событий, которым может подвергнуться молекула РНК после начала ее транскрипции (рис. 7.92). 7.5.1. Аттенуация транскрипции приводит к преждевременной терминации синтеза некоторых молекул РНК Давно известно, что экспрессия определенных генов у бактерий ингибируется путем преждевременной терминации транскрипции, — феномен, именуемый аттенуацией транскрипции (Фгапзсг(р(!оп ас(еппа()оп). Иногда в таких случаях расту щая цепь РНК принимает конформацию, которая приводит к ее взаимодействию с РНК-полимеразой, причем таким образом, что транскрипция останавливается.
Нри необходимости синтеза генного продукта регуляторные белки связываются с растущей цепью РНК и препятствуют аттенуации, позволяя довести транскрипцию до получения полной молекулы РНК. Аттенуация транскрипции также действует и у эукариот. Хорошо изученный пример встречается в ходе жизненного цикла ВИЧ вЂ” вируса иммунодефици НАЧАЛО ТРАНСКРИПЦИИ РНК ВОЗМОЖНАЯ АТТЕНУАЦИЯ КЭПИРОВАНИЕ РНК-транскрипт прерывается нефункциональные последовательности мРНК СПЛАИСИНГ И РАСЩЕПЛЕНИЕ ЗсКОНЦА ВОЗМОЖНОЕ РЕДАКТИРОВАНИЕ РНК ЭКСПОРТ В ЯДРО задержка и деградация а ядре «выпяченное основание» (Ьи1йед СИНТЕЗ БЕЛКА Ьазе), отменяет такую преждевремен ПРОДОЛЖАЕТСЯ ную терминацию. После связывания с этой специфической структурой РНК (именуемой Таг) Та( собирает несколько клеточных белков, позволяющих РНК полимеразе продолжать транскрипцию.
Роль по крайней мере нескольких из этих белков в норме заключается в предотвращении остановки и преждевременной терминации синтеза РНК-полимеразой при транскрипции ею нормальных генов клетки. Эукариотические гены часто содержат длинные интроны, и, чтобы проис ходила эффективная транскрипция гена, РНК полимераза П не может себе позволить задерживаться на нуклеотидных последовательностях, которые, случается, приводят к ее остановке. Таким образом, нормальный клеточный механизм, очевидно, бьп адаптирован вирусом иммунодефицита человека, чтобы эффективно транскриби ровать свой геном под контролем одного-единственного вирусного белка. 7.5.2.
Риболереключатели могут быть представителями древней фОРмы ГенетичеснОГО КОнтроля В главе 6 обсуждалась идея о том, что, до возникновения современных клеток на Земле, РНК и хранила наследственную информацию, и катализировала хими Рис. 7.92. Посттранскрипционный контроль экспрессии генов. Конечная скорость синтеза белка может, а принципе, регулироваться на любом из указанных этапов. Сплайсинг, редактироаание РНК и перекодирование трансляции (описано а главе 61 также могут изменять последоэательность аминокислот а белке, что дает клетке аозможность об разо аы вать более одного варианта белка с одного и того же гена. Вероятно, лишь несколько из приведенных здесь этапов критичны при регуляции какого-либо конкретного белка. та человека, вызывающего синдром приобретенного иммунодефицита, или АН)5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
