Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 421
Текст из файла (страница 421)
У С. е1едапз целых 2 000 генов кодируют белки-рецепторы клеточной поверхности, белки клеточной адгезии и белки ионных каналов, которые или вообще отсутствуют у дрожжей, или имеются в намного меньшем количестве. Второй класс включает белки, регулирующие экспрессию генов: эти связывающиеся с ДНК белки намного более многочисленны в протеоме у С. е1едапз, чем у дрожжей. Например, в семейство транскрипционных факторов, содержащих мотив оснувная (т.е. обогащенная лизином и аргинином) спираль — петля — спираль у С.
е1едапз входит 41 член, у дрозофилы — 84, у человека — 131 и только 7 у дрожжей; что касается других семейств регуляторов экспрессии генов, то у животных они также представлены гораздо большим числом членов, чем у дрожжей. Не удивительно, что белки этих двух классов являются ключевыми для биологии развития: как мы увидим, развитие многоклеточных животных практически всецело предопределяется межклеточными взаимодействиями и дифференциальной экспрессией генов. Как мы уже говорили в главе 7, микроРНК(пйРНК) ~акже играют существенную роль в управлении экспрессией генов в ходе развития, но они, кажется, имеют второстепенное значение по сравнению с белками.
Так, зародыш рыбы Е)ап1о гегго с мутацией, из-за которой полностью отсутствует фермент Е6сег, необходимый для создания функционально активных ппРНК, все же начинает свое развитие почти обычным образом, создает специализированные типы клеток и показывает в целом правильный план строения организма, до тех пор, пока аномалии развития не становятся тяжелыми. 22.1.3. Программу развития организма предопределяет регуляторная ДНК Червь, муха, моллюск и млекопитающее делят между собой многие из жизненно необходимых типов клеток, и все они действительно имеют рот, кишечник, нерв- 22.1.
Универсальные механизмы развития животных 2001 ную систему и кожу; но, за исключением нескольких таких основных особенностей строения организма, они сильно отличаются своей организацией. Если строение тела определяет геном и все эти животные имеют столь подобные подборки генов, то как же они могут быть настолько разными? Кодируемые геномом белки можно рассматривать как детали конструктора. Из такого белкового конструктора можно построить многие вещи (точно так же, как из детского конструктора — грузовики, дома, мосты, подъемные краны и так далее), соединяя детали в различных комбинациях.
Некоторые детали обязательно идут вместе — гайки с винтами, колеса с шинами и осями, — но крупномасштабная организация конечного объекта не зависит от этих базовых элементов конструкции. Скорее, она определяется инструкциями, прилагаемыми к деталям и предписывающими порядок их сборки. Значительная часть инструкций, необходимых для создания многоклеточного животного, содержится в некодирующей, регуляторной ДНК, которая приписана к каждому гену.
Как отмечено в главе 4, каждый ген, имеющийся в многоклеточном организме, связан с тысячами или десятками тысяч нуклеотидов некодирующей ДНК. Эта ДНК может содержать, в рассеянном по ней виде, десятки отдельных регуляторных элементов, или энхансероы — коротких сегментов ДНК, которые служат участками связывания для специфических комплексов регулирующих гены белков. Грубо говоря, как объясняется в главе 7, каждый регуляторный модуль такого рода обеспечивает экспрессию соответствующего гена каждый раз, когда белковый комплекс, опознающий этот сегмент ДНК, должным образом собирается в клетке (в некоторых случаях вместо этого экспрессия гена ингибируется или на нее оказывается более сложное воздействие). Если бы мы могли расшифровать полный набор регуляторных модулей, связанных с тем или иным геном, то мы бы поняли все различные молекулярные условия, при которых должен производиться продукт этого гена.
Поэтому можно сказать, что такая регуляторная ДНК предопределяет последовательную программу развития: правила перехода из одного состояния в следующее, по мере того как клетки разрастаются и прочитывают свои положения в зародыше со ссылкой на окружающую их среду, при этом включают новые наборы генов согласно действию белков, которые они в настоящее время содержат (рис. 22.4).
Конечно, в различия между видами вносят вклад также и отличия в самом роде свойственных им белков. Но даже если бы набор белков, закодированных в геноме, оставался совершенно неизменным, отличий в регуляторной ДНК бьшо бы достаточно, чтобы производить сильно отличающиеся ткани и структуры организма. Когда мы сравниваем виды животных с подобным общим строением тела,— например, разных позвоночных, таких как рыба, птица и млекопитающее, — мы находим, что взаимно соответствующие гены обычно имеют и подобные наборы регуляторных модулей: последовательности ДНК многих отдельно взятых модулей на протяжении эволюции оставались сильно консервативными и теперь, в геномах разных современных животных, узнаваемо гомологичны.
То же самое верно, если мы сравниваем относящихся к разным видам червей нематод или же насекомых разных видов. Но, когда мы сравниваем регуляторные области позвоночных с таковыми червей или мух, трудно увидеть любое такое сходство. Кодируюшие белок последовательности неукоснительно подобны, но соответствующие им последовательности регуляторной ДНК оказываются сильно отличающимися. Этот результат вполне ожидаем, если верно, что разные варианты строения тела обусловливаются ембрйонвпьнвй отедий.1 .=М ген 1 ген 2 ген 3 ггзггвв...Гпгтги .;: .:.ггт:.Гвгзс....
ЙИВРтклгегвяюй отедйй 1 й ген1 ген 2 генз :тахтс азиями::.. Хтдвис:.х;сттхзизгдс /,1. регупяторные модули регулирующий гены белок ВРЕМЯ ! вмбрйойвпьнел стедйй 2 е ген1 ген2 ген з ""тГГсаяггй, Ед счлгй:.. ХС11 Ггьгс г ве вмбряонепьнвя стадия 2 ген 1 гвн 2 ген 3 :.ЛХь,.ЯГИГС... Лхтггй:.:..АЗ"3Х%~5Е':.: Рис.
22.Я. Как регуляторная ДНК задает последовательность картин зкспрессни генов в ходе развития. Геномы организмов А и В кодируют одинаковый набор белков, но имеют разную регуляторную ДНК. В нашей рескздровке зги две клетки появляются в одном и том же состоянии и нз 1-й стадии зкспрессируют одни и те же белки, но из-зз разного расположения регуляторных модулей нз 2-й стадии переходят в сильно отличающиеся состояния.
главным образом изменениями программы, заложенной в регуляториую ДНК, при сохранении большей части универсального наГюра белков. 22Л.4. Мамипуляцми с зародыцгем раскрывают механизмы Вваьтмодайстазтя мажду Иго кпаткамы Каким образом иа основании строения взрослого животного со всей его сложной организацией, можно начать анализ того процесса, благодаря которому оио воз никло? Первым необходимым шагом будет описание анатомических изменений— схемы деления. роста и перемеп1еиия клеток, — посредством которых яш1еклетка преобразуется во взрослый организм. Это задача описательной эмбриологии, и оиа сложнее, чем можно думать.
ЧУобы обьяснить развитие через поведение отдельно взятой клетки, иам нужно уметь отслеживать отдельные клетки иа протяжеиии всех их делений, превращений и перемещений в зародыше. Основы описательной эмбриологии заложены в Х1Х веке, ио тонкая задача прослеживания последовательности клеточных поколений и сейчас продолжает бросать вызов мастерству ученых (рис. 22.5). 11о, даже располагая таким описанием, возможно ли продвину гьсн дальше и от крыть причинные мехаиизмы? Традиционно в рамках эксперичентальной эмбриологии ученые пытатись поыять развитие иа основании взаимодействий клеток и тканей, приводящих к появлеиию миогоклеточиой структуры.
Тем временем с точки зрения генетики развития онтогенез анализировали с помощью моделей действггя отдельных генов. Эти два подхода дополняют друг друга, и с течением времени оии обьедииились и дали начало современному уровню понимания механизмов развития. В экспериментальной эмбриологии клетки и ткани развивающихся животных удаляются, перестраиваются, пересаживаются или выращиваются в чистом виде, чтобы обнаружить, как оии влияют друг иа друга. Часто результаты являются по трясающими: например, разрезанный надвое зародыш иа ранней стадии развития может дать два полноценных и совершеиио сформированных животных или, скажем, маленький кусочек ткани, пересаженный иа новый участок, может реорганизовать 22;Т, УНИВЕРСаЯЬНйЕ МЕХаННЗМЬЕфЗВгмуия жмабнаяХ 2()ОЗ Рис.