Стратегии генетического контроля

Контроль генной экспрессии

ДНК любого организма кодирует все молекулы РНК и белков, которые входят в состав его клеток. Однако само по себе полное описание последовательности геномной ДНК, будь это несколько миллионов нуклеотидов, как у бактерии, или три миллиарда-у человека, мало говорит о том, как устроен этот организм. Геном можно сравнить со словарем, в котором содержатся все «слова», употребляемые данной особью. Однако понять логику построения организма, исходя из такого словаря не легче, чем написать пьесу Шекспира по словарю английского языка. Во всех случаях необходимо знать, как пользоваться словарными единицами, а число их возможных сочетаний столь велико, что составление самого словаря следует признать наиболее простой частью работы и лишь начальной ступенью в изучении данной проблемы.

Мы, конечно, еще весьма далеки от возможности «расписать» строение организма, исходя из последовательностей его генома. Для этого необходимо более глубокое понимание биологии клетки, понимание того, что делают тысячи больших и малых молекул после их синтеза. В данной главе обсуждается лишь одна из сторон этого вопроса. Мы рассмотрим правила, согласно которым определенные наборы генов избирательно активируются в каждой клетке. Будет показано, что механизмы контроля генной экспрессии действуют на самых разных уровнях, каждому из них посвящен отдельный раздел этой главы. Наконец, мы рассмотрим проблему возникновения сложной регуляторной системы генов. Однако начать следует с обзора некоторых основных принципов генетического контроля в высших организмах.

Морфология и функция у различных типов клеток, входящих в состав высшего организма, часто довольно сильно отличаются. Например, нейрон и лимфоцит млекопитающего так мало похожи друг на друга (см. рис. 13-29), что трудно себе представить их владельцами одного и того же генома. Столь большая разница между клетками дала основание для гипотезы, согласно которой гены в процессе дифферен-цировки клеток могут селективно утрачиваться. Однако теперь известно, что это не так; дифференцировка клеток определяется изменением экспрессии генов, а не их потерей.

10.1.1. В различных типах клеток многоклеточного организма содержится одинаковая ДНК [1]

Разные типы клеток многоклеточного организма отличаются друг от друга тем, что синтезируют и накапливают различные наборы молекул РНК и белков. Эти процессы происходят без необратимых изменений в ДНК. Лучшее доказательство сохранения генома при дифференци-

ровке клеток получено в классических экспериментах на лягушке. Если

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 10-1. Схема эксперимента, который может быть выполнен на различных растениях. Многие дифференцированные растительные клетки сохраняют способность к «дедифференцировке»: в определенных условиях они дают начало клону клеток, который может развиться в целый организм (см. гл. 20).

ядро полностью дифференцированной клетки лягушки ввести в ооцит, ядро которого удалено, инъецированное «донорное» ядро детерминирует развитие из реципиентной яйцеклетки нормального головастика. Поскольку у головастика имеются самые разные дифференцированные клетки, получившие свои последовательности ДНК из ядра исходной донорной клетки, можно сделать вывод, что дифференцированная клетка донора не потеряла никаких важных последовательностей ДНК. Аналогичный вывод следует и из опытов, проведенных на различных растениях. В этом случае кусочки дифференцированной ткани культивировали на искусственной среде, после чего эту ткань разделяли на отдельные клетки.

Оказалось, что такая изолированная клетка способна регенерировать целое взрослое растение (рис. 10-1).

Другим доказательством того, что в ходе развития позвоночных большие блоки ДНК не теряются и не перестраиваются, служит следующий факт. Митотические хромосомы из разных типов клеток после специального окрашивания имеют одинаковую поперечную исчерченность (см. рис. 9-40). Если исходить из этого критерия, следует признать, что набор хромосом в дифференцированных клетках человеческого тела идентичен. Более того, при сравнении геномов различных клеток методами генной инженерии оказалось, что изменения в экспрессии генов, сопутствующие развитию многоклеточных организмов, как правило, не сопровождаются изменениями в последовательностях ДНК соответствующих генов (некоторые важные исключения приведены в разд. 18.4.2).

10.1.2. В различных типах клеток синтезируются разные наборы белков [2]

Чтобы понять механизм клеточной дифференцировки, прежде всего необходимо знать, насколько отличаются друг от друга разные типы клеток. Полный ответ на этот фундаментальный вопрос еще не получен, но определенные выводы уже сделаны.

1. Существует множество процессов, общих для всех клеток, и, следовательно, все клетки имеют много одинаковых белков. Часть таких белков содержится в больших количествах и легко поддается анализу. Среди них основные структурные белки цитоскелета и хромосом, некоторые белки, входящие в состав эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи, рибосомные белки и так далее. Многие белки, встречающиеся реже, например, различные ферменты, участвующие в основных реакциях метаболизма, также присутствуют во всех типах клеток.

2. Некоторые белки обнаруживаются в больших количествах лишь в специализированных клетках, а в других типах клеток их нельзя выявить даже самыми чувствительными методами. Например, гемоглобин имеется только в эритроцитах.

3. Если методом двумерного электрофореза в полиакриламидном геле сравнить примерно 2000 наиболее часто встречающихся белков (т.

е.

Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К. Уотсон Дж. Д. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1993. – 539 с.

Рис. 10-2. Пять уровней контроля генной экспрессии у эукариот. После синтеза белка его активность может контролироваться за счет регулируемой деградации (G), обратимых модификаций (например, фосфорилирования) и путем перемещения молекулы белка в определенное место клетки.

белков, содержащихся в количестве 50000 молекул на клетку) в различных типах клеток, то выявляется довольно мало отличий, Проводится ли сравнение двух клеточных линий, выращенных в культуре (например, мышечные и нервные клетки), или клеток двух дифференцированных тканей грызунов (например, печени и легкого), результат оказывается сходным. Большинство белков синтезируется во всех исследованных типах клеток, причем эффективность синтеза различается в зависимости от типа клеток не более, чем в пять раз. Лишь для нескольких процентов белков эта закономерность не соблюдается.

Судя по имеющемуся числу различных последовательностей мРНК, типичная клетка высших организмов синтезирует от 10000 до 20000

разных белков (см. табл. 9-2), многие из которых присутствуют в настолько низкой концентрации, что их не удается обнаружить даже с помощью двумерного гель-электрофореза. Если эти минорные белки в разных клетках различаются в такой же степени, как и белки, относящиеся к более обильным классам, следует признать, что относительно небольшие изменения в спектре синтезируемых клеткой белков способны очень сильно изменять все ее поведение и структуру.

Дата добавления: 2015-08-31