4.7.3. Регуляция активности генов у бактерий и эукариот

Отрицательная и положительная регуляция. Многие бактериальные гены активны только тогда, когда их экспрессия необходима, а все остальное время они выключены. Экспрессия таких генов контролируется геном-оператором и геном-репрессором. Регуляция этого типа характерна для лактозного оперона Е. coli [1141], в котором три тесно сцепленных структурных гена контролируются подобной системой. Кроме такой отрицательной регуляции существует еще и положительная; в этом случае для инициации транскрипции требуется специфический белок.

Роль регуляторных механизмов. Способность бактерий оптимально использовать различные источники энергии сыграла значительную роль в их эволюции. Контролирующие системы, например лактозный оперон, как раз и нацелены на выполнение этой функции. Бактерии затрачивают энергию на синтез ферментов, расщепляющих лактозу, только в том случае, если в среде имеется лактоза, таким образом благодаря обратной связи энергия не растрачивается попусту.

Циклический AMP используется в метаболизме бактерий для многих целей, в частности для регуляции транскрипции. У высших эукариот, в том числе у человека, он имеет еще одну важную функцию: служит эффектором, опосредующим действие гормонов. Большинство гормонов высших организмов не способно проникать внутрь клетки. Эти гормоны взаимодействуют с соответствующими рецепторами на поверхности клетки, и в результате контакта лиганда и рецептора в клеточной мембране происходят изменения, влияющие на синтез и катаболизм сАМР, который, в свою очередь регулирует транскрипцию.

Важная проблема дифференцировки состоит в том, как клетка того или иного типа «решает», какие именно рецепторы должны быть на поверхности ее мембраны. Существенную роль в эмбриональном развитии играют гормоны. В целом высшие эукариоты, включая человека, нуждаются в гораздо более тонких механизмах регуляции экспрессии генов, чем микроорганизмы. Однако, исходя из принципов эволюционной генетики, можно предположить, что основные принципы регуляции экспрессии и дифференцировки должны иметь сходство. В ходе эволюции происходила многоэтапная адаптация ко все более сложной обстановке, которая требовала изощренной регуляции. Поэтому логично было бы исследовать различные биологические системы, опираясь на выводы теории эволюции и при переходе к более сложным системам соответственно усложнять интерпретации и модели.

Исследования регуляторных механизмов (рецепторов, гормонов, сАМР, других химических модуляторов) развития у высших организмов активно развиваются по различным направлениям. Не последнее

4. Действие генов 131

место среди них занимают молекулярнобиологические подходы. Генетический контроль образования антител обсуждался в разд. 4.4. Это первый пример подробного исследования дифференцировки. Он наглядно показывает, что соответствующие изменения могут происходить на разных уровнях: на уровне перестройки ДНК, транскрипции, молекулярной организации конечного белкового продукта - антитела. Например, растворимая и мембранно-связанная формы IgM отличаются дополнительной аминокислотной последовательностью, позволяющей мембранно-связанным формам IgM «заякориваться» в клеточной мембране. Оба белка кодируются одним локусом, но процессинг первичного транскрипта протекает в этих случаях по-разному.

Один ген может кодировать даже два различных белка. В качестве примера приведем пептидный гормон кальцитонин у крыс [968]. Он обнаруживается в щитовидной железе и гипоталамусе, причем в гипоталамусе ему сопутствует другой полипептид, CGRP (от англ. calcitonin gene-related product - продукт, имеющий отношение к гену кальцитонина). У CGRP и кальцитонина первые 78 аминокислот одинаковы, но общая длина составляет 128 аминокислот. Обе молекулы кодируются одним геном, однако процессинг первичных транскриптов происходит по-разному: из мРНК CGRP вырезается целый экзон и одновременно добавляется другая последовательность (рис. 4.72). Такой вариант процессинга РНК преобладает в гипоталамусе, но не в щитовидной железе, это и определяет дифференциальную экспрессию одного и того же гена в различных тканях. Аналогичный механизм характерен для синтеза соматостатина. В гипофизе человека наряду с нормальным гормоном, состоящим из 191 аминокислоты, присутствует другой, близкий по структуре белок, в котором отсутствует 15 аминокислот в положениях 32-46. В этом же участке начинается второй экзон, его первые 45 нуклеотидов могут функционировать либо как часть экзона, либо как часть интрона.

Вероятно, альтернативный процессинг первичных транскриптов играет очень важную роль в дифференцировке. Однако остается неясным, какой первичный механизм определяет выбор пути процессинга. Возможно, для более глубокого понимания этой проблемы потребуются новые теоретические концепции, позволяющие строить модели и предлагать гипотезы, которые можно экспериментально проверить. Результаты таких проверок позволили бы постепенно модифицировать модель, все более приближая ее к истине. Подобные модели должны, по нашему мнению, сыграть значительную роль в выборе направлений исследований в будущем.

Модель Дэвидсона-Бриттена. Дэвидсон и Бриттен в 1969 г. предложили модель регуляции экспрессии генов у высших организмов [1019]. Авторы логически развили соответствующую модель для микроорганизмов, чтобы учесть более тонкие требования, предъявляемые к регуляции в процессе дифференцировки.

Согласно этой модели, существуют четыре класса генов: гены-продуценты; гены-рецепторы, сцепленные с генами-продуцентами и способные индуцировать транскрипцию при воздействии активаторов, которые кодируются генами-интеграторами; гены-сенсоры, которые служат участками посадки агентов (возможно, гормонов), модулирующих характер экспрессии генома. Эта модель согласуется с данными эмбриологии; например, она учитывает возможность индукции одним геном изменений в ходе дифференцировки, а также интегрированное действие ряда генов в установлении определенного дифференцированного состояния. Модель предусматривает возможность взаимодействия генов на различных уровнях интеграции. Однако за 10 лет существования данной модели было получено слишком мало экспериментальных фактов в ее пользу.

К сожалению, эта модель, как и многие другие, не приближает нас к решению основного вопроса дифференцировки-почему в различных клетках активируются разные наборы генов и почему эти клетки приобретают различные свойства. Уже указывалось, что неодинаковые свойства клеток могут быть обусловлены разным набором рецепторов на их поверхности. Модель Дэвидсона-Бриттена предполагает, что, кроме этого, гомологичные сенсорные участки в разных клетках обладают разной чувствительностью. Но почему тогда у одних клеток есть рецепторы, которых нет у других, и почему их геномы реагируют на разные сигналы? Эти основополагающие вопросы дифференцировки остаются пока без ответа.

132 4. Действие генов

Рис. 4.72. Механизм тканеспецифической экспрессии гена кальцитонина. Разветвленная стрелка указывает различие путей процессинга в щитовидной железе и гипоталамусе Некоторые детали остаются гипотетическими, однако гены и конечные продукты (кальцитонин и CGRP) твердо установлены. (По Amara et al, Nature, 298, p. 243, 1982) aa-аминокислота

4. Действие генов 133