Мовчання генів викликане рнк першкоджанням

(а) малі короткочасні РНК (мкРНК) продукуються дайсером із довших комплементарно парованих попередників утворюючи дуплексні ділянки. мкРНК приєднуються до мРНК призводячи до деградації щстанньої і інгібування транскрипції. (б) Подвійно-ланцюгову РНК можна синтезувати і ввести в клітину. Дайсер розрізає таку РНК на короткі перешкоджувальні РНК (кпРНК), які взаємодіють із мРНК-мішенню. Як і у першому випадку це призводить до деградації мРНК і припинення транскрипції.

Підписи: (а) Попередник; дайсер; мкРНК;

(б) Дуплексна РНК; дайсер; кпРНК; ААА (А)_n; Деградація, Інгібування транскрипції.

Розвиток організму контролюється каскадом регуляторних протеїнів

Унікальним зразком складності і абсолютної координації є приклад регуляції генів, що призводить до розвитку із зиготи багатоклітинного організму. Розвиток передбачає морфологічні зміни і зміни складу протеїнів, що залежать від чітко регульованих змін експесії геному. Так протягом життєвого циклу організму на стадіях раннього розвитку експресується більше генів, ніж на інших стадіях. Наприклад, в ооциті морського їжака знайдено близько 18,500 різних молекул мРНК, а у типовій тканині здатній до диференціації – 6,000 молекул мРНК. мРНК ооциту дають поштовх каскаду подій, що регулюють експресію багатьох генів як у часі так і у просторі.

Декілька тваринних організмів виявилися важливими модельними системами для вивчення розвитку через відносну легкість утримування в лабораторних умовах і швидку зміну генерацій. Це нематоди, плодові мушки, риба-зебра, миші і рослина Arabidopsis. Надалі дискусія стосуватиметься розвитку плодової мушки. Розуміння молекулярних подій протягом розвитку Drosophila melanogaster вивчене особливо добре і може використовуватися для пояснення загальних принципів.

Життєвий цикл плодової мушки включає повний метаморфоз протягом розвитку від ембріона до дорослого стану (Рис.28-34). Серед найважливіших характеристик ембріона є його полярність (polarity, англ.) (передні і задні сторони тварини легко розпізнаються, як і верхня і нижня сторони) і метамеризм (metamerism, англ.) (тіло ембріона складається із декількох послідовних сегментів, кожен з яких має свої характерні особливості). Протягом розвитку такі сегменти утворюють голову, грудний відділ і черевце. Кожен сегмент дорослого грудного відділу має різномані придатки. Розвиток цієї складної моделі знаходиться під чітким генетичним контролем, а велику кількість різноманітність і здатних до регуляції генів, які драматично впливають на організацію організму насьогодні вже виявлено і досліджено.

Рисунок 28-34

Життєвий цикл плодової мушки Drosophila melanogaster.

У дрозофіли відбувається повний метаморфоз. Це означає, що доросла комаха є радикально відмінною від себе ж в недорозвинотому стані, а зміни які з нею відбувається протягом розвитку є дуже значними. До пізньої ембріональної стадії вже формуються сегменти, кожен з яких містить спеціалізовані структури із яких розвиватимуться всі органи дорослого організму.

Підписи: ооцит; день 0 яйце; ембріональний розвиток; ранній ембріон – без сегментів; Пізній ембріон – сегментований; Голова; Грудний відділ; Черевце; День 1; виявляння; три личинкові стадії розділені линянням; Личинка; День 5 перетворення на лялечку; Лялечка; Метаморфоз; Доросла комаха; День 9; 1мм

Крім 15-ти клітин-годувальниць, яйце дрозофіли оточене шаром фолікулярних клітин (Рис.28-35). При формуванні яйця (перед заплідненням), мРНК і протеїни клітин-годувальниць і фолікулярних клітин залишаються в яйці і деякі них можуть відігравати подальшу важливу роль у розвитку. Зразу ж після відкладання заплідненого яйця його ядро ділиться навпіл і похідні ядра синхронно продовжують ділитися кожні 6-10 хвилин. Плазматичні мембрани навколо ядер не утворюються, а ядра розміщуються всередині цитоплазми яйця (синцитіуму). Між восьмим і одинадцятим раундом ядерного поділу ядра мігрують до зовнішнього шару яйця, утворюючи шар ядер, що оточують загальну багату на жовток цитоплазму. Так утворюється синцитіальний бластодерм. Після декількох додаткових поділів вгинання мембрани призводить до охоплення ядер і утворення шару клітин, які формують бластодерм. На цій стадії мітотичні цикли різних клітин втрачають свою синхронність. Подільша доля клітин визначається мРНК і протеїнами які попали попередньо попали в яйце із клітин-годувальниць і фолікулярних клітин.

Протеїни, які завдяки різниці в своєї локальній концентрації чи активності призводять до визначених змін форми навколишніх тканин деколи називають морфогенами (morphogens, англ.); це продукти визначених генів. Як визначено Христианою Нусслен-Волфард, Едвардом Люїсом і Еріком Вісчаусом (Christian Nusslein-Volhard, Edward B.Lewis and Eric F. Wieschaus) у дрозофіли існує три основні класи генів-регуляторів формоутворення. Це материнські гени, гени сегментації, і гомеотичні гени які функціонують у послідовних стадіях розвитку ембріона дрозофіли. Материнські гени експресуються в незаплідненому яйці, а синтезована материнська мРНК залишається у сплячому стані аж до фертилізації. Цей процес забезпечує синтез більшості протеїнів необхідних на стадії раннього розвитку, аж до утворення бластодерму. Деякі із протеїнів закодованих материнською мРНК направляють точну організацію розвитку ембріона на ранніх стадіях, встановлюючи його полярність. Гени сегментації, які транскрибуються після запліднення регулюють формування відповідної кількості сегментів тіла. На послідовних стадіях розвитку діють щонайменше три підкласи сегментаційних генів: гени прогалини (gap genes, англ.), які розділяють ембріон, що розвивається на декілька широких регіонів, а також гени правильного парування (pair-rule, англ.) разом із генами полярності сегментів (segment polarity genes, англ.), які визначають 14 смужок, що згодом стають 14-ма сегментами нормального ембріону. Гомеотичні гени експресуються пізніше, вони визначають які органи і придатки розвинуться в відповідні сегменти тіла.

Багато регуляторних генів цих трьох класів направляють розвиток дорослої мушки із головою, грудною чатиною і черевцем, відповідною кількістю сегментів та правильно сформованими придатками кожного сегменту. Незважаючи на те, що для повного ембріогенезу потрібно близько цілого дня, всі перечислені гени активуються протягом перших чотирьох годин. Протягом цього періоду деякі мРНК і протеїни існують лише декілька хвилин і лише у певних специфічних точках. Деякі з генів, які кодують транскрипційні фактори, що впливають на експресію інших генів у вигляді каскаду розвитку. Тут також відбувається регуляція на рівні трансляції, а багато з регуляторних генів кодують трансляційні репресори, більшість із яких приєднуються до 3’НТД (3’UTR) мРНК (Рис. 28-32). Через те що багато молукул мРНК вже є у ядрі задовго до необхідності їх трансляції, трансляційна репресія забезпечує особливо важливий шлях регуляції розвиткових ланцюгів реакцій.

Материнські гени Деякі материнські гени експресуються всередині фолікулярних клітин і клітин-годувальниць, а деякі безпосередньо в яйці. Всередині незаплідненого яйця дрозофіли материнські гени визначають формування передньої-задньої і верхньої-нижньої осей і таким чином визначають яка з ділянок радикально симетричного яйця розвинеться у голову, черевце та верхню і нижню частини дорослої мушки. Основною подією будь-якого процесу раннього розвитку є встановлення градієнтів мРНК і протеїнів вздовж осей тіла. Із деяких материнських мРНК синтезуються протеїни, які дифундують через цитоплазму і призводять до асиметричного розподілу в яйці. Таким чином різні клітини бластодерми успадковують різні кількості цих протеїнів закладаючи клітини з яких розвинуться різні частини тіла. Продукти материнських мРНК містять як транскрипційні активатори чи репресори, так і трансляційні репресори. Всі вони задіяні у експресії генів-регуляторів формоутворення. Специфічні формоутворення і послідовності експресії генів в кінці кінців скеровують розвиток кожної структури дорослого організму.

В дрозофіли виникнення передньої і задньої осей частково визначається продуктами генів bicoid і nanos. Продуктом гену bicoid є найбільший передній морфоген, а продуктом гену nanos є найбільший задній морфоген. мРНК гену bicoid синтезується клітинами-годувальницями і переноситься в незапліднене яйце поблизу переднього полюса. Нусслен-Волфард було виявлено, що ці мРНК транслються зразу ж після фертилізації, а bicoid протеїн дифундує через клітини утворюючи, після сьомого ядерного поділу, концентраційний градієнт який концентрується в передньому полюсі (Рис.28-36а).

Рисунок 28-35