Гомеотичні гени

Втрата гомеотичних генів внаслідок мутацій чи їх видалення викликає утворення нормальних придатків тіла у невідповідних місцях. Важливим прикладом є ген ultrabithorax (ubx). При втраті функцій Ubx протеїну перший сегмент черевця розвивається неправильно, при цьому нагадуючи структуру третього сегменту грудного відділу. Інші з відомих мутацій гомеотичних генів призводять до формування додаткової пари крил або до розвитку пари ніг на голові, де в нормі розвиваються антени (Рис.28-39).

Гомеотичні гени часто охоплюють довгі ділянки ДНК. Так, наприклад, ген ubx є завдовжки із 77,000 пар нуклеотидів. Більше ніж 73,000 пари нуклеотидів цього гену є інтронами, один з яких простягається на 50,000 пар нуклеотидів. Транскрипція цього гену триває приблизно годину. Вимушена затримка експресії гену ubx може бути часовим механізмом задіяним в короткочасній регуляції наступних кроків розвитку організму. Ubx протеїн також є прикладом транскрипційного активатора з гомеодоменом (Рис.28-13).

Багато із описаних вище принципів розвитку відноситься до еукаріот – починаючи від нематод і до людини. Деякі із регуляторних протеїнів є висококонсервативними. Наприклад продукти гену, що містить гомеобокс - HOX1.1 в мишей і antennapedia в плодових мушок відрізняються лише одним амінокислотним залишком. Незважаючи на те що молекулярні регуляторні механізми можуть бути подібними, багато із основних процесів розвитку не є консервативними (у людей немає антен чи крил). Виявлення структурних компонентів із ідентифікабельними молекулярними функціями є першим кроком в розумінні молекулярних подій, які лежать в основі розвитку. Із подальшим відкриттям більшої кількості генів і їх протеїнів біохімічна сторона цієї грандіозної загадки проявлятиметься все більш і більш детальніше.

Підсумки 2.3 Регуляція експресії генів в еукаріот

• В еукаріот позитивна регуляція є більш розповсюдженою у порівнянні із негативною регуляцією, а транскрипція супроводжується великими змінами у структурі хроматину. У промоторах Пол II зазвичай наявні ТАТА рамки і послідовності Орг, так як і багаточисельні місця приєднання для ДНК-зв’язуючих трансактиваторів. Останні можуть розташовуватися на відстані сотень і тисяч пар нуклеотидів від ТАТА рамки і називаються додатковими послідовностями активації у дріжджів і енхансерами у вищих еукаріот.

• Зазвичай для регуляції транскрипційної активності потрібно великі комплекси протеїнів. Ефекти ДНК-зв’язуючих трансактиваторів на Пол II опосередковані через комплекси протеїнів – коактиваторів як, наприклад, TFIID чи медіаторів. Структура трансактиваторів має визначені домени активації і ДНК-зв’язування. Інші комплекси протеїнів, включно із такими гістонами ацетилтрансфераз як GCN5-ADA2-ADA3 та АТФ-залежними комплексами SWI/SNF і NURF, здатні до зворотнього ремоделювання структури хроматину.

• Гормони впливають на регуляцію експресії генів у один чи інший спосіб. Стероїдні гормони здатні взаємодіяти напряму із внутрішньоклітинними рецепторами, які є ДНК-зв’язуючими регуляторними протеїнами; приєднання гормонів має або позитивний або негативний ефект на транскрипцію генів, які є мішенню даного гормону. Нестероїдні горомони приєднуються до рецепторів клітинної поверхні і стимулюють ланцюг реакцій, що може призводити до фосфорилювання регуляторних протеїнів і впливати на їхню активність.

• Розвиток багатоклітинного організму є найбільш складним регуляторним механізмом. Доля клітин раннього ембріону визначається встановленням переднього-заднього і верхнього-нижнього градієнтів протеїнів, які здатні діяти у ролі транскрипційних активаторів чи репресорів таким чином регулюючи розвиток відповідних структур. Набори регулятивних генів діють у тимчасовому і просторовому манерах трансформуючи певні ділянки клітин яйця у визначені структури дорослого організму.

Головні терміни

Терміни позначені жирним шрифтом визначені у словничку

господарські гени (XXX)

індукція (XXX)

репресія (XXX)

фактор специфічності (XXX)

репресор (XXX)

активатор (XXX)

оператор (XXX)

негативна регуляція (XXX)

позитивна регуляція (XXX)

енхансери (XXX)

оперон (XXX)

гелікс-поворот-гелікс (XXX)

цинковий палець (XXX)

гомеодомен (XXX)

гомеобокс (XXX)

лейцинова блискавка (XXX) основний гелікс-петля-гелікс (XXX)

катаболічна репресія (XXX)

цАМФ рецепторний протеїн (ЦРП) (XXX)

регулон (XXX)

сповільнення транскрипції (XXX)

трансляційний репресор (XXX)

регуляція обмежень (XXX)

варіація фаз (XXX)

гіперсенситивні сайти (XXX)

ремоделювання хроматину (XXX)

додаткові послідовності активації (ДПА) (XXX)

основні транскрипційні фатори (XXX)

ДНК-зв’язуючі трасактиватори (XXX)

ТАТА-зв’язуючі протеїни (ТЗП)(XXX)

медіатор (XXX)

елементи відповіді на дію гормонів (ЕВГ) (XXX)

РНК перешкоджання (РНКп) (XXX)

полярність (XXX)

метамеризм (XXX)

морфогенез (XXX) материнські гени (XXX)

материнська мРНК (XXX)

сегментаційні гени (XXX)

гени прогалини (XXX)

гени правильного парування (XXX)

гени полярності сегментів (XXX)

гомеотичні гени (XXX)

Для подальшого читання

Загальна література

Hershey, J.W.B., Mathews, M.B., & Sonenberg, N. (1996) Translational Control, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY. Many detailed reviews cover all aspects of this topic.

Müller-Hill, B. (1996) The lac Operon: A Short History of a Genetic Paradigm, Walter de Gruyter, New York. An excellent detailed account of the investigation of this important system.

Neidhardt, F.C. (ed.) (1996) Escherichia coli and Salmonella typhimurium, 2nd edn, Vol. 1: Cellular and Molecular Biology (Curtiss, R., Ingraham, J.L., Lin, E.C.C., Magasanik, B., Low, K.B., Reznikoff, W.S., Riley, M., Schaechter, M., & Umbarger, H.E., vol. eds), American Society for Microbiology, Washington, DC. An excellent source for reviews of many bacterial operons. The Web-based version, EcoSal, is updated regularly.

Pabo, C.O. & Sauer, R.T. (1992) Transcription factors: structural factors and principles of DNA recognition. Annu. Rev. Biochem. 61, 1053–1095. Schleif, R. (1993) Genetics and Molecular Biology, 2nd edn, The Johns Hopkins University Press, Baltimore. Provides an excellent account of the experimental basis of important concepts of prokaryotic gene regulation.