Volume1

Глава 7. Контроль генной экспрессии 711

меньше или немного больше 24 часов. Внешние сигналы о времени суток вызывают небольшие корректировки в настройках хода часов, чтобы организм находился

всинхронности с окружающей средой. После более сильных сдвигов циркадные циклы постепенно сбрасываются (подводятся) под действием нового цикла смены дня и ночи, что может подтвердить любой, кто испытывал на себе перелет через несколько часовых поясов.

Вполне можно ожидать, что циркадные часы у такого создания, как человек, будут сами по себе сложным многоклеточным устройством, в котором задействованы разные группы клеток, ответственные за различные части осцилляторного механизма. Поразительно, но оказывается, что почти у всех организмов, включая человека, хронометрами служат отдельные клетки. Таким образом, часы, действующие внутри каждого участника специализированной группы клеток мозга (клетки

всупрахиазматическом ядре гипоталамуса), контролируют наши суточные циклы сна и бодрствования, температуру тела и высвобождение гормонов. Даже если выделить эти клетки из мозга и рассеять на поверхности культуральной чашки, они будут продолжать осциллировать по отдельности, демонстрируя циклическую картину экспрессии генов с периодом примерно в 24 часа. В организме эти клетки получают нервные сигналы от сетчатки, подгоняющие их колебания к суточному циклу дня и ночи, и пересылают информацию о времени суток в другую область мозга – эпифиз, который передает сигналы времени остальному телу путем высвобождения гормона мелатонина в соответствии с ходом часов.

Клетки супрахиазматического ядра играют центральную роль как хронометры у млекопитающих, но в теле млекопитающих это далеко не единственные клетки, которые обладают внутренним циркадным ритмом или способностью «сбрасываться» в ответ на дневной свет. Подобным же образом у дрозофилы много различных типов клеток, включая клетки груди, брюшка, антенны, ноги, крыла и семенника, продолжают отсчитывать циркадный цикл после отделения от тела мухи. Часы

вэтих изолированных тканях, как и в клетках супрахиазматического ядра, могут сбрасываться под действием налагаемых внешних циклов дня и ночи.

Таким образом, работа циркадных часов представляет собой фундаментальную проблему клеточной биологии. Пока не известны все детали, но в ходе изучения большого разнообразия организмов уже выявлены многие из основных принципов и молекулярных компонентов биологических часов. Что касается животных, большая часть известной информации была получена при исследовании мутаций дрозофилы: эти мутации приводили к тому, что ее циркадные часы шли быстрее или медленнее или совсем не работали. В результате проведенных исследований пришли к открытию, что в циркадных часах различных млекопитающих задействовано множество одних и тех же компонентов.

Механизм циркадных часов дрозофилы вкратце изображен на рис. 7.73. «Сердце» этого механизма — транскрипционная петля обратной связи, в которую встроен механизм задержки по времени: накопление определенных ключевых генных продуктов выключает транскрипцию их генов, но с задержкой — так что, грубо говоря, клетка колеблется между состоянием, когда присутствуют продукты генов, а транскрипция выключена, и состоянием, когда продуктов нет и транскрипция включена.

Несмотря на сравнительную простоту основного принципа работы циркадных часов, его реализация — сложный процесс. Одна из причин его сложности состоит

втом, что часы должны быть «забуферены», то есть. устойчивы к изменениям температуры, что обычно ускоряет или замедляет ассоциацию макромолекул. Кроме

Глава 7. Контроль генной экспрессии 713

деления, множество до сих пор неэкспрессируемых генов одновременно включаются, чтобы запустить события, приводящие в конечном итоге к делению клетки (описано в главе 17). Один из способов координации экспрессии группы генов, применяемый бактериями, состоит в объединении их в оперон, находящийся под контролем одного промотора (см. рис. 7.34). Однако у эукариот каждый ген транскрибируется с отдельного промотора.

Втаком случае как эукариоты координируют экспрессию генов? Это является особенно важным вопросом в связи с тем, что, как отмечалось выше, большинство эукариотических регуляторных белков действует как часть «комитета» регуляторных белков, и для экспрессии гена на должном уровне в правильной клетке, в правильное время в ответ на соответствующий сигнал необходимы все его члены. Тогда как эукариотическая клетка может быстро и решительно включать и выключать целые группы генов?

Ответ на этот вопрос следующий: несмотря на то, что контроль экспрессии генов представляет собой комбинаторный процесс, действие единственного регуляторного белка все же может быть решающим для выключения или включения определенного гена — просто потому, что этот белок завершает комбинацию белков, необходимую для максимальной активации или подавления этого гена. Эта ситуация аналогична набору последней цифры кодового замка: замок откроется только лишь после того, как добавлена последняя цифра, при условии, что до этого были введены все остальные. Кроме того, та же цифра может завершать комбинации множества разных замков. Аналогично, добавление определенного белка может включать много различных генов.

Вслучае человека примером может быть контроль экспрессии генов белком-

рецептором глюкокортикоидов (glucocorticoid receptor protein). Чтобы связаться

срегуляторными участками ДНК, этот регуляторный белок должен сначала образовать комплекс с молекулой глюкокортикоидного гормона, например кортизола (см. рис. 15.13). Этот гормон секретируется в организме во время периодов голодания и интенсивных физических нагрузок, и среди всех его остальных эффектов он стимулирует увеличение синтеза глюкозы из аминокислот и других низкомолекулярных соединений в клетках печени, из-за чего в них возрастает экспрессия множества разных генов, кодирующих ферменты метаболизма и другие продукты. Все эти гены имеют различные и сложноорганизованные контролирующие области, но их максимальная экспрессия зависит от связывания комплекса гормон–глюкокортикоидный рецептор с регуляторным участком каждого гена на ДНК. Когда организм восстанавливается и гормон исчезает, то экспрессия каждого из этих генов в печени падает до своего нормального уровня. Подобным образом один регуляторный белок может контролировать экспрессию множества разных генов (рис. 7.74).

Действие глюкокортикоидного рецептора не ограничивается только воздействием на клетки печени. В других типах клеток активация гормоном этого регуляторного белка также вызывает изменения в уровнях экспрессии многих генов, но затронутые гены часто отличаются от тех, на которые он действует в клетках печени. Как отмечалось выше, каждый тип клеток обладает индивидуальным набором регуляторных белков и из-за существования комбинаторного контроля это серьезно влияет на действие глюкокортикоидного рецептора. Поскольку рецептор способен соединяться со многими разными наборами клеточно-специфичных регуляторных белков, активация его гормоном приводит к различному спектру эффектов в каждом типе клеток.

Глава 7. Контроль генной экспрессии 715

ния множества клеток-предшественников, называемых миобластами (myoblasts),

ипоэтому содержит много ядер. В зрелой мышечной клетке синтезируется большое число присущих только ей белков, включая специфические типы актина, миозина, тропомиозина и тропонина (все входят в состав сократительного аппарата), креатинфосфокиназу (обеспечивает специализированный метаболизм мышечных клеток) и ацетилхолиновые рецепторы (делают мембрану чувствительной к нейростимуляции). В пролиферирующих миобластах такие специфичные для мышц белки

исоответствующие им мРНК отсутствуют либо присутствуют в очень небольших количествах. По мере слияния миобластов соответствующие гены согласованно включаются как часть общего процесса трансформации паттерна экспрессии генов.

Вся эта программа дифференциации мышечных клеток может быть запущена в культуре фибробластов кожи и других определенных типах клеток, если ввести любой белок из так называемых миогенных белков (MyoD, Myf5, MyoG и Mrf4), принадлежащих к семейству белков с мотивом спираль-петля-спираль, которые в норме экспрессируются только в мышечных клетках (рис. 7.75, а). Участки свя-

Рис.7.75.Рольмиогенныхрегуляторныхбелковвразвитиимышц.а)ЭффектэкспрессиибелкаMyoD

в фибробластах. Как показано на этой микрофотографии, полученной методом иммунной флуоресцентной микроскопии, фибробласты кожи куриного эмбриона превратились в клетки мышц при экспериментально индуцированной экспрессии в них гена MyoD. Фибробласты, у которых индуцировали экспрессию гена MyoD, сливались с образовы-

ванием продолговатых многоядерных мышечноподобных клеток, окрашенные зеленым при

помощи антител, выявляющих специфичный длямышцбелок.Фибробласты,которыенеэкс-

прессируют ген MyoD, едва видны на заднем фоне. б) Упрощенная схема, показывающая некоторые из регуляторных белков, участвующих

в развитии скелетных мышц. Внешние сигналы приводятксинтезучетырехблизкородственных

миогенных регуляторных белков: MyoD, Myf5, MyoG и Mrf4. Эти регуляторные белки активируют свой собственный синтез, а также синтез

друг друга, в серии сложных петель обратной связи, только некоторые из которых показаны нарисунке.Всвоюочередь,этибелкинепосред-

ственноактивируюттранскрипциюструктурных

генов мышц и гена Mef2, кодирующего дополнительный регуляторный белок. Белок Mef2

действует совместно с миогенными белками впетлепрямойсвязидлядальнейшейактивации

транскрипцииструктурныхгеновмышц,атакже образуетдополнительнуюпетлюположительной обратнойсвязи,котораяпомогаетподдерживать уровень транскрипции миогенных генов. (а —

с любезного разрешения Stephen Tapscott and HaroldWeintraub;б—адаптированоизJ. D. Molk- entin and E. N. Olson, Proc. Natl Acad. Sci. USA 93:

9366–9373,1996.СразрешенияNationalAcademy ofSciences.)

716 Часть 2. Основные генетические механизмы

зывания этих регуляторных белков находятся на регуляторных последовательностях ДНК, расположенных по соседству со многими специфичными для мышц генами;

имиогенные белки, таким образом, напрямую активируют транскрипцию этих генов. Кроме того, миогенные белки стимулируют свою собственную транскрипцию, так же как транскрипцию множества других регуляторных белков, связанных с процессом развития мышц. Это приводит к созданию сложноорганизованной серии петель положительной обратной связи и петель прямой связи, которые усиливают сигнал

иподдерживают программу развития мышечной ткани, даже после исчезновения инициирующего сигнала (рис. 7.75, б; см. также главу 22).

Возможно, что в этих типах клеток, становящихся мышечными клетками после добавления миогенных белков, уже накопилось некоторое количество регуляторных белков, которые могут объединяться с миогенными белками и включать специфичные для мышц гены. Другие типы клеток не могут превращаться в мышцы под действием миогенина или ему подобных — вероятно, в этих клеткам не накопились другие необходимые регуляторные белки.

Превращение одного типа клеток (фибробласты) в другой (скелетные мышцы) под действием единичного регуляторного белка снова подчеркивает один из наиболее важных принципов, рассмотренных в этой главе: различия в экспрессии генов могут породить существенные различия между типами клеток—в их размерах, форме, химическом составе и функциях.

7.4.10.  Комбинаторный контроль генов обеспечивает возникновение различных типов клеток эукариот

Уже обсуждалось, как многочисленные регуляторные белки могут совместно действовать, чтобы регулировать экспрессию отдельного гена. Но, как показал пример миогенных белков, комбинаторный контроль генов подразумевает нечто большее, чем это: не только каждый ген реагирует на множество регуляторных белков, которые его контролируют, но каждый регуляторный белок участвует в контроле многих генов. Вместе с тем, хотя некоторые регуляторные белки являются специфическими для одного типа клеток, большинство регуляторных белков активируется в разнообразных типах клеток, на нескольких участках в организме и по нескольку раз в ходе его развития. Этот пункт схематично проиллюстрирован на рис. 7.76, где показано, как комбинаторный контроль генов позволяет создавать системы с высокой степенью биологической сложности при наличии сравнительно небольшого числа регуляторных белков.

При комбинаторном контроле данный регуляторный белок не обязательно обладает одной, легко определяемой функцией, которая заключается в управлении особой батареей генов или спецификации отдельного клеточного типа. Скорее, регуляторные белки можно сравнить со словами в языке: они используются в различных значениях во множестве контекстов и редко когда по отдельности: это хорошо подобранная комбинация, передающая информацию, которая определяет событие регуляции генов.

Одно из требований комбинаторного контроля состоит в том, что многие регуляторные белки должны обладать способностью к совместным действиям, чтобы оказывать воздействие на итоговую интенсивность транскрипции. Опыты показали, что даже неродственные регуляторные белки, взятые от совершенно разных эукариотических видов, при введении в одну клетку могут скооперироваться для «общего дела», что отражает высокую степень консерватизма аппарата транскрипции.