Volume1

768 Часть 2. Основные генетические механизмы

с мРНК. РНК-интерференция может приводить либо к разрушению мРНК, либо к подавлению ее трансляции. Упаковка определенных генов в гетерохро- матин — этот процесс тоже может вызвать РНК-интерференция.

Задачи

Какие из утверждений являются верными? Объясните почему

7.1.С точки зрения биологической функции мотив спираль-петля-спираль более близок к мотиву «лейциновая молния», чем к мотиву спираль-поворот-спираль.

7.2.Обратимые генетические перестройки — это распространенный способ регуляции экспрессии генов в клетках прокариот и млекопитающих.

7.3.Считается, что CG-островки возникли в ходе эволюции, поскольку они связаны с частями генома, которые в половых клетках оставались активными, следовательно, неметилировались.

Обсудите следующие проблемы

7.4.На рис. Q7.1 показана небольшая часть изображения двумерного разделения белков человеческого мозга. Эти белки в одном направлении были разделены по размеру, в другом — по электрическому заряду (изоэлектрической точке). На подобных изображениях не все белковые пятна являются продуктами разных генов — некоторые представляют собой модифицированные формы белка, которые мигрируют по-разному. Выберите несколько групп пятен, которые могут представлять белки, различающиеся по числу содержащихся в них фосфатных групп. Обоснуйте свой ответ.

7.5.Анализ с помощью ДНК-чипов паттернов, отражающих содержание мРНК, показал, что уровень экспрессии практически любого активного гена отличается для различных типов клеток человека. Такие паттерны настолько специфичны для клеточного типа, что могут быть использованы для определения ткани, давшей начало раковым клеткам, даже если эти клетки метастазировали в другие части тела. Но, по определению, раковые клетки отличаются от своих нераковых клетокпредшественников. Тогда, как вы полагаете, могут ли быть использованы картины экспрессии мРНК для определения ткани-источника рака человека?

7.6.Ядро эукариотической клетки намного больше бактерии и содержит большее количество ДНК. Вследствие этого ДНК-связывающий белок в эукариотической клетке должен уметь выбирать специфический участок связывания среди намного большего числа посторонних последовательностей, чем это делает такой же белок в клетке бактерии. Составляет ли это особую проблему для регуляции генов у эукариот?

Рассмотрите следующий случай. Предположим, что в эукариотическом ядре и бактериальной клетке содержится одна копия одного и того же

Рис.Q7.1.Двумерноеразделениебелковмозгачеловека(зада- ча7.4)спомощьюдвумерногогель-электрофореза.Нарисунке приведена только малая часть белкового спектра. (С любезно-

го разрешения Tim Myers и Leigh Anderson, Large Scale Biology Corporation.)

Глава 7. Контроль генной экспрессии 769

ДНК-сайта связывания. Кроме того, предположим, что ядро по объему в 500 раз больше клетки бактерии и содержит в 500 раз больше ДНК. Если концентрация регуляторного белка, связывающегося с этим участком, одинакова и в ядре, и в клетке бактерии, то будет ли регуляторный белок находить свой участок связывания

вэукариотическом ядре так же хорошо, как и в клетке бактерии? Обоснуйте свой ответ.

7.7.ДНК-связывающие белки часто находят специфические участки связывания намного быстрее, чем можно было бы ожидать в случае простой диффузии

впространстве. Например, репрессор Lac-оперона связывается с оператором, сайтом своего связывания с ДНК, в 100 раз быстрее, чем можно было бы ожидать для этой модели. Ясно, что репрессор должен находить оператор при помощи механизмов, снижающих размерность или объем поиска, чтобы ускорить обнаружение цели.

При исследовании этой проблемы было применено несколько методов. В одном из наиболее изящных использовали интенсивно флуоресцирующие молекулы РНКполимеразы, что позволяло проследить судьбу каждой индивидуальной молекулы. Набор молекул ДНК выравнивали параллельно друг другу и закрепляли на предметном стекле. Затем сквозь них под косым углом пропускали флуоресцентно-меченые молекулы РНК-полимеразы (рис. Q7.2, а). Траектории движения индивидуальных РНК-полимераз показали, что около половины молекул прошло в направлении общего потока, а около половины характерным образом отклонилось от него (рис. Q7.2, б). Если предварительно молекулы РНК-полимеразы инкубировали с короткими фрагментами ДНК, содержащими сильный промотор, то все траектории совпадали с общим потоком.

А. Дайте свое объяснение, почему некоторые молекулы РНК-полимеразы отклонились от общего потока, как показано на рис. Q7.2, б. Почему инкубация с короткими фрагментами ДНК, содержащими сильный промотор, приводит к исчезновению, отклоняющихся от общего потока траекторий?

Б. Дают ли эти результаты объяснение тому, как сайт-специфическим ДНК связывающим молекулам удается находить свои участки связывания быстрее, чем это можно ожидать при простой диффузии?

Рис. Q7.2. Взаимодействие индивидуальных молекул РНК-полимеразы с ДНК (задача 7.7). а) Начало опыта.МолекулыДНКвыровненыизакрепленынапредметномстекле,сквозьнихпропускаютинтенсивно флуоресцирующие молекулы РНК-полимеразы. б) Траектории двух индивидуальных молекул РНК-полимеразы. Одна молекула (слева) перемещалась вместе с общим потоком, а другая (справа) отклонилась от него. Масштабная полоска имеет размер 10 мкм. (б — перепечатано из H. Kabata et al.,

Science262:1561–1563,1993.СразрешенияAAAS.)

Глава 7. Контроль генной экспрессии 771

ТаблицаQ7.1.Гибридизацияспецифическихолигонуклеотидовсамплифицированнымиучастками РНКиДНКпечениикишечника(задача7.9)

Гибридизация отмечена +, ее отсутствие –.

Литература

Общая

Brown Т. А. (2002) Genomes 2, 2nd ed. New York: Wiley-Liss. Epigenetics (2004) Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 69.

Hartwell L., Hood L., Goldberg M. L. et al. (2006) Genetics: from Genes to Genomes, 3rd ed. Boston: McGraw Hill.

Lodish H., Berk A., Kaiser C. L. et al. (2007) Molecular Cell Biology, 6th ed. New York: WH Freeman.

McKnight S. L. & Yamamoto K. R. (eds.) (1993) Transcriptional Regulation. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press.

Mechanisms of Transcription (1998) Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 63. Ptashne M. & Gann A. (2002) Genes and Signals. Cold Spring Harbor Laboratory

Press, Cold Spring Harbor.

Regulatory RNAs (2006) Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 71.

Watson J. D, Baker Т. А, Bell S. P et al (2003) Molecular Biology of the Gene, 5th ed. Menlo Park, CA: Benjamin Cummings.

О регуляции генов

Campbell K. H., McWhir J., Ritchie W. A. & Wilmut I. (1996) Sheep cloned by nuclear transfer from a cultured cell line. Nature 380: 64–66.

Davidson E. H. (2006) The Regulatory Genome: Gene Regulatory Networks in Development and Evolution. Burlington, MA: Elsevier.

Gurdon J. B. (1992) The generation of diversity and pattern in animal development. Cell 68: 185–199.

Levine M. & Tjian R .(2003) Transcription regulation and animal diversity. Nature 424: 147–151.

Ross D. T., Scherf U., Eisen M. B. et al. (2000) Systematic variation in gene expression patterns in human cancer cell lines. Nature Genet. 24: 227–235.

ДНК-связывающие мотивы в белках-регуляторах генов

Gehring W. J., Affolter M. & Burglin T. (1994) Homeodomain proteins. Annu. Rev. Biochem. 63: 487–526.

Harbison C. T., Gordon D. B., Lee T. I. et al. (2004) Transcriptional regulatory code of a eukaryotic genome. Nature 431: 99–104.

Luscombe N. M., Austin S. E., Berman H. M. et al. (2000) An overview of the structures of protein-DNA complexes. Gen. Biol. 1: reviews 001.1–001.37.

McKnight S. L. (1991) Molecular zippers in gene regulation. Sci. Am. 264: 54–64.

772 Часть 2. Основные генетические механизмы

Pabo C. O. & Sauer R. T. (1992) Transcription factors: structural families and principles of DNA recognition. Annu. Rev. Biochem. 61: 1053–1095.

Rhodes D. & Klug A. (1993) Zinc fingers. Sci. Am. 268: 56–65.

Seeman N. C., Rosenberg J. M. & Rich A. (1976) Sequence-specific recognition of double helical nucleic acids by proteins. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 73: 804–808.

Как работают переключатели генов

Becker P. B. & Hörz W. (2002) ATP-dependent nucleosome remodeling. Annu. Rev. Biochem. 71: 247–273.

Beckwith J. (1987) The operon: an historical account. In Escherichia coli and Salmonella typhimurium: Cellular and Molecular Biology (Neidhart F. C., Ingraham J. L., Low K. B. et al. eds.), vol. 2, pp. 1439–1443. Washington, DC: ASM Press.

Gaszner M. & Felsenfeld G. (2006) Insulators: exploiting transcriptional and epigenetic mechanisms. Nature Rev. Genet. 7: 703–713.

Gilbert W. and Muller-Hill В. (1967) The lac operator is DNA. Proc. Natl.

Acad. Sci. USA 58: 2415.

Green M. R. (2005) Eukaryotic transcription activation: right on target. Mol. Cell 18: 399–402.

Jacob F. & Monod J. (1961) Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins. J. Mol. Biol. 3: 318–356.

Lawson C. L., Swigon D., Murakami K. S. et al. (2004) Catabolite activator protein: DNA binding and transcription activation. Curr. Opin. Struct. Biol. 14: 10–20.

Millar C. B., & Grunstein M. (2006) Genome-wide patterns of histone modifications in yeast. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 7: 657–666.

Narlikar G. J., Fan H. Y. & Kingston R. E. (2002) Cooperation between complexes that regulate chromatin structure and transcription. Сеll 108: 475–487.

Oehler S., Eismann E. R., Krämer H. et al. (1990) The three operators of the lac operon cooperate in repression. EMBO J. 9: 973–979.

Ptashne M. (2004) A Genetic Switch: Phage and Lambda Revisited, 3rd ed. Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press.

Ptashne M. (1967) Specific binding of the lambda phage repressorto lambda DNA. Nature 214: 232–234.

St. Johnston D. & Nusslein-Volhard С. (1992) The origin of pattern and polarity in the Drosophila embryo. Cell 68: 201–219.

Strahl B. D. & Allis C. D. (2000) The language of covalent histone modifications. Nature 403: 41–45.

Молекулярно-генетические механизмы, участвующие в образовании специализированных типов клеток

Alon U. (2006) An Introduction to Systems Biology: Design Principles of Biological Circuits (Chapman & Hall/Crc Mathematical and Computational Biology Series) TF Chapman.

Bell-Pedersen D., Cassone V. M., Earnest D. J. et al. (2005) Orcadian rhythms from multiple oscillators: lessons from diverse organisms. Nature Rev. Genet. 6: 544–556.

Bernstein B. E., Meissner A. & Lander E. S. (2007) The mammalian epigenome. Cell 128: 669–681.

Глава 7. Контроль генной экспрессии 773

Herskowitz I. (1989) A regulatory hierarchy for cell specialization in yeast. Nature 342: 749–757.

Klose R. J. & Bird A. P. (2006) Genomic DNA methylation: the mark and its mediators. Trends Biochem. Sci. 31: 89–97.

Meyer B. J. (2000) Sex in the worm: counting and compensating X-chromosome dose. Trends Genet. 16: 247–253.

Surani M. A. (2001) Reprogramming of genome function through epigenetic inheritance. Nature 414: 122–128.

Tapscott S. J. (2005) The circuitry of a master switch: MyoD and the regulation of skeletal muscle gene transcription. Development 132: 2685–2695.

Посттранскрипционная регуляция

Bass B. L. (2002) RNA editing by adenosine deaminases that act on RNA. Annu. Rev. Biochem. 71: 817–846.

Blencowe B. J. (2006) Alternative splicing: new insights from global analyses. Cell 126: 37–47.

Brennecke J., Stark A., Russell R. B. et al. (2005) Principles of microRNA-target recognition. PLoS Biology 3.

Fire A., Xu S., Montgomery M. K. et al. (1998) Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature 391: 806– 811.

Frankel A. D. & Young J. A. T. (1998) HIV-1: fifteen proteins and an RNA. Annu. Rev. Biochem. 67: 1–25.

Gottesman S. (2004) The small RNA regulators of Escherichia coli: roles and mechanisms. Annu. Rev. Microbiol. 58: 303–328.

Mello C. C. & Conte D. (2004) Revealing the world of RNA interference. Nature

431:338–342.

Parker R. & Sheth U. (2007) P bodies and the control of mRNA translation and

degradation. Mol. Cell 25: 635–646.

Stuart K. D., Schnaufer A., Ernst N. L. et al. (2005) Complex management: RNA editing in trypanosomes. Trends Biochem. Sci. 30: 97–105.

Tolia N. H. & Joshua-Tor L. (2007) Slicer and the argonautes. Nature Chem. Biol. 3: 36–43.

Tomari Y. & Zamore P. D. (2005) Perspective: machines for RNAi. Genes. Dev. 19: 517–529.

Valencia-Sanchez M. A., Liu J., Hannon G. J. et al. (2006) Control of translation and mRNA degradation by miRNAs and siRNAs. Genes. Dev. 20: 515–524.

Verdel A. & Moazed D. (2005) RNAi-directed assembly of heterochromatin in fission yeast. FEBS Letters 579: 5872–5878.

Wilhelm J. E. & Smibert C. A. (2005) Mechanisms of translational regulation in

Drosophila. Biol. Cell 97: 235–252.

Winkler W. C. & Breaker R. R. (2005) Regulation of bacterial gene expression by riboswitches. Annu. Rev. Microbiol. 59: 487–517.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

Том I

Ответственный редактор Л. В. Мочалова

Дизайнер ?. ?. ? Технический редактор А. В. Бакиев

Компьютерный набор и верстка Н. С. Агафонова Корректор О. А. Шемякина

Подписано в печать 02.09.2011. Формат 70 × 100 1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. ???. Уч. изд. л. ????.

Гарнитура ???. Бумага офсетная №1. Тираж ???? экз. Заказ № .

Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика» 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1.

http://shop.rcd.ru E-mail: mail@rcd.ru Тел./факс: +7(3412) 500–295