Регуляция генов и развитие организма

По мере чтения книги, как и на протяжении всей истории генетики, наше представление о генах постоянно изменялось. Если сначала мы считали ген неопределенным фактором, который каким-то образом передается по наследству, то теперь мы называем геном специфическую последовательность ДНК (иногда РНК), которая определяет структуру белка. Всякий ген располагается в хромосоме; все гены в своей совокупности составляют геном, определяющий жизнедеятельность организма. Но в этой картине ясно еще не все. Вы можете сказать: «Ну хорошо, я понимаю, как устроены гены и как они передают инструкции по синтезу самых различных ферментов и белков. Но посмотрите на меня! Я же не просто мешок с ферментами и даже не множество маленьких мешочков с ферментами, присоединенных к костям. Если мой геном и вправду определяет мою жизнедеятельность на протяжении всех этих лет, то они должны были как-то сделать так, чтобы я рос и из единственной клетки-зиготы превратился в высокоорганизованную структуру из многих видов клеток. Я хочу узнать, как мои гены определили мой рост и мое развитие». Если вам в голову приходили подобные мысли, то вы вступили на тот же путь, что и многие современные генетики, посвятившие свою профессиональную жизнь поиску ответов на вопросы о механизме развития организмов.

Здесь важно обратить внимание на то, что из одной клетки развиваются различные виды клеток. Во многих книгах по биологии и анатомии описаны различные типы тканей, из которых состоит тело человека, животных и растений. Все эти ткани, в свою очередь, состоят из клеток разных типов. Большинство наших клеток представляют собой подобие кубиков или цилиндров, которые образуют большие органы вроде печени, трубы вроде пищевода и кровяных сосудов, а также нижнюю часть кожного покрова. Плоские клетки создают гладкие поверхности внутри сосудов или внешние оболочки. Клетки мышц представляют собой либо очень длинные цилиндры, либо небольшие веретена с упорядоченными белковыми волокнами, которые вытягиваются и сокращаются. Наша нервная система содержит клетки с длинными и тонкими отростками (некоторые даже более метра в длину), которые очень быстро передают сигналы по всему телу. Всего в нашем организме более сотни различных видов клеток, и чем больше мы их исследуем, тем больше узнаем об их специализации.

Таким образом, можно перефразировать наш вопрос: «Как все эти клетки стали отличаться друг от друга?» Мы уже знаем достаточно, чтобы сказать, что они отличаются прежде всего тем, что производят разные виды белков. Если клетка вырабатывает белок, кодируемый определенным геном, то говорят, что этот ген выражен или что происходит его экспрессия. Таким образом, более правильным будет вопрос: «Как получается, что гены оказываются выраженными в строго определенном времени и месте? Какие механизмы регулируют процесс экспрессии генов?» Об этом мы и поговорим в данной главе.

Регуляция генов у бактерий

Как и в предыдущих главах, начнем с простых биологических систем, то есть с бактерий, при изучении которых этот вопрос впервые был поставлен. Исследования велись преимущественно в 1950-х и 1960-х годах, в основном в парижском Институте Пастера; эксперименты проводили французские ученые Франсуа Жако, Жак Моно и некоторые американские специалисты, приехавшие в Париж для совместной работы. Первые опыты касались одной интересной особенности Е. coli, обитающей в кишечнике млекопитающих. Известно, что млекопитающие, особенно на первых порах жизни, потребляют много молока, а основной сахар молока — лактоза. Следовательно, в процессе долгой эволюции бактерии приспособились жить в среде с лактозой, и у бактерий Е. coli имеются ферменты для ее переработки. Но поскольку уровень лактозы в среде не всегда одинаков, то у бактерий должен существовать какой-то механизм для определения присутствия лактозы. Е. coli — хорошо адаптированный организм, и метаболизм лактозы в нем прекрасно отрегулирован. Лактоза представляет собой двойную молекулу сахара (дисахарид), состоящую из простых Сахаров — галактозы и глюкозы. На первой стадии метаболизма фермент в-галактозидаза расщепляет дисахарид на составные части, которые клетка может перерабатывать на последующих стадиях. Если выращивать Е. coli в среде без лактозы, то бактерии произведут небольшое количество в-галактозидазы. Если же добавить в культуру лактозу, то через 3—5 минут в клетках можно наблюдать существенные изменения: они начинают вырабатывать фермент в 1000 раз быстрее прежнего, и только один этот фермент может составить несколько процентов от общей массы бактерии. Стоит удалить лактозу (при помощи фильтров или центрифугирования), как тут же в течение нескольких минут производство ферментов снижается до первоначального уровня.

Для исследования этого механизма Моно с коллегами использовали ставший классическим метод мутационного анализа. Они отбирали мутантов, не способных перерабатывать лактозу, и обнаружили несколько мутантов с дефектной в-галактозидазой, которых назвали мутантами lacZ. Выяснилось, что эти мутанты производят нормальный фермент, но, тем не менее, не могут расти в среде с лактозой. У них оказался дефектный белок галактозидпер-меаза, который доставляет галактозу через клеточную мембрану внутрь клетки. Мутанты с дефектной галактозидпермеазой получили название lacY. Картирование показало, что гены lacZ и lacY, названные так по мутантам, располагаются рядом друг с другом.

У наиболее интересных мутантов наблюдался дефект в регуляторной системе, поэтому они не могли начинать или останавливать экспрессию генов lac. Мутанты, названные lac I, одновременно вырабатывали в-галактозидазу и пермеазу и не имели средств их контроля. Примечательно, что ген lac Iрасположен рядом с генами Z и Y.

Последующие эксперименты позволили выяснить механизм контроля. Прежде всего, следует уяснить, что экспрессия гена подразумевает его транскрипцию — синтез матричной РНК. Вспомним, что транскрипцию осуществляет большой фермент РНК-полимераза, которая начинает транскрипцию с определенного места, примыкающего к кодирующему региону и называемого промотором. Для генов lacZ и lacY промотором служит небольшой участок между I и Z. Полимераза движется и производит РНК-транскрипт в определенном направлении: часто говорят, что чтение гена происходит сверху вниз. В таком случае промотор расположен выше гена lacZ. Ген lac I, который теперь называют геном-регулятором, кодирует белок lac-penpeccop. Это аллостеричес-кий белок (см. с. 281), который имеет два центра связывания и поэтому может присоединяться к двум разным молекулам. Один центр специфичен для небольшой последовательности ДНК, называемой оператором, которая располагается между промотором и геном lacZ. В отсутствие лактозы репрессор связывается с оператором, блокируя транскрипцию, поэтому гены Z и Y оказываются невыраженными.

Кроме того, у белка-репрессора имеется центр связывания с лактозой, поэтому если в среде есть лактоза, она связывается с репрессором, вследствие чего репрессор слегка изменяет свою форму и уже не может связываться с оператором. Поэтому репрессор отсоединяется от оператора, позволяя осуществлять транскрипцию генов Z и Y.

Таким образом, гены Z и У выражаются совместно. Такие гены, контролируемые одним оператором, называются опероном.

Геном бактерий насчитывает многие виды оперонов, которые регулируются по-разному. Например, регуляция генов биосинтеза, кодирующих ферменты для производства таких клеточных компонентов, как аминокислоты, происходит по иной схеме, противоположной описанной. Предположим, что клетка находится в среде, богатой всеми необходимыми аминокислотами. Если регуляция генов клетки происходит правильно, то она должна прекратить тратить лишнюю энергию на производство избыточных материалов. Гены биосинтеза ферментов также образуют опероны, но их регулируют другие виды бел-ков-репрессоров, которые связываются с оператором (и тем самым блокируют транскрипцию генов) только при наличии избытка аминокислот. Например,

синтез гистидина кодируется большим блоком генов, который регулируется одним оператором и репрессором. Этот репрессор связывается с оператором и предотвращает транскрипцию генов только в том случае, когда в клетке имеется избыток гистидина. Если концентрация гистидина уменьшается, молекулы гистидина отсоединяются от молекул репрессора. Репрессор больше не может связываться с оператором, поэтому с оперона снова можно осуществлять транскрипцию.

 

Белки, которые связываются Мы много говорили о белках-ферментах, которые служат катализаторами и ускоряют химические реакции, но белки могут выполнять и другие функции в клетке. При изучении биологии важно уяснить, что многие белки временно или постоянно связываются с другими молекулами, называемыми лиганда-ми. Лигандом может быть другой белок, и тогда образуются комплексы белков, вроде тех, что поддерживают форму клетки. Наши красные кровяные клетки, например, имеют форму толстых вогнутых дисков, и эту их форму образуют несколько белков, постоянно связанных друг с другом и расположенных непосредственно под поверхностью клетки. Временное связывание можно наблюдать на примере гемоглобина — красного белка, наполняющего эти клетки. Гемоглобин доставляет кислород из легких в другие органы и ткани тела; это происходит за счет того, что небольшой участок связывания (рядом с гемогруп-пой, имеющей атом железа) присоединяет к себе молекулу кислорода. Кислород связывается с этим участком, когда гемоглобин проходит через легкие и отсоединяется в тех участках тканей, где мало кислорода. Одни из самых важных видов белка — белки-ре- цепторы. Их функция состоит в том, чтобы связываться со специфическими лигандами и, как правило, передавать информацию об их присутствии. У белка-рецептора имеется небольшой центр связывания, который по своей форме и химической структуре соответствует определенной молекуле. Рецепторы на языке и в полости носа захватывают молекулы из пищи или из воздуха, позволяя нам чувствовать вкус и запах. Нервная система состоит из многих нейронов с длинными отростками, которые соединяются между собой, как провода в телефонной системе. Каждая клетка посылает сигнал соседней, выделяя сигнальные молекулы, которые связываются с рецепторами соседних нейронов и стимулируют их пересылать сигнал дальше. Точно так же и бактерии имеют рецепторы, способные распознавать те или иные аминокислоты. Когда рецепторы бактерий обнаруживают сахара или аминокислоты, они посылают сигналы клетке, и та передвигается поближе к источнику питательных веществ. Все эти белки выполняют функции благодаря своей подвижности и гибкости. Связываясь с лигандами, они слегка меняют свою форму, что позволяет им выполнять следующую функцию — стимулировать аппарат передвижения бактерии или генерировать электрический сигнал в нейроне. Когда молекула гемоглобина соединена с молекулой кислорода, ее форма слегка отличается от молекулы гемоглобина без кислорода. Способность менять форму имеет особое значение для аллостерических белков; у таких белков имеется два центра связывания, соответствующих двум разным лигандам, и форма белка зави Продолжение на след. странице

сит от того, какой именно лиганд связан с ним в данный момент. В классическом случае аллостеричес-кий белок имеет активный центр для своего субстрата и вторичный центр для регуляторного лиганда:

Такого рода белки часто стоят первыми в метаболической цепи и регулируют метаболический путь посредством обратной связи. Регуляторный лиганд в данном случае является конечным продуктом метаболического пути, и при своем избытке в клетке он связывается с молекулами-ферментами, слегка изменяя их и предотвращая их активность. Затем, когда уровень концентрации продукта падает, его молекулы отсоединяются от ферментов, и ферменты возобновляют свою активность. Благодаря такому механизму клетка получает достаточное количество необходимых ей компонентов, но не тратит энергию на производство лишних веществ.

Регуляция генов эукариот

Вопрос о регуляции генов в клетках эукариот требует иной постановки, поскольку образ жизни типичных эукариот коренным образом отличается от образа жизни прокариот. Прокариоты — это протые бактерии, живущие в окружающей среде, которая может постоянно изменяться. Их комплексный механизм регуляции сложился в ответ на требования быстро приспосабливаться к среде и немедленно реагировать на появление или исчезновение питательных веществ. Конечно, многие эукари-отические микроорганизмы ведут себя приблизительно так же, но большинство эукариот — это многоклеточные организмы — растения и животные. Их клетки живут в окружении других клеток того же организма в мало меняющейся среде. У человека имеются системы контроля (например, нервная и гормональная), поддерживающие постоянные состав крови и других тканей, температуру, кровяное давление и другие характеристики. Некоторые клетки, конечно, вынуждены реагировать на быстрые изменения (как, например, клетки печени), но среда большинства клеток меняется незначительно. Скопления клеток в той или иной ткани вырабатывают специфические белки, придающие им отличительную форму и способствующие выполнению специфической функции. Следовательно, главный вопрос регуляции генов растений и животных касается того, о чем мы говорили в начале главы, а именно: каким образом зигота становится взрослым организмом. Об этом мы и поговорим далее, на примере животных.

О регуляции генов бактерий с их репрессорами и операторами забывать не стоит, потому что это прекрасная общая модель: экспрессию генов регулируют особые белки, которые связываются с ДНК на специфических регуляторных участках. Однако, детали механизма регуляции эукариот могут значительно отличаться от механизма регуляции у бактерий. Обычно отдельный ген регулирует сам себя, а не блок генов в виде оперона. У каждого гена имеется свой промотор, и он регулируется комплексом белков, которые связываются с промотором и друг с другом. Такая регуляция порой становится невообразимо сложной. В клетках эукариот содержатся общие белки, которые связываются со всеми промоторами и инициируют транскрипцию; кроме того, в них есть более или менее специфичные белки для различных классов генов. Все эти белки нагромождаются друг на друга на участке промотора, и только когда все они на месте, молекула РНК-полиме-разы связывается с промотором и начинает транскрипцию гена. На страницах этой книги нет смысла описывать регуляцию какого-то конкретного гена и его белков, потому что для непосвященного читателя она предстанет как список бессмысленных названий. Важно понять, что решение включить тот или иной ген во время эмбрионального развития, принимается в ходе взаимодействий нескольких регулирующих белков.