Volume1

728 Часть 2. Основные генетические механизмы

привлекают) ферменты-«писатели», которые в точности воспроизводят типы модификации, привлекшие их изначально, тогда распространение активных и молчащих областей хроматина может быть точно передано по наследству (см. рис. 5.39). В известном смысле самоподдерживающаяся модификация гистонов является формой петли положительной обратной связи, которая связана с ДНК, но не требует участия самой подвергающейся изменению последовательности ДНК.

Способность дочерней клетки сохранять память о пофилях экспрессии генов, которые существовали в родительской клетке, является примером эпигенетического наследования (epigenetic inheritance). Значения этого термина немного отличаются друг от друга в различных областях биологии, но мы будем его использовать в самом широком смысле, чтобы охватить любое наследуемое различие в фенотипе клетки или организма, которое не является результатом изменений нуклеотидной последовательности ДНК (см. рис. 4.35). Сейчас мы рассмотрели три из наиболее важных механизмов, которые лежат в основе эпигенетических изменений, но существуют и другие (рис. 7.86). В клетках эти механизмы часто объединяются, чтобы обеспечить точное и надежное поддержание и наследование картин экспрессии генов — в нашем случае в течение периода времени до 100 лет и более.

Более полувека биологи были поглощены идеей о ДНК как носителе наследственной информации, и это совершенно верно. Однако стало ясно, что хромосомы человека тоже несут большое количество информации, которая является эпигенетической и не содержится в самой последовательности ДНК. Импринтинг является одним из примеров. Другой наблюдается при явлении моноаллельной экспрессии (mono-allelic expression), когда экспрессируется только одна из двух копий определенных генов человека. Для множества таких генов решение о том, какой аллель экспрессировать, а экспрессию какого аллеля подавить, является случайным, но, после того как оно принято, оно передается дочерним клеткам. Далее мы увидим крайний случай проявления этого феномена при инактивации X-хромосомы.

У человека совокупный эффект от действия случайных и запускаемых под действием окружающей среды эпигенетических изменений можно увидеть, сравнивая однояйцевых близнецов. Их геномы имеют одинаковую последовательность нуклеотидов, но при сопоставлении их профилей модификации гистонов и метилирования ДНК наблюдаются многочисленные различия. Поскольку эти различия приблизительно соотносятся не только с возрастом, но также и со временем, которое близнецы провели порознь, полагают, что некоторые из этих изменений являются результатом действия факторов внешней среды (рис. 7.87). Исследования эпигено- ма находятся на ранних стадиях, но идея о том, что события окружающей среды могут навсегда запечатлеваться нашими клетками, завораживает и представляет для следующего поколения ученых-биологов важную проблему, ждущую решения.

7.4.16.  Изменения структуры хроматина целой хромосомы могут передаваться по наследству

Уже отмечалось, что состояния хроматина и метилирование ДНК могут передаваться по наследству, помогая образовывать и сохранять профили экспрессии генов на протяжении многих клеточных поколений. Возможно, наиболее яркий пример этого эффекта встречается у млекопитающих, у которых изменение в структуре хроматина целой хромосомы может модулировать уровни экспрессии всех генов на этой хромосоме.

730 Часть 2. Основные генетические механизмы

Рис.7.87.Однояйцевыеблизнецы,выросшиепо-

рознь.(СлюбезногоразрешенияNancyL.Segal.)

У млекопитающих компенсация доз генов достигается путем инактивации транскрипции одной из двух X-хромосом в женских соматический клетках — процесс, извест-

ный как инактивация X-хромосомы

(X-inactivation). На ранней стадии развития женского эмбриона, когда он состоит из нескольких тысяч клеток,

одна из двух X-хромосом в каждой клетке сильно конденсируется в тип гетерохроматина. Конденсированную X-хромосому можно легко увидеть в световой микроскоп в интерфазных клетках: она располагается в окрестностях ядерной мембраны (рис. 7.88), и ее первоначальным названием было тельце Барра (Barr body). В результате инактивации две X-хромосомы могут сосуществовать в одном ядре, подвергаясь действию одних и тех же диффундирующих регуляторных белков, но полностью различаясь по экспрессии своих генов.

Первоначальный выбор, какую из X-хромосом инактивировать, унаследованную от матери (Xм) или унаследованную от отца (Xо), случаен. После своей инактивации Xо или Xм остается неактивной при всех последующих делениях этой клетки и ее потомков, указывая на то, что неактивное состояние исправно поддерживается в течение множества циклов репликации ДНК и митоза. Поскольку инактивация X-хромосомы — событие случайное и происходит после того, как в эмбрионе уже сформировалось несколько тысяч клеток, каждый женский организм представляет собой мозаику из клональных групп клеток, в которых инактивирована Xо- или

Xм-хромосома (рис. 7.89). Эти клональные группы расположены во взрослом организме небольшими кластерами, поскольку сестринские клетки стремятся оставаться в тесном контакте друг с другом в ходе последних стадий развития. Например, инактивация X-хромосомы

Рис.7.88.ИнактивацияX-хромосомывженских клетках.а)ТолькоинактивированнаяX-хромосома покрытаXIST-РНК,визуализированнойздесьпри помощи гибридизации in situ с флуоресцентно мечеными РНК, имеющими комплементарную нуклеотидную последовательность. На рисунке показаны ядра двух соседних клеток. б) Тот же образец, окрашенный антителами против компонента комплекса белков группы Polycomb, которыйпокрываетX-хромосомуипомогаетпо- давитьэкспрессиюеегенов.(ИзB. Panning,Methods Enzymol. 376: 419–428, 2004. С разрешения AcademicPress.)

Глава 7. Контроль генной экспрессии 733

инактивировать? Какой механизм препятствует инактивации также и другой X-хромосомы? Как XIST-РНК координирует образование гетерохроматина? Как некоторые гены X-хромосомы избегают инактивации? Мы только начинаем понимать этот механизм регуляции генов, который является ключевым для выживания нашего собственного вида.

Инактивация X-хромосомы у самок — это только один из способов, с помощью которых в организмах, размножающихся половым путем, достигается компенсация доз генов. У дрозофилы большинство генов на единственной X-хромосоме, которая есть в мужских клетках, транскрибируются примерно в два раза интенсивнее, чем их копии в женских клетках. Эта специфическая для самцов «повышающая регуляция» (up-regulation) транскрипции является результатом изменения структуры хроматина на всей X-хромосоме самца. Комплекс компенсации доз генов содержит несколько модифицирующих гистоны ферментов, так же как и две некодирующие РНК, транскрибированные с X-хромосомы. Он собирается на сотнях участков вдоль X-хромосомы и создает картины модификации гистонов, которые, предполагается, повышают интенсивность транскрипции, благодаря воздействиям на ее инициацию или элонгацию, большинства генов X-хромосомы самца.

У нематод используется третий тип стратегии компенсации доз генов. В данном случае два пола представлены самцами (с одной X-хромосомой) и гермафродитами (с двумя X-хромосомами) и компенсация доз происходит путем примерно двукратной «понижающей регуляции» (down-regulation) транскрипции каждой из двух X-хромосом в клетках гермафродита. Это осуществляется посредством структурных, охватывающих всю хромосому изменений в X-хромосомах гермафродитов (рис. 7.91). Комплекс компенсации доз генов, который полностью отличается от комплекса дрозофилы и напоминает, вместо этого, комплекс конденсина (condensin), обеспечивающий компактизацию хромосом в ходе митоза и мейоза (см. рис. 17.27), собирается вдоль каждой X-хромосомы гермафродита и при помощи неизвестного механизма налагает глобальную двукратную репрессию на нормальный уровень экспрессии каждого гена.

Стратегия и средства, используемые для того, чтобы вызвать компенсацию доз генов, отличаются у млекопитающих, мух и червей, но все они включают в себя структурные изменения, затрагивающие целиком всю X-хромосому. Вероятно, что в ходе эволюции происходила независимая адаптация и приспособление характерных черт структуры хромосом, являющихся достаточно общими для всех, с целью преодолеть проблему высокой специфичности при регуляции генов, с чем сталкиваются животные, размножающиеся половым путем.

7.4.17.  В системе, контролирующей экспрессию генов, есть удивительные шумы

До настоящего момента в этой главе экспрессия генов рассматривалась нами так, как если бы она была строго детерминированным процессом, так что если бы была известна концентрация всех соответствующих регуляторных белков и других контролирующих молекул, то можно было бы точно предсказать уровень экспрессии генов. На самом же деле поведению клетки присуще большое число случайных отклонений. Частично это происходит из-за случайных флуктуаций, происходящих в окружающей среде, и это нарушает концентрации регуляторных молекул внутри клетки непредсказуемым образом. Другой возможной причиной в некоторых случаях может быть хаотическое поведение внутриклеточной системы контроля. Математический анализ показывает, что даже достаточно простые контролирующие

Глава 7. Контроль генной экспрессии 735

ассоциации/диссоциации между регуляторной областью ДНК и белком является стохастической: если время полужизни t½ связанного состояния составляет час, то ген может оставаться активным иногда в течение 30 минут или меньше, а иногда

втечение нескольких часов кряду перед тем, как белок-активатор диссоциирует. Таким образом, транскрипция будет колебаться между активным и неактивным состояниями, по существу, случайным образом. Средняя скорость колебания и отношение среднего времени, проведенного в активном состоянии, ко времени, проведенном

внеактивном состоянии, будет определяться величинами kнеакт и kакт для реакции связывания и концентрацией белка-активатора в клетке. Количество транскриптов гена, накапливаемых в клетке, будет колебаться соответственно; если время жизни

транскриптов больше t½, колебания будут сглаженными, если меньше — резкими. Один из способов демонстрации подобных случайных колебаний в экспрессии отдельных копий генов состоит в конструировании при помощи методов генной инженерии клеток, в которых одна копия контролирующей области гена соединена

споследовательностью, кодирующей зеленый флуоресцентный репортерный белок, а другая копия подобным же образом соединена с последовательностью, кодирующей красный флуоресцентный репортерный белок. Оба этих генетических конструкта находятся в одной клетке и подвергаются одинаковому воздействию окружающей среды, но флуктуации в уровне их экспрессии проходят независимо. В результате в популяции клеток, несущих одну и ту же пару конструктов, некоторые клетки оказываются зелеными, другие красными, а третьи являются смесью двух цветов и, таким образом, представлены различными оттенками желтого (см. рис. 8.75). В более общем случае решение о судьбе клетки часто «принимается» стохастически, по-видимому, по причине подобных случайных флуктуаций; в главе 23, где обсуждается происхождение различных типов лейкоцитов, мы еще столкнемся с подобными явлениями.

Внекоторых типах клеток и для некоторых аспектов поведения клетки только что описанная случайность в контроле транскрипции генов, вероятно, становится основным источников случайной изменчивости, в других типах клеток преобладают иные источники случайных отклонений. Если шум в контролирующей системе был бы опасен, то развились бы специальные регулирующие механизмы для сведения его эффектов к минимуму; петля прямой связи, описанная ранее, является примером такого устройства, помогающего отфильтровывать воздействие быстрых колебаний

вконтролирующем сигнале. Но во всех клетках некоторая степень случайности неизбежна. Это фундаментальная черта поведения клетки.

Заключение

Многие типы клеток животных и растений образуются большей частью с использованием механизмов, вызывающих транскрипцию разных наборов генов в различных клетках. Поскольку специализированные животные клетки могут сохранять свой уникальный характер в течение множества циклов клеточных делений и даже при росте в культуре, то механизмы регуляции генов, которые участвуют в их создании, однажды установившись, должны быть стабильными

и передаваться по наследству при делении клетки. Эти качества отражают память клетки об истории своего развития. Бактерии и дрожжи также демон- стрируют наличие у них клеточной памяти и представляют собой необычайно доступные модельные системы для изучения механизмов регуляции генов.

Прямые или косвенные петли положительной обратной связи, которые дают возможность регуляторным белкам сохранять и поддерживать свой собственный

736 Часть 2. Основные генетические механизмы

синтез, обеспечивают простейший механизм клеточной памяти. Транскрипцион- ные цепи также служат в клетке средствами для выполнения логических операций

иизмерения времени. Простые транскрипционные цепи, объединенные в крупные регуляторные сети, выполняют сложные программы эмбрионального развития.

Уэукариот транскрипция любого специфического гена главным образом контролируется комбинацией регуляторных белков. Полагают, что каждый тип клеток в высшем эукариотическом организме содержит специфический на- бор регуляторных белков, которые обеспечивают экспрессию только тех генов, которые соответствуют этому типу клетки. Любой конкретный регуляторный белок может быть активным в широком спектре разнообразных обстоятельств

иобычно участвует в регуляции множества различных генов.

В отличие от бактерий, эукариотические клетки используют переда- ваемые по наследству состояния конденсации хроматина как дополнительный механизм регуляции экспрессии генов и создания клеточной памяти. Особенно яркий пример — инактивация целой X-хромосомы у самок млекопитающих. Метилирование ДНК также может осуществлять сайленсинг генов, который будет передаваться по наследству. Кроме того, этот механизм лежит в основе феномена геномного импринтинга у млекопитающих, при котором экспрессия гена зависит от того, был ли он унаследован от матери или от отца.

7.5.  Посттранскрипционные средства контроля

В принципе, каждый этап, необходимый для экспрессии генов, может контролироваться. Действительно, можно найти примеры каждого вида регуляции, и многие гены регулируются посредством множества механизмов. Как отмечалось выше, контроль инициации транскрипции генов является крайне важной формой регуляции для всех генов. Но на более поздних этапах пути от ДНК к белку могут функционировать

идругие средства контроля, регулируя количество произведенного генного продукта

ив некоторых случаях определяя точную аминокислотную последовательность белко-

вого продукта. Эти посттранскрипционные средства контроля (post-transcriptional controls), которые действуют после того, как РНК-полимераза связалась с промотором

гена и начала синтез РНК, являются ключевыми для регуляции множества генов. В последующих разделах мы рассмотрим варианты посттранскрипционной ре-

гуляции по их порядку во времени, согласно последовательности событий, которым может подвергнуться молекула РНК после начала ее транскрипции (рис. 7.92).

7.5.1.  Аттенуация транскрипции приводит к преждевременной терминации синтеза некоторых молекул РНК

Давно известно, что экспрессия определенных генов у бактерий ингибируется путем преждевременной терминации транскрипции, — феномен, именуемый атте-

нуацией транскрипции (transcription attenuation). Иногда в таких случаях расту-

щая цепь РНК принимает конформацию, которая приводит к ее взаимодействию

сРНК-полимеразой, причем таким образом, что транскрипция останавливается. При необходимости синтеза генного продукта регуляторные белки связываются

срастущей цепью РНК и препятствуют аттенуации, позволяя довести транскрипцию до получения полной молекулы РНК.

Аттенуация транскрипции также действует и у эукариот. Хорошо изученный пример встречается в ходе жизненного цикла ВИЧ — вируса иммунодефици-