Гилберт С. Биология развития. Т.2.doc ,БИР. Библиография Гилберт С. Биология развития в 3х т. Т. 2 Пер с англ. М. Мир, 1994. 235 с
 Скачать 19.05 Mb.
|
Глава 11. Регуляция экспрессии генов на уровне транскрипции: изменение транскрипции в ходе развитияВ то время как мой спутник с важностью и удовлетворением созерцал великолепный вид предметов, я наслаждалась исследованием их сущности... Любопытство, искренние попытки изучить скрытые законы природы, радость, близкая к восторгу, когда они раскрывались передо мной, одни из самых ранних впечатлений, которые сохранились в моей памяти. МЭРИ УОЛСТОНКРАФТ ШЕЛЛИ (1817) Следовательно, мы не можем с категоричностью отрицать, что в конце концов нам удастся измельчать гены в ступке и готовить их в стакане. Г. МЕЛЛЕР (1922) ВведениеЛюбую научную дисциплину определяют проблемы, которыми она занимается. До двадцатых годов эмбриология и генетика представляли собой одну науку и многие исследователи, которых мы считаем теперь пионерами генетики, исходно занимались эмбриологией. Однако в двадцатых годах генетики начали формулировать свои проблемы как имеющие отношение к передаче наследственных потенциалов, тогда как эмбриологи видели свои проблемы в том, что касается выраженияэтих наследственных черт. Две научные дисциплины разделились и создали свои собственные методики получения данных, наборы проблем, журналы и терминологию. Многие биологи считали такое деление неестественным, однако не было теории, которая связывала бы эти области науки. Ф. Лилли, чьи работы произвели революцию в изучении оплодотворения (область, где сходились интересы и генетиков, и эмбриологов!), признавал с сожалением, что объединение вновь этих двух дисциплин невозможно до тех пор, пока мы не сможем понять, каким образом ядра, содержащие идентичные гены, обеспечивают развитие различных типов клеток. «Дилемма, к которой мы пришли, представляется в настоящее время неразрешимой» (Lillie, 1927). Но так ли было в действительности? Ганс Дриш в 1894 г. предложил гипотезу взаимодействия ядер (которые, как он считал, содержат наследственные потенциалы) и цитоплазмы. Согласно этой гипотезе (представленной в гл. 8), цитоплазма активирует ядро, которое в результате этого образует новые материалы для цитоплазмы. Эта новая цитоплазма будет по-иному взаимодействовать с ядром, и таким образом цикл будет продолжаться. Следующим летом Дриш осуществил серию экспериментов совместно с Т. Морганом, молодым эмбриологом из Америки, который приехал в Европу для работы с ним. В 1934 г. после принесших ему славу открытий в генетике Морган по-новому изложил идеи Дриша. Вместо общепринятого представления о том, что каждый ген должен быть активен в каждой клетке. Морган высказал предположение, что в клетках различных типов цитоплазма активирует разные «батареи генов». При дроблении яйцо делится таким образом, что разные ядра попадают в разные области цитоплазмы яйца. «Исходные различия областей протоплазмы могут, предположительно, влиять на активность генов. Гены в свою очередь будут влиять на протоплазму, которая даст начало новой серии реципрокных реакций. Подобным образом мы можем представить себе постепенное усложнение и дифференцировку различных частей зародыша». Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1994. – 235 с.110_______________ ГЛАВА 11___________________________________________________________ В шестидесятых годах в пользу этой гипотезы было накоплено достаточно много данных и активация генов стала рассматриваться в основном как процесс избирательной транскрипции генов. Кроме того, изучение дифференциальной экспрессии генов у бактерий, казалось, подтверждает, что при дифференцировке клеток транскрипционно активируются разные наборы генов. Однако сегодня мы знаем, что регуляция экспрессии генов осуществляется разнообразными путями и что контроль может происходить на уровнях транскрипции, процессинга РНК, трансляции и модификации белка. В этой главе мы познакомимся с некоторыми генами, активность которых контролируется дифференциальной транскрипцией. Среди них гены, активные в большинстве клеток (такие, как рибосомные гены), и гены, продукты которых характеризуют только определенные типы клеток (такие, как гены овальбумина и глобулинов). В следующей главе основное внимание мы уделим механизмам контроля транскрипции, чтобы выяснить, каким образом одни участки хроматина активируются, тогда как другие остаются репрессированными. ГетерохроматинРазличают два основных типа хроматина в зависимости от степени его конденсации в интерфазном ядре. Большая часть хромосомного материала во время интерфазы находится в деконденсированном состоянии и утрачивает способность окрашиваться: именно эта способность позволяет наблюдать его в виде индивидуальных хромосом. Такой слабоконденсированный материал называют эухроматином. Однако некоторые хромосомные области не подвергаются деконденсации, а сохраняют свою плотную упаковку и способность к окрашиванию на притяжении всей интерфазы. Этот материал называют гетерохроматином. Гетерохроматин обнаруживается у всех представителей животных и растений и помимо сродства к красителям обладает рядом других свойств, которые отличают его от эухроматина. Во-первых, гетерохроматин относительно, если не полностью, неактивен в синтезе РНК. Во-вторых, гетерохроматин представляет собой фракцию ДНК, которая реплицируется последней в ходе клеточного никла. И, в-третьих, гетерохроматин подавляет кроссинговер между хроматидами в ходе мейоза. Существуют два типа гетерохроматина: конститутивный и факультативный. Конститутивный гетерохроматин располагается всегда в одних и тех же положениях на обеих хромосомах из пары гомологов. Обычно его обнаруживают в центромерах, и он часто состоит из высокоповторяющихся последовательностей ДНК. Факультативный гетерохроматин формируется при конденсации хроматина на определенных стадиях жизненного цикла организма и обычно присутствует лишь в одной хромосоме из пары гомологов. Иными словами, на каком-либо этапе развития определенные области ДНК становятся неактивными в транскрипции благодаря их конденсации в гетерохроматин. Было показано, что образование факультативного гетерохроматина отражает широко распространенный механизм регуляции генов. Мы рассмотрим его особенности у насекомых и млекопитающих. Отцовский гетерохроматин у мучнистого червецаОдин из наиболее впечатляющих примеров факультативной гетерохроматизации обнаружен у самцов мучнистого червеца Planococcus citri(рис. 11.1). У самок этого вида нет факультативного гетерохроматина. У самцов, напротив, весь отцовский гаплоидный набор хромосом целиком становится гетерохроматином. Даже если у отца данный набор хромосом был эухроматиновым, он становится гетерохроматиновым, когда передается самцу следующего поколения. В итоге самец Planococcusимеет эухроматиновый набор хромосом, полученный от матери, и гетерохроматиновый гаплоидный набор, полученный от отца. В ходе мейоза у самца гетерохроматиновые хромосомы дезинтегрируются, оставляя для упаковки в спермии только эухроматиновые хромосомы. Если потомок окажется самцом, то эти хромосомы конденсируются. В результате этого у самцов червеца экспрессируются только материнские гены (за исключением тех немногих тканей самца, в которых гетерохроматизация носит обратимый характер). Эта генетическая инертность отцовского набора хромосом у самцов была изящно показана в работе, в которой самцов и самок чернеца облучали и затем скрещивали с необлученными особями (Brown, Nelson-Rees, 1961). При скрещивании облученных самок в потомстве наблюдалась высокая смертность и среди самцов, и среди самок. Этот результат свидетельствовал о том, что γ-лучи способны вызывать летальные мутации. В потомстве же облученных самцов наблюдалась низкая смертность самцов и высокая самок. Гетерохроматизация облученных хромосом у мужского потомства предотвращала экспрессию доминантных летальных мутаций. Инактивация X хромосомы у млекопитающихУ млекопитающих факультативный гетерохроматин проявляется в феномене инактивации Х-хро- |