Чтение онлайн

Переключение глобиновых генов - общее правило для всех позвоночных, однако типы переключения удивительно разнообразны даже среди млекопитающих. У человека имеются хорошо различимые эмбриональные, фетальные глобины и глобины взрослого типа. Фетальный гемоглобин обладает более высоким сродством к кислороду, чем материнский гемоглобин, что облегчает перенос кислорода через плаценту к плоду. Однако, как показано в табл. 10-5, не у всех млекопитающих имеются ясно выраженные фетальные гемоглобины. У грызунов, хищных и лошадей, например, на стадии плода происходит прямой переход от синтеза эмбриональных глобинов к глобинам взрослого типа. В этих случаях сродство к кислороду гемоглобина взрослого типа, находящегося в эритроцитах плода, по-видимому, как-то модулируется содержащимися в цитоплазме малыми молекулами, так что кровь плода обладает более высоким сродством к кислороду, чем материнская кровь.

Организация генов -глобинов может быть очень сходной даже у организмов, у которых обнаружены существенные различия в типах переключения. Как видно из табл. 10-5, у кроликов синтезируются эмбриональные -подобные глобины, называемые и , но у них нет фетального -глобина, эквивалентного -цепям человека. Вместо этого плод синтезирует -цепи взрослого типа. Лейси (Lacy) и ее сотрудники, а также Хардисон и др. (Hardison et al.) установили, что гены -глобина у кролика образуют кластер, очень сходный с кластерами, имеющимися у человека, и что в процессе развития происходит переключение отдельных генов этого кластера. Два гена, соответствующие по своему местоположению -генам в кластере -генов человека, показанном на рис. 10-4, экспрессируются у зародыша, вероятно для того, чтобы продуцировать -цепи. Ген, соответствующий по своему положению -гену человека, по-видимому, не экспрессируется ни на одной стадии развития, а ген, соответствующий гену -глобина взрослого человека, выполняет ту же функцию у кролика.

Таблица 10-5. Переключения генов гемоглобина у некоторых млекопитающих

(по данным Hardison et al., 1979; Kitchen, 1974; Kitchen, Brett, 1974)

Глобины иллюстрируют роль переключения в экспрессировании последовательного ряда генов, непосредственно участвующих в метаболических функциях; существуют, однако, и более сложные системы мультигенов, продукты которых непосредственно участвуют в экспрессии генов или в морфогенезе. В некоторые из таких семейств входит большое число генов, экспрессия которых регулируется в ходе развития.

Гистоновые гены, лучше всего изученные у морских ежей, хорошо иллюстрируют адаптацию, состоящую в использовании мультигенных семейств для обеспечения как синтеза больших количеств белка, необходимых на ранних стадиях развития, так и переключений, необходимых для последовательной экспрессии генов ряда близких белков. В процессе дробления число ядер, а тем самым и содержащихся в них хромосом, быстро растет, увеличиваясь вдвое за каждые 10-20 мин. Гистоны, необходимые для обеспечения сборки хромосом во время быстрого дробления, могут поступать либо из белков, запасенных в яйце, как это показали Вудленд и Адамсон (Woodland, Adamson) на лягушке Xenopus, либо за счет усиленного синтеза гистонов в дробящемся зародыше, как установили Кедес (Kedes) и его сотрудники для морских ежей. Количество гистоновых генов, необходимых для этих двух стратегий, различно. В яйце лягушки гистоны медленно накапливаются в течение нескольких недель или месяцев оогенеза, тогда как в зародыше морского ежа они синтезируются за несколько часов. Яйцо морского ежа содержит лишь около 25% гистоновой мРНК, необходимой для синтеза гистонов при дроблении; остальная мРНК транскрибируется в процессе дробления. Вследствие этого главное семейство гистоновых генов представлено у морского ежа гораздо большим числом копий, чем у лягушки (или у человека). У морских ежей число копий этих генов колеблется от 300 до 1200, тогда как у Xenopus и у человека, по данным Бирнстила и др. (Birnstiel) и Вилсона (Wilson) и его сотрудников, их всего 10-20.

Как установлено, у морских ежей гистоновый синтез регулируется сложным комплексом переключений, что приводит как к временным, так и к тканеспецифичным изменениям. Ньюрок (Newrock) и его сотрудники описали во всех подробностях сложную последовательность этих изменений, впервые обнаруженных Рудерманом и Гроссом (Ruderman, Gross). Из пяти главных гистонов морских ежей три (H1, H2A и Н2В) представлены на ранних стадиях дробления специфичными для этих стадий подтипами, образующимися в результате кратковременного синтеза. Далее происходит синтез гистонов других подтипов, специфичных для отдельных стадий и последовательно сменяющих друг друга, как это показано на рис. 10-5. Подтипы каждого гистона, специфичные для дробления, сменяются в процессе дробления подтипами -гистонов, а затем на стадии бластулы -, - и другими подтипами. Эксперименты Ньюрока и его сотрудников, Кункеля и Вейнберга (Kunkel, Weinberg) и Чайлдса и др. (Childs et al.) показывают, что замены гистоновых белков происходят в результате постепенных и последовательных изменений в синтезе гистоновой мРНК. Каждый подтип - продукт отдельного гена, относящегося к тому же семейству, что и гены, кодирующие другие подтипы. Замена гистонов одного подтипа гистонами другого подтипа приводит к изменению белкового состава хромосом по мере развития. Такие изменения могут привести к «ремоделированию» хроматина, что имеет потенциально важное значение для дифференцировки клеток зародыша.

Рис. 10-5. Экспрессия членов гистоновых мультигенных семейств в процессе развития зародыша морского ежа. Толщина поперечных полос схематически отражает уровень синтеза белка или количество присутствующей мРНК. Обратите внимание, что синтез гистонов контролируется путем регуляции как трансляции, так и синтеза мРНК, потому что, хотя запасенные в яйце мРНК имеются в наличии на ранних стадиях развития, немедленной их трансляции не происходит (Newrock et al., 1977; Childs, Maxson, Kedes, 1977-с изменениями; использованы дополнительные данные для определения сроков начала трансляции гистонов на запасенной мРНК: Wells et al., 1981, а также Wells, Cohen, неопубликованные данные).

Переключения не ограничиваются такими белками, как глобины и гистоны, участвующие главным образом в обеспечении внутренних потребностей клетки. Некоторые переключения тесно связаны с морфогенезом. Например, микротрубочки, которым принадлежит ведущая роль в клеточном движении и создании формы клетки, состоят из - и -тубулинов, синтез которых обеспечивается небольшими мультигенными семействами. Э. Рэфф (Е. Raff) и ее сотрудники установили, что синтез этих тубулинов в процессе развития дрозофилы регулируется путем переключений. Некоторые виды тубулинов синтезируются на протяжении всего развития, но синтез по меньшей мере одного -тубулина включается, а затем выключается в течение короткого периода эмбриогенеза. Кемпхьюз и др. (Kemphues et al.) обнаружили существо вание тканеспецифичного -тубулина, экспрессирующегося только в семенниках. Этот специфичный для семенников -тубулин необходим для сборки очень специализированной структуры - аксонемы хвоста сперматозоида.

Кафатос (Kafatos) и его сотрудники исследовали роль переключателей мультигенов в морфогенезе на примере белков хориона, образующих оболочку яйца, у шелкопряда. Если рассматривать невзрачную на вид оболочку яйца при помощи сканирующего или обычного электронного микроскопа, то обнаруживается ее изящная поверхностная структура, которая, несомненно, понравилась бы Д'Арси Томпсону. На рис. 10-6 показана поверхность хориона шелкопряда Antheraea polyphemus. Главные особенности строения этой оболочки - выстилающие ее шестиугольники, соответствующие местам, где прежде находились фолликулярные клетки, и выступающие вверх дыхательные структуры, удачно названные аэропилями. Видное на переднем плане углубление - это микропиле, через которое при оплодотворении в яйцо проникает сперматозоид. На поперечном срезе можно видеть, что хорион обладает легкой, но механически прочной структурой, укрепленной внутренними перекладинами. Хорион секретируется слоем фолликулярных клеток, синтезирующих белки; число различных белков хориона, синтезируемых у шелкопряда, приближается к 200. Эти белки можно разбить на пять больших классов, различающихся по молекулярной массе и последовательностям аминокислот. Белки, входящие в каждый класс, кодируются семейством близких генов, но, как показали Джонс и др. (Jones et al.), в пределах надсемейства белков хориона обнаружена, кроме того, значительная близость между ограниченными участками, или доменами, белков, принадлежащих к различным семействам. На близость генов, кодирующих эти белки, указывают также данные Мэрией Гольдсмит (Marian Goldsmith) и ее сотрудников о том, что у тутового шелкопряда Bombyx mori многие гены, кодирующие белки, относящиеся к этим семействам, организованы в три кластера, локализованные в одной и той же хромосоме.

Рис. 10-6. Структура поверхности оболочки яйца шелкопряда Antheraea polyphemus. На переднем плане микропиле с концентрическими рядами выстилающих клеток вокруг, а на заднем плане - многочисленные аэропиле (структуры, обеспечивающие дыхание) (Regier, Mazur, Kafatos, 1980; в этой работе дано подробное описание хориона).

Экспрессия генов, кодирующих белки хориона, регулируется рядом переключений. Сим и др. (Sim et al.) установили, что на ранних стадиях развития хориона преобладает синтез членов трех семейств белков с высокой молекулярной массой, а на средних и поздних стадиях-синтез белков, относящихся к двум семействам с низкой молекулярной массой. При помощи соответствующих проб, состоящих из клонов рекомбинантной ДНК генов хориона, Симу и др. удалось выявить виды мРНК, соответствующие клонированным генам. Изменяющийся спектр синтезируемого белка отражает изменения спектра синтезируемой мРНК в фолликулярных клетках.

Два наблюдения, сделанные недавно в лаборатории Кафатоса, убеждают в том, что гены, детерминирующие развитие хориона, близки не только эволюционно и функционально; они, кроме того, расположены в определенном порядке, координирующем их экспрессию. У тутового шелкопряда Bombyx mori известна мутация, которая приводит к развитию дефектного хориона в результате делеции участка ДНК, содержащего примерно половину генов хориона. Утрачиваемые при этом гены относятся главным образом к тем, которые экспрессируются на поздних стадиях хориогенеза, позволяя предполагать, что гены собраны в кластеры в зависимости от сроков их экспрессии. Использование клонов ДНК, полученных путем рекомбинации фрагментов ДНК, которые содержат более одного гена, специфичного для хориона, дало возможность Джонсу и Кафатосу исследовать генную организацию с точки зрения временной регуляции экспрессии. Расположение генов в двух таких клонах показано на рис. 10-7. Эти два клона содержат различные гены, но в каждом клоне имеется по две копии этих генов. Гены эти принадлежат к разным подсемействам хорионных генов, но их экспрессия координирована. Гены, изображенные на рис. 10-7 в верхнем фрагменте, используются в середине хориогенеза, а гены нижнего фрагмента - в конце этого процесса. В обоих случаях физически смежные пары генов, по-видимому, остаются сцепленными при транскрибировании и между каждой парой находится общий для них регуляторный элемент.

Рис. 10-7. Расположение двух совместно реагирующих наборов генов, кодирующих белки хориона. Показаны два клона, несущие собранные в кластеры гены белков хориона шелкопряда. Гены 18 и 401 кодируют два различных белка, синтезируемые на поздней стадии сборки хориона, а гены 10 и 292 - еще два разных белка, синтезируемые в середине Периода сборки хориона. Транскрипция этих спаренных генов, разделенных коротким 5'-спейсером (белые участки), происходит в противоположных направлениях. В каждом гене есть небольшая 5'-кодирующая последовательность (черные участки), за которой следует большой интрон (пунктир). Повторяющиеся гены и окружающие их последовательности образуют кластеры. Штриховкой показаны отдельные спейсерные участки, положение которых в спейсерах варьирует (Jones, Kafatos, 1980).