Rambler's Top100 Service
Поиск   
 
Обратите внимание!   Посмотрите новые поступления ... Обратите внимание!
 
  Наука >> Биология >> Биология развития | Обзорные статьи
 Написать комментарий  Добавить новое сообщение
 См. также

Обзорные статьиВ.М. Глазер. Генетическая рекомбинация без гомологии: процессы, ведущие к перестройкам в геноме

Запрограммированные перестройки генетического материала в онтогенезе
В. М. ГЛАЗЕР
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

ВВЕДЕНИЕ
Одна из глобальных проблем современной биологии - регуляция работы генов - сложна и многогранна из-за необычайного разнообразия участвующих в ней процессов. Этому вопросу посвящены три статьи в "Соросовском Образовательном Журнале" [1-3], но они охватывают только часть проблемы, которая вряд ли будет исчерпана в обозримом будущем.
Мы рассмотрим некоторые из способов регуляции генов, в основе которых лежат перестройки генетического материала (ДНК), происходящие в онтогенезе. Такие перестройки широко распространены и у одноклеточных организмов, и в соматических клетках многоклеточных. Они могут осуществляться на различных этапах жизненных циклов организмов. Многие из них возникают случайно, тогда как другие закономерно происходят на строго детерминированных стадиях дифференцировки определенных типов клеток. В последние годы наблюдается накопление экспериментальных данных о закономерных (запрограммированных) перестройках генетического материала в онтогенезе различных представителей живого мира. Недавно возникло новое направление генетики, изучающее запрограммированные перестройки геномов как явления, непосредственно связанные с клеточной дифференцировкой.
В основе реорганизации геномов лежит генетическая рекомбинация. Общеизвестно, что рекомбинация является важным источником наследственной изменчивости и играет одну из главных ролей в эволюции органического мира. Такая рекомбинация проявляется в виде случайных событий. Однако вместе с изучением запрограммированных перестроек пришло понимание и важной роли рекомбинации в онтогенезе живых организмов. Рекомбинация выступает здесь как один из способов регуляции экспрессии генов. Ее участие существенно дополняет другие, более традиционные способы генетической регуляции. Не будь этого, природа никогда не достигла бы того разнообразия форм жизни, которое нам еще довелось застать.
Сразу оговоримся, что в разных перестройках задействованы различные типы рекомбинации. Их молекулярные механизмы разобраны в статьях [4, 5]. В этой статье достаточно ограничиться самыми общими схемами рекомбинационных процессов, по которым осуществляются перестройки и на которые мы будем опираться в дальнейшем, акцентируя внимание на биологическом значении этих явлений. Отметим только, что речь пойдет как о внутримолекулярной рекомбинации, так и о рекомбинации между молекулами ДНК. Но в отличие от обычного кроссинговера, который происходит преимущественно в мейозе, здесь функционируют главным образом эктопическая (см. [4]) и сайт-специфическая (см. [5]) рекомбинации, которые осуществляются путем кроссинговера между повторяющимися последовательностями ДНК. Напомним, что разнообразные повторяющиеся последовательности представлены в широком ассортименте в геномах всех организмов. По отношению друг к другу они могут находиться либо в прямой, либо в обратной (обращенные повторы) ориентации, что определяет результат рекомбинации. В осуществлении запрограммированных перестроек обычно используются особые, специфические повторы ДНК. У эукариот такие процессы особенно характерны для соматических клеток. Отметим, что, хотя молекулярные механизмы эктопической и сайт-специфической рекомбинаций принципиально различны [4, 5], их схемы, будучи представлены в общем, упрощенном, без детализации реакций на молекулярном уровне виде, совпадают. Поэтому для успешного восприятия материала этой статьи необходимо разобрать схемы эктопической рекомбинации, которые представлены на рис. 2 в статье [4]. Это важно, так как в схемах, которые будут приведены в данной статье, сами рекомбинационные реакции изображены не будут. Это делается для того, чтобы не перегружать схемы деталями и избежать повторения рисунка из статьи [4]. И в тексте и в рисунках ограничимся лишь констатацией участия рекомбинационных реакций в расчете на знание читателем их схем.
Рассмотрение конкретных примеров геномных перестроек начнем с более просто устроенных прокариотических организмов. В качестве отправной точки вспомним хорошо изученную систему незапрограммированных (случайных) перестроек ДНК (см. [5]).

САЙТ-СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИНВЕРСИИ СЕГМЕНТОВ ХРОМОСОМ У ЭНТЕРОБАКТЕРИЙ И ИХ БАКТЕРИОФАГОВ
Эти перестройки распространены среди некоторых бактерий, относящихся к группе энтеробактерий (Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Citrobacter), и их умеренных бактериофагов (P1, P7, Mu, D108). Они проявляются в поворотах на 180њ (инверсиях) специальных сегментов хромосомы, ограниченных обращенными повторами. Инверсии происходят с высокой частотой путем кроссинговера между повторами, катализируемого специальными ферментами - инвертазами. Назначение инверсий заключается в изменении ориентации генов, расположенных в районе рекомбинации, относительно их промоторов. Таким образом, инверсии включают одни гены и выключают другие.
Эти процессы (главным образом их молекулярный механизм) уже были описаны нами [5]. Однако для цельности изложения материала и сохранения его логики рассмотрим один пример сайт-специфической инверсии, но уже с точки зрения ее биологической функции. Система, осуществляющая сайт-специфическую инверсию специального сегмента H (993 п.н.) в хромосоме S. typhimurium, ответственна за смену флагеллинов - жгутиковых антигенов этой патогенной для грызунов бактерии (рис. 1). После того как организм хозяина выработал антитела к антигену, который внесла заразившая его бактерия, в популяции ее потомков за счет переключения генов флагеллинов случайно возникают клетки с другим антигеном. Благодаря устойчивости к выработанному в зараженном организме антителу эти клетки начинают размножаться и обеспечивают новую волну инфекции. Таким образом, переключение генов при инверсии специального сегмента хромосомы имеет приспособительное значение.

Рис. 1. Схема регуляции генов флагеллинов у Salmonella typhimurium. Регуляция генов флагеллинов осуществляется путем инверсий сегмента H (выделен зеленым цветом). Сегмент H имеет на концах обращенные повторы, изображенные в виде зеленых треугольников. Сегмент несет ген инвертазы hin с собственным промотором, не показанным на рисунке, и с промотором P (выделен красным цветом), общим для гена флагеллина H2 и гена rH1, кодирующего репрессор гена H1. Ген флагеллина H1  находится в другом районе хромосомы и имеет собственный оператор О и промотор P. На верхнем рисунке гены rH1 и H2  состыкованы со своим промотором и экспрессируются. Продукт гена rH1  подавляет ген H1, в результате синтезируется только флагеллин H2. На нижнем рисунке представлен результат инверсии сегмента Н. Промотор генов rH1   и H2  отворачивается от них (экспрессия генов прекращается), и ничто не препятствует синтезу флагеллина H1. Волнистые стрелки показывают транскрипты генов. Стрелка, ведущая от белка-репрессора к оператору гена H1, изображает репрессию этого гена.

Рассмотренные в этом разделе рекомбинационные перестройки являются случайными, хотя и с некоторыми оговорками: они осуществляются в специфических участках генома и с высокой частотой, достаточной для того, чтобы несущие их особи обязательно появлялись в бактериальной или фаговой популяции. Этот тип перестроек можно рассматривать как переходный между полностью случайными рекомбинационными событиями, происходящими в произвольных участках хромосом (такими, например, как обычный мейотический или митотический кроссинговер или транспозиции подвижных генетических элементов), и запрограммированными геномными перестройками, которые обязательно происходят в заданное время в определенном участке генома.

ЗАПРОГРАММИРОВАННЫЕ ПЕРЕСТРОЙКИ ДНК У БАКТЕРИЙ
До настоящего времени у бактерий известны четыре примера таких перестроек. Одна происходит в хромосоме так называемой материнской клетки в ходе споруляции у Bacillus subtilis  - сенной палочки, три другие - в процессе дифференцировки гетероцист у нитчатых цианобактерий. Суть всех четырех перестроек заключается в том, что у определенных генов, необходимых для развития, кодирующие последовательности прерваны специальными ДНК-элементами. В определенных клетках на определенной стадии развития происходит восстановление кодирующих последовательностей. Каждый элемент имеет на своих концах короткие прямые повторы и кодирует собственную рекомбиназу - фермент, который узнает прямые повторы и катализирует вырезание элемента в виде кольцевой молекулы ДНК и состыковку разделенных частей генов путем рекомбинации между повторами. Эти перестройки закономерно происходят на определенной стадии морфологической дифференцировки и являются участниками более сложных событий, включающих последовательную активацию многих других генов.

Развитие эндоспоры у B. subtilis
В ответ на неблагоприятные условия бактерия начинает формировать эндоспору. Так называют спору, возникающую внутри клетки. Эндоспора - толстостенное образование, высокоустойчивое к неблагоприятным факторам среды и находящееся в состоянии анабиоза, что позволяет пережить плохие времена. При попадании в нормальные условия она прорастает.
Процесс споруляции осуществляется по сложной программе (рис. 2). При этом бактериальная клетка превращается в так называемый спорангий. Споруляция проходит через несколько хорошо морфологически различимых стадий, из которых нас интересует одна - образование асимметрично расположенной перегородки, которая делит спорангий на две неравные части: большую материнскую клетку и меньшую предспору (forespore). Перед этим произошел последний раунд вегетативной репликации ДНК, в результате которого материнская клетка и предспора унаследовали по одинаковой хромосоме. Но затем происходит дивергенция путей дифференцировки. Предспора развивается в зрелую эндоспору, тогда как материнская клетка, которая обеспечивает развитие эндоспоры, после исполнения своей роли отбрасывается. Таким образом, предспора соответствует зародышевой клетке многоклеточного организма, так как после прорастания она дает потомство. В то же время материнскую клетку можно рассматривать как конечно дифференцированную, так как она неспособна к репликации ДНК и делению.

Рис. 2. Сокращенная схема раздельной регуляции экспрессии генов в двух частях спорангия в процессе споруляции у Bacillus subtilis: а - участок хромосомы вегетативной клетки, несущий некоторые гены, участвующие в процессе споруляции. Гены изображены в виде прямоугольников; б - дивергенция генетического материала в разных частях спорангия. Только в материнской клетке происходит перестройка хромосомы, приводящая к удалению элемента из 42 т.п.н. с геном IVCA (выделен красным цветом). При этом происходит состыковка сегментов IVCB и IIIC с образованием гена sigK; в - дифференциальная экспрессия генов в материнской клетке и предспоре, вызываемая факторами sK и sG. Волнистые стрелки изображают транскрипты генов. Остальные пояснения даны в тексте

Главное в процессе споруляции заключается в том, что регуляция экспрессии генов в обеих частях спорангия осуществляется по-разному. В каждой из них работает свой набор генов, ответственных за развитие эндоспоры. В целом в споруляции участвуют более 80 генов. Их продукты необходимы для созревания и последующего прорастания эндоспоры. В ходе развития эндоспоры реализуется высокоупорядоченная программа последовательного включения определенных генов в разных частях спорангия. Важная часть в управлении этой программой основана на последовательном появлении разных сигма-факторов РНК-полимеразы. Как известно, сигма-факторы являются субъединицами бактериальных РНК-полимераз. Они придают холоферменту способность узнавать специфические типы промоторов, то есть включать определенные гены [1]. Рассмотрение всей схемы регуляции процесса споруляции выходит за рамки этой статьи. Мы ограничимся той ее частью, которая непосредственно связана с перестройкой генома.
Различия в экспрессии генов в двух частях спорангия определяются, в частности, наличием специфичных для них факторов и (см. рис. 2). Фактор включает определенные гены в материнской клетке, например гены cot (кодируют полипептидные компоненты оболочки эндоспоры). Фактор sG функционирует в предспоре, например он включает гены ssp (кодируют низкомолекулярные белки, участвующие в формировании эндоспоры). Особый интерес представляет ген sigK, кодирующий . Дело в том, что в вегетативных клетках он содержит вставку в виде элемента из 42 т.п.н., которая разделяет его на две части, называемые spoIVCB (кодирует амино-концевую часть ) и spoIIIC (кодирует карбокси-концевую часть) (рис. 2, а). Естественно, что в таком виде ген неактивен. В ходе споруляции эти две разобщенные части состыковываются с точностью до одного нуклеотида в общую кодирующую рамку: образуется нормальный ген. Эта перестройка происходит только в материнской клетке (рис. 2, б ). Она осуществляется путем рекомбинации между прямыми повторами 5'-AATGA на концах элемента. Рекомбиназа, катализирующая перестройку, кодируется геном spoIVCA, который находится внутри самого элемента из 42 т.п.н., вырезаемого в виде кольца. Интересно, что эта рекомбиназа высоко гомологична описанным выше инвертазам и составляет с ними одно семейство белков.

Дифференцировка гетероцист у цианобактерий
Мы уже говорили, что цианобактерии обеспечивают три из четырех известных случаев регуляции экспрессии генов у бактерий путем запрограммированных геномных перестроек. Но сначала несколько слов о самом биологическом явлении, которое подвергается такой регуляции. Дело в том, что многие виды цианобактерий способны осуществлять азотфиксацию. Этот глобальный биологический процесс является основным природным способом образования связанных форм азота из атмосферного азота. Ключевую роль в процессе азотфиксации играет ферментный комплекс, называемый нитрогеназой. Помимо других особенностей ее регуляции нитрогеназа отличается чувствительностью к кислороду, то есть для процесса азотфиксации необходима защита от него. У цианобактерий ситуация осложняется тем, что они обладают оксигенным типом фотосинтеза, сопровождающимся образованием кислорода - яда для нитрогеназы. Различные цианобактерии выходят из положения разными способами. Нитчатые, то есть образующие цепочки клеток, цианобактерии, относящиеся к родам Anabaena и Nostoc, формируют специально предназначенные для азотфиксации клетки, называемые гетероцистами. От наружного кислорода они защищены особой двухслойной оболочкой. Внутри гетероцист кислород не выделяется, так как фотосинтез в них не идет, его осуществляют вегетативные клетки. Благодаря толстостенной оболочке гетероцисты морфологически отличаются от вегетативных клеток. Кроме того, уже на ранних этапах дифференцировки гетероцист в них исчезают фотосинтетические пигменты - фикобилины, придающие сине-зеленый цвет вегетативным клеткам. Таким образом, эти два типа клеток различаются и морфологически, и биохимически. Подобно материнской клетке при споруляции у B. subtilis, гетероцисту также можно рассматривать как конечно дифференцированную клетку: она выполняет специальную функцию и неспособна к репликации ДНК и клеточному делению.
Теперь мы подошли к рекомбинационным перестройкам, которые играют заметную роль на определенной стадии дифференцировки гетероцисты. Одна из них происходит в гене nifD, кодирующем одну из субъединиц нитрогеназы. В вегетативных клетках этот ген расчленен на две части элементом из 11 т.п.н. При дифференцировке гетероцисты вырезание элемента вместе с геном собственной рекомбиназы происходит по уже знакомой нам схеме, но на этот раз по прямым повторам 5'-CGGAGAATCC. И здесь восстановление кодирующей последовательности гена происходит с точностью до нуклеотида. Аналогичный процесс независимо происходит в гене fdxN, также связанном с азотфиксацией. Кодирующая последовательность этого гена прервана элементом размером 55 т.п.н. с концевыми повторами 5'-GAATA. Совсем недавно была описана еще одна такая перестройка у Anabaena. Она обнаружена в гене hupL, кодирующем одну из субъединиц поглощающей гидрогеназы - фермента, также связанного с азотфиксацией. Для восстановления кодирующей рамки гена вырезается фрагмент размером 10,5 т.п.н., фланкированный прямыми 16-нуклеотидными повторами. Сам фрагмент тоже содержит ген сайт-специфической рекомбиназы. Можно полагать, что это не последняя из обнаруженных геномных перестроек такого типа, происходящих при формировании гетероцист. Разумеется, дифференцировка гетероцист не сводится к описанным перестройкам. В ней задействовано много других генов.

Далее...


Написать комментарий
 Copyright © 2000-2015, РОО "Мир Науки и Культуры". ISSN 1684-9876 Rambler's Top100 Яндекс цитирования