Лекция 15

Любой фенотипический признак - результат работы определенной генной сети (ГС). Выделяют ГС, функционирующие по прин­ципу положит либо отрицат обратной связи.

· Терминальная диффер-ка и созревание эритроцитов – положит обр связь.

На стадии проэритробластов основным внеш­ним фактором, обеспечивающим пролиферацию и дифференцировку клеток, является эритропоэтин. После его связывания с мембранным рецептором происходит гомодимеризация рецептора и включается путь передачи сигнала эритропоэтина в клетку, осуществляемый системой клеточных протеинкиназ. В результате фосфорилирования, перемещения в ядро и ацетилирования ряда транскрипционных факторов происходит активация транскрипции ряда генов, в том числе и гена, кодирующего транскрипционный фактор GATA-1. Наличие сайтов связывания фактора GATA-1 в промоторе собственного гена. Благодаря этому происходит быстрое автоусиление транскрипции гена GATA-1 по механизму положительной обратной связи. Подобная по­ложительная обратная связь является очень эффективной и быстродей­ствующей, так как в ее функционирование не вовлечены другие гены-посредники. Поэтому она называется короткой положительной обратной связью. Существует еще одна, длинная, положительная обратная связь, обеспечивающая усиление транскрипции гена, кодирующего фактор GATA-1. Ее основа - присутствие в промоторной области гена, коди­рующего рецептор эритропоэтина (EPOR), сайта связывания фактора GATA-1, который активирует транскрипцию этого гена. В результате увеличивается количество молекул эритропоэтинового рецептора на клеточной мембране, повышается интенсивность прохождения сигна­ла от эритропоэтина через его рецептор к гену, кодирующему фактор GATA-1, и, как следствие, замыкается еще один контур положительной обратной связи, обеспечивающий дополнительное автоусиление транс­крипции гена GATA-1.

Транскрипционный фактор GATA-1 является ключевым в процес­се созревания и дифференцировки эритроцитов. Сайты его связыва­ния обнаружены в регуляторных районах практически всех эритроидспецифичных генов, в том числе генов, кодирующих а- и р -субъединицы гемоглобина, а также генов, кодирующих ферменты биосинтеза гема. Сайты связывания GATA-1 обнаружены также в регуляторных районах генов эритроид-специфичных транскрипционных факторов, таких как НОХВ2, TALI, EKLF, RBTN2. Благодаря наличию сайтов связывания фактора GATA-1 в регуляторных областях этих генов, под действием GATA-1 осуществляется стимуляция их транскрипции. Эти факторы, в свою очередь, обеспечивают дополнительную стимуляцию эритроидспецифичных генов. Таким образом, происходит включение каскада ре­гуляторных явлений, обеспечивающих транскрипцию генов, которые определяют терминальную дифференцировку и созревание эритроидной клетки.

В ажные особенности этой ГС:

1) активация генной сети внешним стимулом (эритропоэтином), запускающим процесс дифференцировки;

2) наличие центрального ре­гулятора генной сети - транскрипционного фактора GATA-1;

3) наличие двух контуров с положительной обратной связью, обеспечивающих авто­усиление транскрипции гена, кодирующего фактор GATA-1;

4) кассет­ный способ активации транскрипции эритроид-специфических генов.

· Биосинтез холестерина - отрица­тельной обратной связь.

Путь биосинтеза холестерина из ацетил-коэнзима А контролируется по механизму отрицательной обратной связи. Центральный регулятор (ЦР) генов, кодирующих ферменты этого пути - транскрипционный фактор SREBP, активирующий транскрипцию кассеты этих генов и тем самым усиливающий продукцию холестерина. Фактор SREBP образуется из предшественника - рreSREBP под действием стерол-зависимой протеазы. При повышении уровня холестерина активность протеазы подавляется, что снижает скорость образования фактора SREBP и его концентрацию.

Тем самым снижается активность генов, кодирующих ферменты этого пути, и уровень холестерина нормализуется. Так работает отрицательная обратная связь, контролирующая постоянную концентра­цию холестерина в клетках. Как правило, генная сеть, контролирующая определенный фенотипический признак организма, включает от не­скольких десятков до сотен генов.

ГС делятся на 4 класса:

5) Сети гомеостаза (превалируют отрицательные обратные связи).

6) Сети циклических процессов (есть баланс между положит. и отрицат. обратными связями).

7) Сети стрессового ответа (важная роль - положительные обратные связи).

8) Сети морфогенеза (положительные обратные связи).

3 и 4: это сети обеспечивающие рост и дифференцировку клеток, рост тканей и организма, саморазвитие организма и стресс на внешние факторы среды.

В любой генной сети есть центральный регулятор (ЦР), одновремен­но активирующий множество генов - генную кассету. Мутации ЦР могут менять функции больших групп генов, приводя к выраженным феноти­пическим изменениям. Независимо от природы ЦР, можно представить как минимум четыре типа мутаций, существенно меняющих работу ГС:

1) мутации в регуляторных районах гена ЦР;

2) мутации в регуляторных сайтах связывания транскрипционных факторов;

3) мутации в кодирующей части ЦР, меняющие структуру его молекулы;

4) мутации, приводящие к формированию корегуляторов, изменяющих конформа­цию молекулы ЦР, тем самым меняя ее активность;

5) мутации, пере­профилирующие ЦР (например, перенос сайта связывания регулятора с одного гена на другой в результате транслокации или дупликации гена ЦР с последующей сменой функции одного из паралогов)

① Пример быстрой эволюции из-за мутаций первого типа - селекция кукурузы из дикого предка - теосинта, происходившая 7 тыс. лет назад в Центральной Америке и связанная с положительным отбором и фик­сацией в промоторе гена tbl (teosinte-branchedl), уникального комплек­са мутаций, обусловивших возникновение характерных особенностей строения початка кукурузы.

③ Пример быстрой эволюции из-за мутаций второго типа - независимое объединение в ходе селекции культурной капусты различных нонсенс-мутаций в 4-м и 5-м экзонах генов транс­крипционных факторов ВоАР1-В и BoCAL, что позволило вывести сорта с измененной морфологией соцветия - цветную капусту и брокколи.

Примечательно, что в разрозненном виде указанные мутации до сих пор выявляются соответственно в диких популяциях теосинта и в популя­циях культурной капусты, что позволяет повторить селекцию. Эволю­ционное значение мутаций второго типа иллюстрирует также тот факт, что у Arabidopsis thaliana гены, управляющие транскрипцией, наименее консервативны по сравнению с генами других функций организма.

② GATA + Duffy

Ген Duffy кодирует рецептор, необходимый для проникновения малярийного плазмодия. Белые европейцы восприимчивы к малярии, в Африке в ргуляторной области гена Duffy Т сменяется С (точковая мутация), кот приводит к повреждению сайта связыванием с фактором GATA, который необходим для транскрипции гена Duffy. Африканцы не имеют АГ, обеспеч. устойчивость к малярийному плазмодию. Это микроэволюц. процессы – адаптация к специфичным факторам (средовые условия).

④ Подавление развития брюшных конечностей насекомых зависит от функциональных изменений в белке Ultrabithorax (Ubx), который кодируется одним из Hox-генов. В переднем отделе брюшка эмбриона дрозофилы белок Ubx подавляет экспрессию другого гена, Distalless (Dll), необходимого для образования конечностей. У ракообразных (морской креветки) и у ближайших родственников членистоногих онихофоровых (бархатных червей) поддерживается высокий уровень экспрессии белка Ubx, который не влияет на экспрессию гена Dll и, следовательно, на образование грудных конечностей. Предположили, что Ubx-белок дрозофилы функционально отличается от Ubx-белков онихофоровых и ракообразных. Было установлено, что С-концевая последовательность белка Ubx дрозофилы содержит последовательность, обогащенную аминокислотными остатками аланина, наличие которой обеспечивает репрессию транскрипции гена Dll (QA). Этот домен отсутствует у онихофоровых, а у ракообразных в С-концевой области белка Ubx присутствует регуляторный пептид, богатый аминокислотами серином и треонином (SSS), входящими в состав консервативных сайтов фосфорилирования (ST-домены).

Фосфорилирование этих остатков киназой CKII меняет репрессорную акивность белка Ubx по отношению к формированию конечностей. Более того, после фосфорилирования эти остатки формируют добавочные сайты для фосфорилирования как CKII, так и киназой GSK9, что повышает гибкость регуляции морфогенеза конечностей у ракообразных. Различная степень фосфорилирования меняет репрессорную активность белка Ubx по отношению к формированию конечностей, чем и обеспечивается эволюционная способность ракообразных формировать/терять конечности практически на любом сегменте тела. Напротив, насекомые в ходе эволюции утеряли ST-домены. Распространение доменов QA, усиливающих репрессорную функцию белка Ubx по отношению к формированию конечностей жестко стабилизировало их состав у насекомых. Таким образом, в ходе дивергенции артропод, шедшей уже после формирования характерного для Ecdysozoa набора Нох-генов у предков насекомых началась эволюция регуляторных доменов-корегуляторов, заставлявших ЦР тотально подавлять развитие конечностей, тогда как у предков ракообразных преимущественное развитие получили домены с активными сайтами (в данном случае – фосфорилирования), позволяющими модулировать активность белка.