Реферати » Реферати з біології » Генний і хромосомний рівні контролю розвитку

Генний і хромосомний рівні контролю розвитку

Генний і хромосомний рівні контролю розвитку

Н.Я. Вайсман, к.б.н., Інститут цитології і генетики СВ РАН, Новосибірськ

Введення

Вражаючий прогрес в клонуванні ссавців, в основі якого лежать експерименти по трансплантації ядер диференційованих клітин венуклеірованние ооцити, привніс нові докази того, що еукаріотичний геном не зазнавав необоротних змін в ході диференціювання і може бути репрограммироваться до рівня потенцій, схожого з зиготою (Kikyo, Wolffe, 2000; Rideout et al., 2001; Surani, 2001) . Більш того, показано, що ядра високодиференційованих клітин, таких, як-або Т-лімфоцити, здатні до повного репрограммірованію, незважаючи на те, що деякі їхні гени (імуноглобуліни і Т-рецептори) зазнають перебудову в ході диференціювання (Hochedlinger, Jaenisch, 2002). І хоча залишається неясним, чи здатні до репрограммірованію геноми будь-яких типів диференційованих клітин, список здатних до репрограммірованію різноманітних типів клітин досить великий і включає: фибро-бласти ембріонів і дорослих тварин, клітки кумулюса, епітеліальні клітини молочної залози і яйцевода, ембріональні стовбурові клітини, В - і Т-лімфоцити, незрілі клітини Сертолі і пролиферирующие нейральні клітини кори головного мозку ембріонів (Ogura et al., 2000; Wakayama, Yanagimachi, 2001; Yamazaki et al., 2001; Hochedlinger, Jaenisch, 2002; Miyashita et al., 2002 ). Важливо відзначити, що раніше в експериментах по трансплантації ядер диференційованих клітин венуклеірованние яйця або ооцити амфібій були також отримані результати, однозначно свідчать, що процес диференціювання в багатьох випадках не супроводжується незворотними змінами в геномі (Gurdon et al., 1979; Gurdon, 1986; 1999). Таким чином, сукупність даних з клонування амфібій і ссавців узгоджується з ідеєю, що в основі розвитку лежить диференціальна активність генів, а фенотипічнірізноманітність клітинних типів дефинитивного організму підтримується епігенетичними механізмами (Latham, 1999). Важливо підкреслити, що цей принцип є загальним для розвитку як тварин, так і рослин (Meyerowitz, 2002), незважаючи на те, що між ними існують величезна еволюційна дистанція і суттєві відмінності в характері розвитку. Cреди рослин у природних умовах широко поширене вегетативне розмноження, що включає репрограммирование спеціалізованих клітин (аркуша, стебла або кореня) з подальшим формуванням дефінітивного форм з повноцінними органами розмноження.

Взаємодія генів і генний контроль розвитку

Геноми багатоклітинних еукаріот містять багато тисяч генів, наприклад, нематоди C. elegans приблизно 19000 (The C. elegans Sequencing Consortium ..., 1998 ), дрозофіли - 13600 генів (Adams et al., 2000), людини - 30000-40000 (International Human Genome Sequencing Consortium ..., 2001), а Arabidopsis thaliana - майже 25 500 (The Arabidopsis Genome Initiative ..., 2000). Завдяки функціонуванню цих генів забезпечується розвиток і життєдіяльність дефинитивного організму, що складається з різноманітного типу спеціалізованих диференційованих клітин. Так, наприклад, у людини (як і більшості ссавців) ідентифіковано більш 200 типів клітин, які, в свою чергу, можуть бути додатково підрозділені (частіше ідентифікуються за допомогою молекулярних маркерів) на безліч більш спеціалізованих функціонально і почасти морфологічно типів клітин (Volpert et al ., 1998; Surani, 2001). Відповідно до сучасної парадигмі про диференціальної активності генів у розвитку, передбачається, що всі фенотипічнірізноманітність соматичних спеціалізованих клітин грунтується на тому, що в кожному конкретному клітинному типі функціонує властивий тільки цьому типу набір експресуються генів.

З порівняльного аналізу геномів ссавців випливає, що генний склад їх подібний у більшості вивчених видів, незважаючи на разючі морфологічні відмінності між ними. Більш того, функціонально важливі для розвитку гени (іноді використовують термін "гени розвитку", підкреслюючи їх важливість у процесах диференціювання, такі, як транскрипційні фактори, гомеобокс-містять гени і гени, що кодують трансмембранні білки, відповідальні за проведення регуляторних індукційних сигналів між клітинами) еволюційно консервативні і присутні в геномах хребетних і навіть безхребетних, виконуючи часом подібні функції у розвитку. Подібність геномів різних видів спостерігається і на рівні генних асоціацій. Так, наприклад, у всіх видів ссавців подібний генний склад Х-хромосом, а серед аутосом ідентифіковано більше десяти великих консервативних асоціацій сінтенних генів, які зберігаються повністю або частково у більшості вивчених видів ссавців (O'Brien et al., 1999 a, b) . З цього випливає, що онтогенез різних видів ссавців базується на функціонуванні східних наборів гомологічних (гомеологічних) генів, які до того ж нерідко подібно організовані на хромосомному рівні. Водночас спостережуване щонайширше різноманіття морфологічних форм ссавців дає підставу зробити висновок, що неодмінним атрибутом онтогенезу є його видоспецифичность.

Для пояснення цього феномена - видоспецифічності онтогенезу - передбачається, що в процесі еволюції в генах, що контролюють ті чи інші етапи розвитку, відбуваються структурні зміни, що зачіпають або кодирующую їх частина, або їх цис-регуляторні послідовності, прилеглі до кодує частини (Carroll, 2000; Stern, 2000), в результаті чого змінюються часові та / або тканеспеціфіческіе параметри їх експресії. Негласно передбачається, що такі зміни експресії генів в кінцевому рахунку трансформуються у змінах тих чи інших процесів морфогенезу, що і призводить до появи різноманітності морфологічних форм тварин і рослин.

Якщо розглядати розвиток з точки зору експресії генів, то воно подається як багатоступінчастий динамічний процес з постійно змінюваними спектрами експресуються генів в залежності від стадії ембріональної диференціювання. Палітра експресуються генів значно ускладнюється, якщо врахувати, що на різних стадіях розвитку (особливо ранніх) відбувається формування різноманітних закладок, що призводять до появи різного роду спеціалізованих типів диференційованих клітин, тобто набір експресуються генів на тій чи іншій стадії розвитку являє собою суму спектрів "індивідуальних" закладок або диференційованих клітин. Важливо врахувати при цьому, що в ці зміни спектрів залучені багато сотні або тисячі генів, розташованих на різних хромосомах або в різних сайтах в межах однієї хромосоми. Останнє передбачає незвичайно чітку координацію експресії безлічі генів впродовж усього розвитку і всього подальшого життя дорослого індивідуума, яка є продовженням розвитку (Gilbert, 1991). У цьому випадку цілком виправдане застосування терміна "програма розвитку", якщо розуміти під цим саме строго впорядковану в часі і просторі скоординовану експресію сотень і тисяч генів.

В даний час відсутня чітко сформульоване уявлення про те, що лежить в основі "програми розвитку". Це не означає, що до вирішення цієї проблеми немає яких-небудь перспективних підходів. Завдяки прогресу в молекулярній біології стала наповнюватися змістом концепція (до недавнього часу більше нагадувала міркування загального характеру), згідно з якою процес розвитку спочиває на взаємодії генів, при якому продукти генів передували стадій розвитку активують нові генні набори в наступні стадії і / або репресують окремі гени попередніх . Такий тип взаємодії генів Lewin (1994) визначив як "каскадне", підкреслюючи цим спадкоємність в експресії генів ранніх і більш пізніх стадій. Дійсно, існують приклади такого роду взаємодії генів у розвитку, наприклад в ранньому розвитку дрозофіли білковий продукт гена bicoid виступає в якості типового морфогена, формуючи передній полюс передньо-задньої осі ембріона. Цей же ген на більш пізній стадії розвитку проявляє себе як позитивний регулятор одного з перших зіготіческіх генів, гена hunchback, зв'язуючись з його промотором. В свою чергу, білок hunchback є регулятором інших генів групи gap, причому експресію одних (Kruppel і knirps) він пригнічує, а інших - активує (giant). При формуванні кордонів майбутніх сегментів у дрозофіли важливу роль відіграє ген even-skipped, експресія якого регулюється білками Kruppel, giant (репрессори) і bicoid і hunchback (активатори) (Lewin, 1994; Volpert et al., 1998). Прикладом можуть також служити скоординовані ієрархічні взаємодії між гомеобокссодержащімі генами, що входять в комплекси генів С-ANT і С-BX у дрозофіли або комплекси генів: HOXA, HOXB, HOXC і HOXD у ссавців (Lewin, 1994; Volpert et al., 1998).

В геномах еукаріот частка генів, що виконують функції транскрипційних факторів, невелика: у дрозофіли близько 700, або 5% всіх генів, з них 279 беруть участь у контролі розвитку (2,5%) (Adams et al ., 2000), у нематоди C. elegans 500, або 2,5% (The C. Elegans Sequencing Consortium ..., 1998), а у Arabidopsis thaliana 500, або 2% (The Arabidopsis Genome Initiative ..., 2000). З цього випливає, що на кожен ген-регулятор припадає 40-50 генів-мішеней. Яким чином здійснюється координація експресії генів-мішеней при малому числі генів-регуляторів? В останні роки активно розвивається уявлення, що, можливо, існує спеціальний клас транскрипційних факторів - "селекторні" гени, які безпосередньо пов'язуються з цис-регуляторними елементами генів-мішеней і об'єднані в єдину "генну регуляторну мережу" ("genetic regulatory network"), в результаті чого відбувається координована експресія генів, яка веде до формування тієї чи іншої морфологічно складної структури (Guss et al., 2001). В даний час вдалося ідентифікувати кілька "селекторних" генів: eyeless, Distalless і scalloped. Функціонування такої "генної регуляторної мережі" можна проілюструвати на прикладі утворення крила у дрозофіли. Як показали Guss et al. (2001), фактор scalloped в комплексі з транскрипційними факторами vestigial і spalt трансмембранної сигнальної системи Decapentaplegic і cut системи Notch контролюють освіту всіх частин крила, тобто один ген-селектор scalloped через генну регуляторну мережу здійснює контроль освіти складної структури. Як вважають автори (Guss et al., 2001), це, можливо, загальний принцип генного контролю морфогенезу в розвитку.

У цьому контексті доречно також розглянути велику групу генів, які забезпечують генну регуляцію за допомогою проведення індукційних транс-мембранних сигналів з одних клітин в інші, де знаходяться гени-"мішені". Ця група генів грає провідну роль в процесах морфогенезу хребетних і безхребетних і представлена ??кількома групами еволюційно консервативних генів: FGF-FGFR (ліганд, ростовий фактор фібробластів і його рецептор), Delta-Notch (ліганд-білок

Сторінки: 1 2 3 4

енциклопедія  з сиру  аджапсандалі  ананаси  узвар