Александр Нейфах - Гены и развитие организма

О проблеме регуляции экспрессии генов мы в этой книге говорим фактически во всех главах, рассматривая ее с разных сторон. Существует такое, может быть несколько одностороннее, определение развития: «Понять развитие — это значит объяснить, почему гены в клетках зародыша работают в нужное время и в нужном месте». Говоря о регуляции экспрессии генов, мы можем говорить о нескольких уровнях пли этапах этого процесса.

Первым таким уровнем являются события, которые происходят на хромосоме, т. е. те процессы, которые определяют и регулируют транскрипцию. Здесь мы рассмотрим новые данные, которые сейчас получены о строении регуляторных участков гена, так называемых промоторов. Кроме того, мы обсудим взаимоотношения ДНК с теми белками хроматина, которые создают организацию хромосомы и определяют включение определенных генов.

Вторым уровнем регуляции экспрессии генов можно считать события, происходящие в ядре с уже транскрибированной молекулой про-мРНК, т. е. процессинг и транспорт мРНК из ядра в цитоплазму. Регуляция на этом уровне, как считают некоторые исследователи, так же важна, как на уровне транскрипции, но механизмы ее почти совершенно неизвестны.

Молекула мРНК не обязательно сразу присоединяется к рибосоме и начинает транслироваться. Часто мРНК сначала образуют комплексы с белками — информосомы, которые служат как бы депо для мРНК, и выход из этого депо может служить механизмом регуляции экспрессии, который в процессах развития играет особенную роль.

Наконец, сам процесс трансляции тоже может быть местом регуляции экспрессии генов, и это выражается не только в изменении скорости синтеза белка, но иногда и в быстрой смене состава транслируемых мРНК. Наконец, когда белок уже синтезирован и даже занял в клетке свое место, это еще не означает, что проявление действия гена неизбежно. При недостатке субстрата признак — если это продукт реакции, катализируемой ферментом, — не проявится.

В этом разделе мы кратко расскажем о том, какие нуклеотидные последовательности, прилегающие к генам, а иногда и внутри гена, ответственны за процесс транскрипции. У прокариот эти участки, с которыми связывается молекула РНК-полимеразы и откуда начинается считывание, известны уже давно и хорошо. Они называются промоторами. Для эукариот сведения о промоторах были получены совсем недавно. Для этого использовали два метода. По одному из них гены изолировали путем клонирования, а затем с помощью специальных ферментов — рестриктаз — из них вырезали кусочки ДНК с одного или с другого конца гена или даже посередине. В последнее время исследователи пошли еще дальше и научились искусственно комбинировать гены — «пришивать» регуляторный район одного гена к структурной части другого. После этого способности таких реконструированных генов к эффективной и правильной транскрипции проверяли в пробирке или помещая эти ДНК в ядро ооцита.

Второй метод состоит в том, что последовательность нуклеотидов в частях ДНК, прилегающих к гену, исследуется у возможно большего числа разных генов. У них обнаруживаются сходные (гомологичные) последовательности, расположенные на некотором расстоянии от стартовой точки, с которой начинается транскрипция. Эти гомологичные последовательности и рассматривают как потенциальные промоторные участки или, во всяком случае, как участки, имеющие отношение к регуляции работы генов. При таком методе анализа должны, однако, ускользать те регуляторные последовательности ДНК, которые у разных генов не одинаковые, а различные и которые, очевидно, ответственны за специфическую регуляцию работы генов — индивидуальную для каждого из них.

Для обозначения места, занимаемого нуклеотидом в области начала считывания и промоторов, принят такой порядок. Тот нуклеотид, с которого начинается считывание (стартовая точка), обозначается +1, следующий (его помещают правее) — +2, +3 и т. д. Нуклеотид, предшествующий стартовой точке (левее ее), не считывается РНК-полимеразой и его обозначают —1. Следующий перед ним —2, затем в направлении, обратном считыванию, идут —3, —4 и т. д.

Сегодня показано, что в положении +1 почти всегда стоит А, а вслед за ним идет четыре-пять пиримидиновых нуклеотидов, т. е. T или Ц. Если этот порядок нуклеотидов нарушить, то транскрипция пойдет неправильно, т. е. начнется не со стартовой точки, а по соседству с ней. Если теперь посмотреть назад (налево), на нуклеотиды, которые не должны считываться, то у бактерий в положении — 10 находится так называемая Прибнов-последовательность (по имени автора): ТАТААТА. Очевидно, это то место, на которое «садится» молекула бактериальной РНК-полимеразы, и в этом случае активный центр фермента, который собственно и начинает транскрипцию, окажется в районе стартовой точки.

У структурных генов эукариот в положении —10 ничего подобного нет, но зато очень похожая последовательность была обнаружена в районе —30 (у разных генов это место варьирует от —29 до —33). Эта последовательность выглядит, как ТАТА и по имени обнаруживших ее ученых названа Голдберг — Хогнесс-последовательность, или, короче, «ТАТА-бокс». Нарушение этой последовательности или ее изъятие приводит к замедлению транскрипции (она реже начинается) и, главное, к неправильному считыванию, т. е. к изменению стартовой точки на несколько нуклеотидов вперед или назад.

Можно думать, что РНК-полимераза, которая у эукариот по размеру больше, чем бактериальная, занимает больший участок на ДНК. Между ее «центром узнавания», который присоединяется к ТАТА-последовательности, и «активным центром», который должен находиться над стартовой точкой, расстояние равно длине в 30 пар нуклеотидов (~10 нм). Для бактериального фермента это расстояние втрое меньше.

Te участки ДНК, о которых мы здесь рассказали, не представляют принципиального интереса, так как они определяют лишь точность стартовой точки. Ими нельзя объяснить, почему один ген работает, а другой нет. Поэтому большее внимание сейчас уделяется участкам, которые располагаются еще дальше от стартовой точки, чем «ТАТА-бокс». И действительно, у эукариот в районе от —70 до —80 нуклеотидов находится область с похожей последовательностью у разных генов. Роль этого участка пока не установлена. Может быть, более интересно, что скорость транскрипции сильно меняется (модулируется) в зависимости от наличия участка, располагающегося па расстоянии от —80 до —200 нуклеотидов от стартовой точки. Там, хочется думать, и находится регуляторный участок гена, к которому присоединяется регуляторный белок и уменьшает или увеличивает активность гена.