Бесконечное число самых прекрасных форм - Шон Кэрролл

В клетках, расположенных в диапазоне от 90 до 60° з.д., ни один из этих белков не связан с переключателем, так что ген выключен. В клетках, расположенных между 60 и 400 з.д., с переключателями связаны белки А и В, так что ген выключен. В клетках между 40 и 30° з.д. с переключателем связан только белок А, и поэтому ген включен. Наконец, в клетках между о и 30° в.д. с переключателем связан только белок С, и ген выключен. После обработки этих трех "меридиональных" сигналов переключатель разрешает гену включиться только в узкой полосе клеток шириной 10°, так что три широкие полосы возможной экспрессии гена в реальности сводятся к одной узкой полоске. Положение этой полоски определяется не только разрешающим сигналом "включить с 30 до 40° з.д.", но и ограничивающими сигналами "выключить" с двух сторон.

Вы можете спросить, откуда берутся указания для экспрессии самих генов A, B и C Хороший вопрос. Экспрессия этих генов, в свою очередь, также контролируется переключателями в генах А, 8 и С соответственно, которые интегрируют сигналы белковых продуктов других генов, появляющихся на более ранних стадиях развития эмбриона. А откуда берутся эти сигналы? Из еще более ранних сигналов. Я понимаю, что это напоминает старую загадку про курицу и яйцо. Но в конечном итоге вся пространственная информация в эмбрионе берет свое начало от молекул, асимметрично распределенных в яйцеклетке, которые закладываются в нее во время ее формирования в яичнике. С этого асимметричного распределения молекул и начинают формироваться две основные оси эмбриона (так что яйцо все же появляется раньше курицы). Я не собираюсь сейчас описывать эти этапы развития. Сейчас нам с вами важно понять, что действие каждого переключателя основано на предыдущих событиях и что, включая зависимый от него ген, переключатель инициирует следующие этапы развития.

В принципе переключатели могут обрабатывать любую комбинацию сигналов широты, долготы, высоты и глубины. На рис. 5.3 представлен пример переключателя, интегрирующего сигналы, поступающие от разных осей. Таким образом происходит позиционирование конечностей в развивающемся эмбрионе дрозофилы. Переключатель гена Distal-less, принимающего участие в формировании конечностей, интегрирует сигналы по широте и долготе и запускает экспрессию гена Dll в нескольких точках, расположенных вдоль основной оси эмбриона. К переключателю поступают сигналы в виде белковых продуктов нескольких уже экспрессирующихся генов развития. Один белок-активатор формирует полосы через каждые 150 вдоль оси восток — запад, но только в южном "полушарии" (0-900 ю.ш.). Два разных репрессора экспрессируются в диапазоне от 30 до 900 ю.ш. и во всем восточном "полушарии" соответственно. Интеграция и обработка этих трех сигналов приводит к тому, что ген Dll экспрессируется в небольших кластерах клеток, располагающихся на 90, 75, 60, 45, 30 и 15° з.д. и 0-30° ю.ш.

Рис. 5.3. Интеграция сигналов с разной широты и долготы определяет координаты кластеров клеток, с которых начинается формирование конечностей. Рисунок Джоша Клейса.

Физическая целостность переключателей играет очень важную роль в развитии. Если переключатель испорчен в результате мутации, нарушается нормальная обработка сигналов. Многие из тех мутантов, о которых мы говорили выше — дрозофилы с ногами, растущими из головы, и люди с шестью пальцами на руках или ногах, — появились на свет из-за того, что испорченные переключатели запустили работу генов развития в точках с неправильными координатами.

Конструкция генетических переключателей может быть различной. В среднем переключатели состоят из нескольких сотен пар оснований. На этом участке располагаются от пяти до двадцати сигнатурных последовательностей для связывания различных белков. Ответ переключателя на сигнал, поступающий из точки с определенной широтой, долготой, глубиной или высотой, зависит от наличия, числа и локального расположения сигнатурных последовательностей, способных связываться с белковыми продуктами генов развития. Эти белки могут быть дислоцированы вдоль любой оси и в любой ткани эмбриона. Специфический характер экспрессии, определяемый каждым конкретным переключателем, зависит от специфического набора сигнатурных последовательностей в его ДНК.

Чтобы понять, какая информация заключена в переключателях, и оценить невероятное разнообразие переключателей, следует больше узнать о природе белковых продуктов генов развития и о сигнатурных последовательностях. После этого я покажу, какие широкие возможности открываются в результате использования одних и тех же инструментов в различных комбинациях. Точные математические расчеты для нас не столь важны, как понимание мощи и эффективности комбинаторной логики.

Сигнатурные последовательности, распознаваемые белковыми продуктами генов развития, состоят всего лишь из 6-9 пар оснований; иногда их чуть больше. В одном переключателе среднего размера может уместиться множество сигнатурных последовательностей. Вариаций сигнатурных последовательностей также существует множество. Последовательность из шести оснований четырех типов (А, С, G и Т) допускает 4096 перестановок (46), последовательность из семи оснований — 16 384 перестановки (47), а последовательность из восьми оснований — 65 536 перестановок (48). Белковый продукт каждого конкретного гена развития обычно узнает семейство сходных последовательностей. В сигнатурной последовательности в определенных пределах допустимы замены одного основания другим, но даже с учетом этого белковые продукты генов развития весьма избирательно связываются с последовательностями ДНК. Белковые продукты разных генов развития обычно распознают разные сигнатурные последовательности. Ниже представлен список нескольких белков генов развития и тех сигнатурных последовательностей, которые они узнают.

Где

Набор генов развития животных кодирует несколько сотен ДНК-связывающих белков, причем эти белки имеют разные предпочтения при связывании с сигнатурными последовательностями. Количество возможных комбинаций сигнатурных последовательностей в переключателях просто астрономическое. Допустим, у животного имеется 500 ДНК-связывающих белковых продуктов генов развития. Тогда количество парных комбинаций сигнатурных последовательностей и соответствующих белков составляет 500 x 500 = 250 000. Количество тройных комбинаций составляет 500 х 500 х 500 = 12 500 000, а четверных комбинаций превышает шесть миллиардов. Этот расчет показывает мощь комбинаторной логики сочетания генов развития и генных переключателей. Огромное разнообразие переключателей является результатом использования одних и тех же сигнатурных последовательностей и генов развития в разных комбинациях. Альтернативный путь мог бы заключаться в использовании большего количества белков, однако использование разных комбинаций из 500 белков гораздо эффективнее, чем кодирование 250 000 различных белков (это примерно в десять раз больше числа белков, закодированных в нашем геноме).