Все мы немного мутанты, и у каждого своя ДНК, единственная и — не считая близнецов и клонов — неповторимая. Однако широкая публика привыкла мутантов бояться, представляя себе каких-нибудь несчастных жителей Марса из кинохита «Вспомнить всё»: с лишней рукой, недостающими ребрами или круто деформированным телом. Такие мутации тоже известны, и сегодня можно искусственно вырастить мух с ногами на голове или мышей с двумя верхними челюстями. Главное — правильно выбрать цель — небольшую группу очень важных генов, определяющих строение тела животных.
С тех пор как в 1906 году один из отцов-основателей современной генетики Томас Морган начал культивировать плодовых мушек, они стали одними из самых изученных животных на планете. Небольшие размеры, неприхотливость, а главное — короткий жизненный цикл сделали дрозофил популярной моделью для генетических исследований. Уже к середине ХХ века перед глазами ученых прошли мириады мушек с самыми странными проявлениями мутаций, с фиолетовыми или белыми глазами, без щетинок на голом теле… Но то, что увидел в конце 1940-х сотрудник Калифорнийского технологического института Эдвард Льюис, надолго зацепило его взгляд. У мухи была дополнительная пара крыльев, как у какой-нибудь бабочки.
Формирование сегментированного тела дрозофилы начинается задолго до работы Hox-генов — еще с матричной РНК, которая внедряется в яйцеклетку даже до оплодотворения, на стадии созревания. Одни из них сосредоточены в передней части клетки, другие — в задней, так что в первые часы развития эмбриона, когда на этих мРНК активно синтезируются белки, в нем возникает градиент их концентрации: на переднем полюсе больше белка Bicoid, на заднем — Nanos. Разная концентрация белков запускает в работу разные гены семейств Gap и Pair-Rule, которые ответственны за сегментирование эмбриона. И лишь когда сегменты достаточно оформились, в дело вступают гомеозисные гены Hox, связанные со специализацией сегментов. За открытие этих механизмов в 1995 году Эрик Вишаус и Кристиана Нюсляйн-Фольхард разделили с Эдвардом Льюисом Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
История мухи: развитие
Льюис не первым обратил внимание на такое уродство — и задуматься было над чем. Организм животного развивается из одной клетки, и каждое новое поколение клеток несет тот же первоначальный набор хромосом и генов (за вычетом половых клеток, которые появляются не сразу). В разных тканях и частях тела активируется слегка разный набор генов — и клетки развиваются по разному сценарию. Одни образуют ножки дрозофилы, другие — ее антенны, третьи — крылья, повинуясь генам, которые дирижируют их ростом. Сбой в работе генов чреват для мухи серьезными нарушениями, например появлением дополнительной пары крыльев или ног, выросших между глаз, на месте антенн.
Наш эксперт Павел Елизарьев, младший научный сотрудник Лаборатории регуляции генетических процессов Института биологии гена РАН: «Так сложилось, что комплексы гомеозисных генов стали одними из самых изученных у плодовой мушки и других организмов — наверное, муха с ногами на голове была уж очень примечательна. Но со временем история стала еще интересней. Когда около 30 лет назад стали точно картировать мутации, приводящие к трансформациям тела мухи, выяснилось, что ни одна из них не находится внутри самих Hox-генов. Большинство затрагивают широкие геномные области вокруг, которые ничего не кодируют: здесь расположены последовательности, регулирующие активность окружающих генов. Работают эти последовательности не сами по себе, а благодаря связыванию с белками-активаторами или белками-репрессорами. Открылся целый новый уровень в регуляции строения тела — и комплексы гомеозисных генов стали полигоном для изучения некодирующей ДНК, которая в нашем с вами геноме занимает около 98%».
Таких нарушений правильного развития тела у дрозофилы известно немало. Льюис отметил, что они связаны с неправильным формированием целого сегмента — так, словно третий сегмент груди вдруг начинал считать себя вторым и спешно отращивал лишние крылья. Нашелся и ген Ubx, мутации в котором запускали развитие в неверном направлении. А вскоре у Ubx нашлись и родственники — еще два гена, расположенных на той же третьей хромосоме, по соседству с ним. И раз уж они делают один сегмент подобным другому, их так и назвали, только по‑латыни, — гомеозисными (Hox).
К началу 1980-х работы Льюиса и других ученых помогли найти все Hox-гены, мутации в которых делают одни сегменты тела мушки похожими на другие. Их оказалось восемь, и они образуют две тесные группы. Ubx и два других составляют комплекс Bithorax, который активируется в девяти задних сегментах тела дрозофилы. Пять остальных работают в сегментах груди и головы, образуя комплекс Antennapedia — самым знаменательным в этой группе оказался ген Antp: нарушив его работу, можно вырастить ноги на месте головных антенн. Самым интересным оказалось то, что Hox-гены располагаются в геноме строго в том же порядке, что и их сегменты в теле — от головы до кончика брюшка.
Древний фрагмент-гомеобокс обнаруживается даже в генах растений, которые действуют совместно с генами, содержащими аналогичный MADS-бокс. Более того, MADS был найден практически у всех изученных эукариот, включая дрожжи и человека, хотя функции у всех выполняет разные. У растений под их контролем находятся все основные программы развития, так что они могут считаться аналогами Hox-генов животных.
История животных: эволюция
В 1983 году швейцарские биологи нашли у гомеозисных генов дрозофилы неожиданную общую черту: все они имели небольшую, длиной всего около 180 нуклеотидов, но характерную последовательность, «гомеобокс». Этот удивительный фрагмент кодирует белковый домен из примерно 60 аминокислот, который связывается с ДНК и обнаруживается практически у всех животных, от морских звезд и до звезд эстрады. Почти с той же строгостью сохраняется у животных и порядок расположения Hox-генов на хромосоме. Такая консервативность говорит о важной роли, которые выполняют Hox-гены, и об их головокружительной древности.
Небольшие изменения гомеобокса, которые отличают одну группу животных от другой, позволили проследить их возможную историю вплоть до общего предка, который, скорее всего, имел базовую группу из четырех Hox-генов. Кишечнополостные в такой сложности не нуждаются, и они утеряли половину из них. Зато уже у предка билатеральных животных, жившего около 600 млн лет назад, они удвоились, и каждый взял на себя свои, слегка отличные от других функции. Такие усложнения происходили несколько раз, так что если у дрозофилы и прочих насекомых таких генов восемь, то у хордового ланцетника — уже 14. Максимальной численности Hox-гены достигли у позвоночных тетрапод — амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих. Этот комплекс генов у нас существует в четырех похожих друг на друга копиях, так что даже с несколькими потерями их общее число превысило 30. В самом деле, хотя сегментированность нашего тела со стороны не так заметна, как у червей или насекомых, она существует, и Hox-гены определяют, будут ли позвонки соединяться с ребрами или вовсе срастутся в копчик. Мутация в Hox10 у мышей заставляет их отращивать ребра даже на животе.
История ящерицы: регенерация
Несколько лет назад петербургские биологи изучили работу Hox-генов кольчатого червя-нереиса в состоянии личинки и взрослого организма. Оказалось, что если у личинки работа их проходит по классической, знакомой еще по мушкам схеме, то у взрослого червя она резко меняет программу. Вместо того чтобы каждый Hox-ген активировался в своем сегменте, они включаются везде и отличаются лишь степенью активности. Предполагается, что это позволяет нереису, потерявшему хвостовые сегменты, благополучно отращивать себе новые.
Эмбриональное развитие человека — невероятно сложный процесс. Поэтому нарушения в работе Hox-генов, как правило, заканчиваются выкидышами еще на ранних стадиях беременности. Однако изредка дети все же появляются на свет — одним из результатов мутаций в Hox-кластерах может быть синдром Гольденхара (гемифациальная микросомия). Это тяжелейшее заболевание, которое связано с множественными пороками развития и, конечно, пока остается неизлечимым. Существуют указания и на возможную роль генов Hox в развитии некоторых видов онкологических болезней — таких как лейкемия или рак молочной железы. Обычно почти молчащие у взрослого человека, некоторые из Hox-генов могут снова проявлять активность в опухолевых клетках, «просыпаясь» под влиянием сигнальных молекул и гормонов роста.
Такая картина — вовсе не новость даже для куда более сложно устроенных позвоночных. Многие рептилии и амфибии, известные способностями регенерировать утраченные хвосты и даже конечности, используют для этого те же гомеозисные гены. Детали данного механизма еще плохо понятны, однако известно, что даже почти одинаковые, дуплицированные Hox-кластеры у саламандр несут разные интроны — некодирующие вставки внутри генов, которые обеспечивают более широкие возможности регуляции их активности. Возможно, такие «усовершенствования» играют важную роль в работе Hox-генов при регенерации конечностей. Вообще, несмотря на небольшие различия, Hox-гены исключительно консервативны и остаются очень похожими даже у таких неблизких групп животных, как насекомые и млекопитающие. Заменив один из них у дрозофилы на гомологичный, взятый у мыши, можно вырастить совершенно нормальную мушку. Тем более сходны они у людей и рептилий.
И если уж ящерицы благодаря им способны, не моргнув глазом, вырастить себе новый хвост вместо откушенного, то поможет ли точная регуляция Hox-генов людям? Исследования в этом направлении уже ведутся, и если когда-нибудь человеку восстановят потерянный палец или даже целую руку, стоит вспомнить, что начало всему положила история мух с ногами на голове.
Гомеозисные гены - (регуляторные эмбриональные гены) определяют процессы роста и дифференцировки организма у растений и животных; мутации в них приводят к превращению одних органов в другие.(значение?)
Гомеозисные гены животных содержат участок (гомеобокс) почти одинаковый у всех видов (180 п.н. = 60 АК). Их называют Hox («хокс»)-гены (гомеобокс-содержащие гены).
Гомеозисные гены располагаются на одной или нескольких хромосомах, тесными группами (от 4-х (гребневики) до 48 (млекопитающие)), внутри которых сохраняется строгий порядок: «головные» гены впереди, «хвостовые» -сзади. Их функция состоит во «включении» или «выключении» других генов. (значение – и далее подчеркнуто) Линейный порядок генов внутри кластера соответствует времени или месту работы гена в ходе эмбрионального развития.
Хокс-гены найдены у всех исследованных организмов (в геномах гидр, пиявок, нематод, рыб, млекопитающих, амфибий, губок). Это древние гены, появившиеся >1000 млн лет назад. Усложнение строения организмов сопровождалось дупликацией и дивергенцией их функции.
Несмотря на разнообразие структуры цветка, его развитие контролируется консервативными гомеозисными генами.
Фолиарная (классическая) теория морфогенеза цветка И.В.Гете:
Презентации: Цветок – видоизмененный побег с укороченными междоузлиями. Органы цветка – преобразованные листья. Развил в трудах: (1790г.) «Опыт о метаморфозе растений»; (1810г.) «Учение о цветке».
Согласно классической, или фолиарной (от лат. folium – лист) концепции, высказанной еще И.В. Гёте (1790), поддержанной А.П. Декандоллем (1813) и другими исследователями, все элементы цветка представляют собой метаморфизированные листья. Поэтому цветок определяли как видоизмененный побег с ограниченным ростом, приспособленный для осуществления всех процессов, обеспечивающих семенное размножение растений.
Фенотип тройного мутанта – убедительное свидетельство в пользу фолиарной теории морфогенеза цветка Гете.
АВС-модель развития цветка:
АВС –модель – современная парадигма генетики развития. Согласно этой модели дифференциация органов цветка определяется работой 3 классов регулирующих генов: гены класса А отвечают за развитие чашелистиков, в сумме с генами класса В они определяют формирование лепестков, совместная работа генов класса В и С ведет к развитию тычинок, а гены С сами по себе контролируют появление пестика в центре цветка. Эти гены кодируют факторы транскрипции, которые вызывают специализацию тканей растения в процессе развития.
Впоследствии были добавлены еще два класса генов: гены класса D, которые отвечают за развитие завязи в цветке, мутации по этому гену приводят к развитию плодолистиков вместо завязи, а сверхэкспрессия этих генов - к формированию завязей вместо чашелистиков и лепестков; и гены класса E, которые контролируют идентичность трех внутренних кругов.
При нарушении работы этих генов одни части цветка превращаются в другие (тычинки в лепестки или лепестки в чашелистики). Модельным видом в этих исследованиях был арабидопсис, у которого был обнаружен ряд гомеозисных мутаций, при совместном действии некоторых из которых все части цветка превращались в листья.
Hox-гены - большое семейство генов, регулирующих развитие разных частей тела у многоклеточных животных. Уже довольно давно известно, что эти гены очень эволюционно консервативны: многие из них являются общими даже у таких далеких друг от друга организмов, как насекомые и млекопитающие. Однако эта консервативность не абсолютна. Проведенное германскими генетиками детальное исследование судьбы одной из групп Hox-генов показало, что новые гены в этой группе возникали в разных эволюционных ветвях несколько раз. Даже у таких относительно родственных животных, как хордовые и иглокожие, их набор - разный. А у древнего общего предка всех двусторонне-симметричных животных Hox-генов было существенно меньше, чем у большинства современных представителей.
Гены семейства Hox известны как регуляторы индивидуального развития животных, управляющие дифференцировкой частей их тела (см.: Программы работы Hox-генов у личинок и взрослых особей кольчатого червя принципиально отличаются , «Элементы», 27.05.2013). У большинства животных этих генов несколько, и они имеют два важных свойства. Во-первых, мутации Hox-генов вызывают уродства особого типа, связанные с превращением одних частей тела в другие. У насекомых, например, это может быть превращение брюшных сегментов в грудные или усиков в лапки (рис. 1). Гены с таким эффектом принято называть гомеозисными (см. такжеHomeotic gene). Во-вторых, Hox-гены исключительно эволюционно консервативны. Еще лет 30 назад было показано, что, например, у насекомых (муха-дрозофила) и у позвоночных (мышь, человек) их нуклеотидные последовательности очень близки.
Насекомые и позвоночные - совсем не близкие родственники. Они находятся друг от друга на эволюционном древе настолько далеко, насколько это вообще возможно для двух двусторонне-симметричных животных (см.:Новые данные позволили уточнить родословную животного царства , «Элементы», 10.04.2008). То есть их общий предок был одновременно общим предком моллюсков, иглокожих, плоских, круглых и кольчатых червей и вообще всех без исключения членов огромной группы двусторонне-симметричных, или билатерий (Bilateria). Если у мыши и у мухи есть какой-то общий ген, то это означает, что он уже был у этого общего предка.
Между тем у мухи-дрозофилы есть восемь Hox-генов, и все они имеют точные, один к одному, соответствия у позвоночных (рис. 2). По крайней мере, такое мнение долго было распространено.
Еще одна особенность Hox-генов состоит в том, что области активности (экспрессии) этих генов обычно расположены вдоль тела животного в том же порядке, в каком физически расположены сами гены в хромосоме (рис. 2). Это называется принципом коллинеарности . Для удобства Hox-гены принято делить на группы: «переднюю», «центральную» и «заднюю». В соответствии с принципом коллинеарности, под этими названиями подразумевается одновременно расположение самих генов в хромосоме и расположение областей их экспрессии в теле.
Новая работа, сделанная в лаборатории прикладной биоинформатики биологического факультета Констанцского университета (Applied Bioinformatics Lab , Department of Biology, Universität Konstanz), посвящена эволюционной судьбе центральной группы Hox-генов. И у мухи-дрозофилы, и у позвоночных в эту группу входят по три гена; у дрозофилы они называются Antp , Ubx и abd-A , а у позвоночных - Hox6 , Hox7 и Hox8 (рис. 3). Если основываться на их взаимном расположении, тут можно ожидать соответствия «один к одному»: гену Antp будет соответствовать ген Hox6 , гену Ubx - ген Hox7 , гену abd-A - ген Hox8 . Но так ли это на самом деле?
Генетики из Констанца решили разобраться в отношениях центральных Hox-генов, сравнив их напрямую. Как известно, продуктом каждого гена является белок, а белок - это цепочка аминокислот, последовательность которой можно расшифровать и записать. Аминокислотных последовательностей Hox-белков сейчас известно достаточно много. С помощью специальных программ немецкие генетики попарно сравнили друг с другом просто абсолютно все доступные последовательности белков - продуктов центральных Hox-генов, «не глядя» ни на номер гена, ни на то, от какого он животного. Серия таких объективных сравнений должна была надежно показать, какие гены имеют общее происхождение, а какие нет.
Оказалось, что из трех центральных Hox-генов общим у насекомых и у позвоночных на самом деле является только один. Это ген, который у насекомых называется Antp , а у позвоночных - Hox7 . Только этот ген, вероятно, и был у их общего предка. Другие центральные Hox-гены насекомых и позвоночных не имеют между собой ничего общего; они возникли в этих группах по-разному, в результате независимых генных дупликаций (удвоений). Например, гены Hox6 и Hox8 есть только у позвоночных: ни с какими генами других животных они не сходны.
Интересной оказалась судьба имеющегося у дрозофилы гена abd-A . Он (или его близкий «родственник») обнаружен не только у насекомых и даже не только у членистоногих, но и еще у нескольких типов животных, включая моллюсков, кольчатых и плоских червей. Видимо, этот ген является общим для огромной группы первичноротых (Protostomia). В эту группу входят членистоногие, моллюски и почти все черви. А вот позвоночные - не входят, и у них этот ген отсутствует.
Два необычных центральных Hox-гена обнаружены у животных, относящихся к типам иглокожих и полухордовых . Эти два типа считаются близкородственными, и действительно, уникальные Hox-гены - очевидно, эволюционно новоприобретенные - у них очень похожи. А вот у хордовых (к которым относятся, в частности, позвоночные) этих генов нет. Полухордовые, иглокожие и хордовые вместе входят в группу вторичноротых (Deuterostomia). Полученные результаты, видимо, означают, что не только у общего предка двусторонне-симметричных животных, но и у общего предка вторичноротых центральный Hox-ген был всего один.
Правда, общий предок вторичноротых жил тоже очень давно - 500 с лишним миллионов лет назад. Так что высокую консервативность Hox-генов эти результаты, в общем, подтверждают. Но мы теперь наглядно видим, что она не абсолютна. У гипотетического «проточервя», являвшегося предком всех двусторонне-симметричных животных, набор Hox-генов был не таким, как у мыши или у мухи (хотя на волне первых открытий и можно было так подумать). Он был все-таки заметно проще. А его усложнение шло постепенно, в разных группах по-разному, через события, многие из которых нам теперь известны.
Работа генетиков из Констанца показывает, что детальное описание эволюционной судьбы отдельных генов может быть очень сюжетным, - не хуже, чем, например, анализ биографий исторических персонажей. В ближайшие годы, видимо, будет появляться всё больше и больше таких исследований, основанных на обширных базах данных и на применении самого современного программного обеспечения. Эволюционная генетика на наших глазах выходит на новый виток своего развития.
Источники: Stefanie D. Hueber, Jens Rauch, Michael A. Djordjevic, Helen Gunter, Georg F. Weiller, Tancred Frickey. Analysis of central Hox protein types across bilaterian clades: On the diversification of central Hox proteins from an Antennapedia/Hox7-like protein // Developmental biology (2013, препринт).
Hox-гены определяют схему тела животных. Очень важно, чтобы они экспрессировались в правильном количестве, в правильном месте и в правильный момент эмбрионального развития — иначе вся схема тела нарушится. Оказывается, для этих генов существует особый вид регуляции трансляции, позволяющий отделить один вид белков от всех прочих. На их мРНК есть IRES-подобные участки, которые могут запускать трансляцию. При этом кэп-зависимая трансляция для этих белков выключается.
Нох-гены - важный объект для изучения
Инициация трансляции бывает разная
Итак, генетический материал клетки закодирован в ДНК. С ДНК считывается определенный вид РНК, а с РНК - белок. Такой вид РНК называется матричной РНК, у он имеет определенное строение . Это линейная молекула, соответственно, у нее есть 2 конца, которые называются 5′- и 3′-концы. На 5′-конце есть особая структура - . Она необходима для начала синтеза белка на матрице РНК, так как привлекает фабрику белка - .
Так происходит у нас, но не у вирусов. Точнее, не у всех вирусов. У некоторых есть другие структуры в РНК, которые инициируют синтез белка - . Так вот оказывается, что в РНК млекопитающих иногда обнаруживают структуры, похожие на IRES вирусов. При этом кэп тоже присутствует. Получается РНК с двумя сигналами привлечения рибосомы. Это интересное явление часто имеет важный биологический смысл. Например, при стрессе кэп-зависимая инициация трансляции подавлена . Но некоторые белки должны синтезироваться и при стрессе. Вот тогда клетка и использует IRES. А как работает такая смешанная система в нормальных, не шоковых условиях - большая загадка. Клеточные IRES не похожи друг на друга , их роль в развитии организма не ясна. Найти ответ на этот вопрос попытались ученые, изучающие регуляцию Нох-генов .
У мРНК Hox-генов есть IRES вирусов?
Интересно, что в мРНК некоторых Нох-генов предполагают наличие IRES. Причем именно IRES привлекает рибосому и запускает синтез белков. Уже приведены первые экспериментальные доказательства в пользу этой гипотезы . Также ученые открыли еще один специальный регуляторный элемент - translation inhibitory element (TIE), который блокирует кэп-зависимый синтез белка . Появление блокирующего элемента объясняет, почему при наличии и кэп-структуры, и IRES работает только IRES.
Почему IRES лучше, чем кэп?
Важность того участка РНК, где находится предполагаемый IRES, в данном случае подтвердили экспериментально. Показали, что если подвергнуть мутации один из Нох-генов мышей, удалив IRES, то мышь будет развиваться ненормально (см. рисунок 1).
Рисунок 1. Патологии в развитии скелета мышей с делециями в 5′-нетранслируемой области в одном из Hox-генов - Ноха9. Ученые вывели линию мышей, у которых поврежден IRES в одном из Нох-генов. Такие мыши развиваются ненормально. У них нарушается строение скелета: например, не хватает ребер (на недостающие ребра указывают черные стрелочки). Также наблюдаются и другие патологии. Картинка из .
Предполагают, что для очень важных белков, которые закодированы в Нох-генах, IRES лучше, чем кэп. Это может быть связано с тем, что кэп-структура у всех мРНК одинаковая. А IRES разные. То есть к белкам, которые определяют строение тела, нужен индивидуальный подход. Даже начало синтеза является важным этапом регуляции и должно быть уникальным для каждого такого белка.
Словарь терминов:
- IRES (Internal Ribosome Entry Site) - участок внутренней посадки рибосомы.
- Hox-гены - семейство генов, которые кодируют транскрипционные факторы, регулирующие формирование органов и тканей в ходе развития организма.
- Делеция - удаление фрагмента молекулы ДНК.
- Кэп - 7-метилгуанозин - структура на 5′-конце матричных РНК.
- Рибосома - комплекс, состоящий из РНК и белков и служащий для синтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК (мРНК).
- Трансляция - синтез белка на матрице РНК.
- Хромосома - структура, состоящая из ДНК и белков, находящаяся в ядре эукариотической клетки. Предназначена для хранения, реализации и передачи генетической информации.
- Эукариоты - живые организмы, клетки которых содержат ядра.
Литература
- Alexander, T., Nolte, C. & Krumlauf, R. (2009). Hox genes and segmentation of the hindbrain and axial skeleton . Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 25 , 431–456 ;
- Гены, от которых вырастают крылья. И ноги. И всё остальное ;
- Википедия : «
Загрузка...