Принято считать, что дифференцировка основных частей тела у многоклеточного двусторонне симметричного животного происходит в том порядке, в каком располагаются в хромосоме регуляторные Hox -гены. Однако за последнее время генетики выяснили о работе Hox -генов много новых подробностей, не укладывающихся в эту стройную систему.
Прошло уже больше 50 лет с тех пор, как Эдвард Льюис с удивлением рассматривал мутантную плодовую мушку, у которой на голове вместо антенн выросли ноги. Эта странная мутация получилась, когда ген, ответственный за формирование грудных конечностей, включился не в то время и не в том месте. А Эдвард Льюис (вместе с Кристианой Нюссляйн-Волхард и Эриком Вишаусом) получил в 1995 году за исследование этих механизмов эмбриогенеза Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Так было открыто семейство Hox -генов, отвечающих за правильное формирование частей тела у многоклеточных. Работа этих генов казалась чудом: вот оно, решение великой загадки, как из сборища одинаковых эмбриональных клеток в правильном порядке дифференцируются ткани и органы и в результате получается сложный организм. Необходимо только в нужный момент включать правильный Hox -ген.
Регуляторные Hox -гены у дрозофилы располагаются в хромосоме в довольно строгом порядке, приблизительно в том самом, в котором происходит дифференцировка основных частей тела двусторонне симметричного (билатерального) животного. Сначала у раннего эмбриона начинают работать гены, отвечающие за строение органов на голове, затем на груди, затем гены начинают оформлять и хвостовую часть.
Похожие гены были найдены у мыши и у человека. Даже у этих высших существ они выполняют ту же работу: отвечают за порядок эмбрионального развития. Открытие сходных Hox -генов у разных типов животных заставило зоологов и эмбриологов по-новому взглянуть на морфогенез животных и его преобразования в ходе эволюции. Стало ясно, что, изменив один ген или время его включения, можно трансформировать, образовать, удалить или перенести в другое место сразу целый орган, сохранив при этом общий план строения. Помимо этого ученые получили новый мощный инструмент для эволюционных построений: семейство гомологичных (происходящих один от другого) генов, присутствующих у всех многоклеточных животных. Все гипотезы о происхождении билатеральных животных (см. В. В. Малахов «Происхождение билатерально-симметричных животных (Bilateria)», Pdf, 347 Кб) теперь включают и этот пласт информации.
Hox -гены располагаются на одной или нескольких (до четырех) хромосомах, обычно тесными группами (кластерами), внутри которых сохраняется более или менее строгий порядок: «головные» гены впереди, «хвостовые» — сзади. У более примитивных представителей многоклеточных, таких как гребневики (Ctenophora ) и кишечнополостные (Cnidaria ), этих эмбриональных регуляторных генов только четыре, у млекопитающих их уже 48.
Семейство Hox -генов подразделяется на 14 классов. Считается, что эти 14 классов возникали путем дупликации одного или немногих исходных генов, реплики затем мутировали и обретали новые функции. У примитивных кишечнополостных и гребневиков имеется всего 4 класса Hox -генов, у предполагаемого общего предка двустороннесимметричных животных их должно было быть по крайней мере 8, у млекопитающих присутствуют все 14 классов. Принцип работы этих генов одинаков. Все они являются транскрипционными факторами, то есть их функция состоит во «включении» или «выключении» других генов. В результате работы Hox -факторов запускается каскад реакций, приводящий к появлению в клетке нужных белков.
В обзорной статье в Science , посвященной современному видению этой важнейшей группы генов, все эти сведения выпущены, так как считается, что биологи должны были их выучить уже на первом курсе любого биологического вуза. Дерек Лемонз (Derek Lemons) и Уильям Макджиннис (William McGinnis) из Калифорнийского университета в Сан-Диего (США) привели только новейшие данные, касающиеся принципов работы Hox -генов. И эти данные ясно дают понять, что наши ученические представления о семействе Hox -генов сильно устарели. В любой науке это неизбежно происходит по мере накопления информации. За последнее десятилетие расшифрованы ДНК-последовательности Hox -генов у многих групп животных: аннелид , плоских червей , иглокожих , нематод , членистоногих , оболочников , ланцетников , не говоря уже о млекопитающих .
Под тяжестью новых данных обрушилось представление об упорядоченном расположении Hox -генов в хромосомах. Выяснилось, что, например, у иглокожих первые три Hox -гена располагаются прямо перед последним (14-м), а начинается кластер с пятого гена. У нематод и оболочников Hox -гены вообще не образуют кластеров и их порядок в хромосомах не соблюдается вовсе. Это говорит о том, что правильный порядок экспрессии Hox -генов в различных частях эмбриона не соответствует порядку расположения этих генов в хромосоме. Порядок включения Hox -генов зависит, помимо «места под солнцем», еще от каких-то дополнительных факторов.
И вот вопрос: почему у двусторонне-симметричных плоских червей Hox -генов столько же, сколько и у радиально-симметричных кишечнополостных и гребневиков? У кишечнополостных вроде бы понятно: недостающих четырех классов генов еще не было, они образовались только после того, как сложился гипотетический предок двусторонне-симметричных животных. Но у червей-то куда делась половина предковых регуляторных генов, зачем они избавились от них? Или, может быть, этой недостающей половины и не было у предка? Ответа пока нет. Ясно только, что даже при потере большого числа Hox -генов оставшиеся могут организовать эмбриональное развитие сложного билатерального существа.
Зато стали известны детали регуляции самих регуляторных Hox -генов. Между Hox -генами расположены участки ДНК, прежде считавшиеся бессмысленными. В действительности, как оказалось, с них считываются короткие молекулы регуляторных РНК. Некоторые из них усиливают или ослабляют экспрессию самих Hox -генов, некоторые косвенно влияют на работу других транскрипционных факторов. В экспериментах показано, что эти микроРНК могут регулировать как соседний, так и отдаленный Hox -ген.
Так что семейство Hox -генов, главное из главных среди генов-регуляторов, само не имеет полной власти в своем хозяйстве. За ним следят мелкие «выскочки» РНК, способные видоизменить экспрессию гена и тем самым замедлить или ускорить формирование органа. Какова роль этих включений, каков масштаб их действий, откуда они взялись — все эти вопросы пока только заданы. Ответы — это дело будущих открытий.
Ученые из США создали алгоритм, способный предсказывать по геному, как в живом организме работают транскрипционные факторы - белки, управляющие синтезом других белков. Исследование опубликовано в PNAS.
Хотя последовательности ДНК многих организмов уже прочитаны, ученые еще не до конца понимают, как они работают. Одной из таких загадок долгое время оставались Hox-гены, которые управляют ростом организма и развитием его частей в правильных местах. Именно они «приказывают» голове у личинки дрозофилы расти спереди, определяют, где и в каком количестве появятся крылья и ноги. Есть эта группа генов и у млекопитающих.
Hox-гены кодируют не простые белки, а особенные, которые называются транскрипционными факторами. Эти белки работают «выключателями» для многих других генов, присоединяясь к специальным участкам ДНК, чтобы усилить или запретить считывание последовательности. Это и позволяет Hox-генам «дирижировать» развитием эмбриона. Однако ученые заметили странную особенность: хотя каждый Hox-ген отвечает за рост и развитие разных частей организма, все они сильно связываются с одними и теми же последовательностями ДНК.
В 2015 году генетики из Колумбийского университета обнаружили, что эти транскрипционные факторы связываются и со множеством других участков ДНК, но намного слабее. Ученые поняли, что эти слабые связывания – ключ к пониманию работы Hox-генов. Однако найти их все в геноме было непросто. Для этого генетики создали новый метод секвенирования (прочтения последовательностей ДНК), который назвали SELEX-seq. Для этого подхода нужно было много раз подряд секвенировать один и тот же участок, однако он не давал информации о важных участках со слабым связыванием. «Это было словно прогонять один и тот же абзац через Google-переводчик снова и снова, но в конце получать только 10% слов, переведенных аккуратно», – прокомментировал работу один из авторов технологии, Хиггинсовский профессор биохимии и молекулярной биофизики в Колумбийском университете Ричард Манн.
Исследователи создали новый алгоритм, позволяющий понять, почему ДНК-последовательности вели себя в этом эксперименте именно так. Алгоритм назвали No Read Left Behind, или NRLB (буквально «ни одно прочтение не забыто»). Этот алгоритм стал первым количественным методом, способным оценить силу связывания участков ДНК с транскрипционными факторами. Кроме того, он смог точно предсказать влияние определенных мутаций на уровень экспрессии генов в эмбрионах дрозофилы даже для слабо связывающихся участков.
Транскрипционных факторов в геноме около 10%, и их сила связывания с разными последовательностями может варьироваться в тысячи раз. Поэтому работа важна не только в контексте изучения Hox-генов, но и для нашего понимания того, как функционирует геном.
Понравился материал? в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.
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 : «
С начала 1900-х c общество биологов использовало маленькую дрозофилу (Drosophila ) для проведения тысячи экспериментов. Студенты на уроках биологии работают с дрозофилами, скрещивая различные разновидности, чтобы выработать модели наследственности. На сегодняшний день существует тысячи публикаций, посвященныe дрозофилам, и для светских биологов это то существо, которое отлично подходит для исследования эволюционной генетики. Это насекомое используют потому, что оно генетически относительно простое. Дрозофилы имеют 4 пары легко наблюдаемых хромосом, содержащих всего лишь 13 000 генов (ДНК). В марте 2000 года был определен весь геном дрозофилы (совокупность генов ).
Излучения как, например, рентгеновские лучи, а различные частоты и длина рентгеновских лучей облучали насекомых в лаборатории, в результате чего производились, например, аномалии крыльев, известные как «бескрылые», «рудиментарные», «опущенные», т.д. С 1910 генетики зафиксировали более 3000 в этих существах, но пока научные журналы не зафиксировали ни одного случая, чтобы дрозофила эволюционировала в что-либо еще, в независимости от того, как сильно они мутировали.
Действительно, покойный эволюционист Пьер Грассе утверждал: «Дрозофила (Drosophila melanogaster ), любимое насекомое генетиков, чьи географические, биотипные, городские и сельские генотипы изучены сейчас вдоль и поперек, не изменилась с давних времен».
Гены-хокс (специфическая последовательность ДНК): никакой помощи макроэволюции
Когда эмбрион начинает развиваться, план его тела раскрывается под руководством контрольных генов, включающих в сябя группу генов, которая называется гомеобоксом или хокс генами. Ген bithorax является частью хокс-генов, который после мутации может образовать дрозофилу с четырьмя крыльями (обычно у них два крыла). Говорят, что «в большинстве случаев экспериментально спровоцированные мутации в гомеотических генах производят коренные изменения в [основном дизайне тела]», и один некреационист заявил:
«Контролирующие гены, такие как гомеотические гены, могут служить мишенью для мутаций, которые возможно изменили бы фенотипы, но нужно помнить, что чем более центральнее производятся изменения в сложной системе, тем тяжелее периферийные последствия. Гомеотические изменения, вызванные в генах дрозофил, приводят только к уродству, а большинство экспериментов не ожидают увидеть возникновение пчелы от их (дрозофил) конструктивных элементов».
Десятки лет тому назад пример «хорошей мутации» был приведен биологом Денверского университета во время дискуссии с автором. Мутация вовлекала ген bithorax , который порождает атипичную дрозофилу с четырьмя крыльями. К сожалению, эволюционисты не сообщили слушателям, что умение дрозофилы летать было сильно повреждено. Что бы сделал естественный отбор с такими мутировавшими существами?
