Организация генома и регуляция клеточного цикла в эмбрионе - кратко с точки зрения эмбриологии
А. Организация генома. Б. Регуляция клеточного цикла
А. Организация генома:
1. Принцип оперона бактерий и семейств генов эукариотов. Клетки с ядрами (эукариоты) имеют организацию генома, более сходную с организацией простейших археобактерий, чем аэробных эубакте-рий. Структура предкового гена, общая для всех клеток, состоит из соединительного участка для РНК-полимеразы (промоутер), регулирующего ряда и структурного гена.
У эубактерий типа кишечной палочки структурные гены, например, для ферментов сгруппированы в функциональные единицы, названные оперонами (1а). Фактор транскрипции может быть связан с регулирующим рядом; эта связь, в свою очередь, регулируется соединением центрального метаболита метаболической единицы с фактором транскрипции.
Таким образом, например, лактоза может регулировать функциональное состояние лак-оперона. Фактор транскрипции закодирован регуляторным геном.
Геном эукариотов приблизительно в 100 раз больше, чем таковой у эубактерий, и содержит информацию для большого разнообразия дифференцированных состояний. В каждой клетке активна только часть генома. Основа для этой организации — развитие семейств генов путем дупликации гена.
Дупликация предковых генов клетки дала начало первоначально неактивным генным копиям, от которых функционально значимые варианты могли возникнуть путем мутации и селекции. Таким образом, для каждого типа клеток может быть выборочно активизирован определенный набор генов. По-видимому, именно вследствие этого хаотическое и избыточное увеличение ДНК — основа для формирования многоклеточных организмов, состоящих из различных дифференцированных типов клеток.
2. Гомеотические гены. Гомеотические гены — названные так, потому что они детерминируют «равные» сегменты, — являются регуляторными генами, которые также возникли путем дупликации гена. Они обладают структурно согласованным рядом, известным как гомеобокс (homeobox). Гомеотические гены кодируют факторы транскрипции, которые связаны с ДНК.
Они располагаются последовательно в хромосоме, формируя кластер генов (Нох-кластер). Путем последовательного включения различных структурных генов гомеобокса может быть активизирован набор характерных структурных генов для определенного типа клеток. Активность факторов транскрипции зависит от наличия специфических гормонов и факторов индукции.
Они связаны с метаболитами и хемотактически-ми факторами, которые первоначально регулировали гены предковых клеток. Специфические экзогенные стимулы теперь поступают из соседних клеток. Запрограммированная взаимозависимость клеток друг от друга обеспечивает постоянный контроль пространственных и временных структур в развитии многоклеточного организма.
3. Экспрессия Нох-кластера у мышей. В течение сегментации осевых органов мыши активизируется ген Нох 1 (гомологичный гену Ubx у дрозофилы). Хотя судьбы отдельных клеток в сегменте еще не определены, судьба всего сегмента уже окончательно решена, например — формирование грудной клетки или брюшной полости. Зачаток конечности детерминируется, чтобы стать ногой или рукой даже прежде, чем примордиальный орган определен прогрессивной экспрессией генов (например, Нох 4).
В дифференцировку органов в дальнейшем вовлекаются гомеотические кластеры генов. Пример — гены Рах (с «paired box»), которые активизируются во время индукции почечных трубочек и развития тел позвонков.
Б. Регуляция клеточного цикла. Клеточный цикл — автономный и хорошо сохранившийся процесс в эволюции. Он регулируется циклическим синтезом белка циклина. В G2/M-состоянии клетки фосфорилирование циклина белковой киназой (фосфокиназа) инициирует конденсацию хромосом и дезинтеграцию ядерной мембраны. В течение митоза уровень циклина снова падает.
В многоклеточных организмах клеточный цикл подчинен эндогенной супрессии, которая ингибирует синтез циклина в фазе G1, побуждая клетки выходить из цикла (из фазы G0) и начинать дифференцировку.
Клеточный цикл снова начинается автоматически, когда уровень циклина превышает пороговую величину в фазе G1 (точка ограничения, R). В эмбриональных клетках эндогенной задержке клеточного цикла противодействуют экзогенные факторы роста.
