Переключение генетической активности во время фаговой инфекции

Остановимся еще на одном типе регуляции действия генов, отличающейся от рассмотренной выше регуляции работы оперонов путем их обратимого включения и выключения.

Бактериофаги имеют несколько возможностей для переключения метаболизма бактерии–хозяина на репродукцию фагов. Это обусловлено появлением в зараженных фаговыми частицами клетках новых РНК–полимераз либо отдельных их субъединиц, белков–репрессоров и белков–активаторов.

Исследованиями Р. Б. Хесина в нашей стране, С. Шпигельмана в США и других авторов было установлено, что, несмотря на различия специфических организмов, с помощью которых отдельные фаги перестраивают клеточный метаболизм, все они несут две группы генов. Одни, называемые «ранними», выражаются сразу же после инфекции. Продукт одного из нескольких таких генов обеспечивает включение одних и выключение других «ранних» генов, которые, в свою очередь, регулируют следующую группу генов и т. д. Подобная регуляция последовательного выражения генов происходит на уровне транскрипции. Например, в случае фагов Т2, Т4, Т7 E.coliи фага SPOIB.subtilisтакая последовательность действия генов контролируется путем модифицирования промоторной специфичности РНК–полимеразы. Это может достигаться синтезом новой собственно фаговой РНК–полимеразы, как в случае фага Т7, либо путем изменения специфичности бактериальной РНК–полимеразы, как это происходило в клетках, зараженных фагами Т2, Т4 или SPO 1.

В клетках, инфицированных фагом Т7, «ранние» гены транскрибируются РНК – полимеразой хозяина. Один из таких генов кодирует фаговую РНК–полимеразу, которая будет транскрибировать «поздние» гены, участвующие в синтезе ДНК и белков фагового капсида.

В клетках, зараженных фагом SPO 1, наблюдается более сложная картина. ДНК SPO 1 содержит три группы генов – «ранние», «средние» и «поздние», различающиеся соответственно по времени своей экспрессии в цикле репродукции фага. Так же, как в случае Т7, «ранние» гены SPO 1 транскрибируются бактериальной РНК–полимеразой. Продукт одного из «ранних» генов присоединяется к этой РНК–полимеразе и изменяет ее специфичность так, что она приобретает способность распознавать промоторы «средних» генов и транскрибировать их. Два продукта «средних» генов, в свою очередь, связываются с бактериальной РНК–полимеразой, тем самым, придавая новую специфичность, необходимую для транскрипции «поздних» фаговых генов.

Еще более сложная система обеспечивает каскадную регуляцию генной активности в случае фага Т4. Однако во всех рассмотренных примерах эта регуляция осуществляется на уровне транскрипции и включает специфичные взаимодействия между промоторами и РНК–полимеразой, обусловленные Q–факторами.

Особенности генетической регуляции у высших эукариот

Важнейшая особенность функционально–генетической организации эукариот – отсутствие у них оперонов, подобным оперонам бактерий. У высших эукариот гены, кодирующие ферменты, катализирующие последовательные этапы биосинтеза какого–либо метаболита, могут находиться в разных участках одной хромосомы или даже в разных хромосомах. Тем не менее, и физико–химический, и прямой визуальный анализы вновь синтезированной РНК с помощью электронного микроскопа показывают, что очень часто она состоит из нескольких десятков тысяч нуклеотидов. Поэтому правильнее говорить о функциональной генетической единице у эукариот как о транскриптоне(Г. П. Георгиев), то есть участке ДНК, с которого считывается единая непрерывная молекула РНК.

Тем не менее, координация работы генов, детерминирующих какие–либо функции клетки, убедительно показана на ряде примеров. Так, введение в организм животного гидрокортизона или фенобарбитала, являющихся индукторами– дерепрессорами генома клеток печени, активирует группу генов, среди которых находятся как гены, кодирующие определенные белки, так и гены рРНК и тРНК. Иными словами, в ответ на действие указанных индукторов активизируется целая батарея генов. Предполагается, что существование гомологичных повторов способствует тому, что сигналы индукции служат как бы «ключами», отпирающими один и тот же «замок» в различных генах одной батареи. Это может означать, что один и тот же белок–репрессор связан с гомологичными повторами в каждом члене одной генной батареи.

Фактов, указывающих на существование системы генетической регуляции в клетках высших растений и животных, немало. Следует, однако, заметить, что эти факты, в частности, обнаружение последовательностей типа «ящика Хогнесса», позволяют судить только о некоторых деталях регуляции, касающихся отдельных генов. Общая картина механизма генетической регуляции в эукариотических клетках пока неясна, однако сам факт тотальной регуляции действия генов сомнений не вызывает. Наиболее объективно он может быть оценен по числу типов генных продуктов (РНК–вых копий) в цитоплазме. Этот вопрос был исследован на клетках человека линии HeLa, более 30 лет культивируемых in vitro. Геном клеток HeLa считается сильно депрессированным, то есть в них функционирует значительно большее (около 35 тысяч) число генов, чем в обычных соматических клетках, хотя это не означает, что клетки HeLa производят столь же большое количество конечных генных продуктов– полипептидов. Оказалось, что по функциональной активности гены клеток HeLa могут различаться почти на 4 порядка. Так, существует около 12–13 тысяч РНК–вых копий, и несколько десятков генов, которым в цитоплазме соответствуют единичные молекулы иРНК.

Со времени открытия повторяющихся нуклеотидных последовательностей в эухроматической части генома многие авторы пытались обосновать их возможную роль в регуляции биохимических процессов у эукариот. Так, Р. Бриттен и Э. Дэвидсон (1979) обратили внимание на то, что первичные транскрипты имеют в своем составе повторяющиеся последовательности и, следовательно, их можно рассматривать как копии интерсперсной части генома. Внимание этих исследователей привлекли также два факта, полученные при изучении биохимических процессов в ядрах в ходе эмбрионального развития морского ежа. Во-первых, среди молекул ядерных РНК присутствовали копии обеих цепей ДНК многих повторов. Во-вторых, набор РНК–вых копий повторов изменялся при переходе к каждой последующей стадии эмбриогенеза. В соответствии с ранее высказанным мнением о том, что чередование уникальных и повторяющихся последовательностей как важнейшая черта молекулярной организации эукариот служит одновременно и «зеркалом» генетической регуляции в эукариотических клетках, эти авторы развили гипотезу о координирующем транскрипте. Под этим термином понимается длинная молекула РНК, содержащая значительное число интерсперсных повторов и некодирующих уникальных последовательностей. В ходе процессинга координирующего транскрипта распадаются только уникальные последовательности. В ядре образуется набор повторов, специфичный для определенного типа клеток в количественном и качественном отношениях.

Второй тип транскриптов представлен молекулами РНК, в состав которых входят копии структурных генов и один или немногие повторы, считанные с цепи ДНК, комплементарной координирующему транскрипту. Таким образом, в ядре становятся возможны РНК–РНК–вые взаимодействия копий интерсперсных повторов. Возникновение дуплексных структур вблизи РНК–вых копий структурных генов вызовет процессинг транскриптов второго типа, освобождение иРНК и ее транспорт в цитоплазму. Скорость транспорта иРНК, а в конечном итоге и функциональную активность гена, будет определять интенсивность синтеза и распада координирующего транскрипта. Несмотря на популярность этой гипотезы, она оставляет открытыми немало вопросов, из которых главный – вопрос о том, что же служит регулятором самого координирующего транскрипта.

Существенная особенность генетической регуляции в клетках эукариот – то, что процесс транскрипции зависит от состояния хроматина. Локальная компактизация ДНК в структуре хромомера полностью блокирует синтез РНК. В гигантских политенных хромосомах и в хромосомах типа ламповых щеток описаны мутации, инактивирующие ген, расположенный в каком–либо одном хромомере. Эти мутации, блокирующие декомпактизацию хромомера, находятся либо в самом хромомере, либо тесно с ним сцеплены. Скрещивание гетерозигот по таким регуляторным мутациям в Fдает расщепление 3:1, указывая на то, что они затрагивают единичные менделирующие факторы.

Следует подчеркнуть, что решение многих проблем регуляции генной активности будет, по-видимому, найдено на основе комплексного использования подходов и методов классической генетики и генной инженерии.