Мощь комбинаторной логики

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.

Pax-6 (eyeless) KKYMCGCWTSANTKMNY

Tinman TCAAGTG

Ultrabithorax TTAATKRCC

Dorsal GGGWWWWCCM

Snail CAGCAAGGTG

Где

R = A или G

У = С или Т

K = G или Т

M = А или С

S = С или G

N = A, С, G или Т

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).

Позвольте мне сделать небольшое отступление, касающееся роли комбинаторной логики в биологии, хотя этот пример относится совершенно к другой области. Нашей иммунной системе приходится бороться с огромным количеством самых разных потенциальных патогенов, живущих в нас и вокруг нас. Иммунная система вырабатывает специфические белки — антитела, которые связываются с белками, сахарами или жирами этих чужеродных организмов. Человек способен синтезировать миллионы различных антител. И эта невероятная способность достигается путем комбинирования в разном порядке отдельных фрагментов скромного числа (нескольких сотен) генов антител и различных типов цепей антител, а вовсе не путем кодирования миллионов различных антител.

Многообразие переключателей и универсальность комбинаторной логики очень ярко проявляются в экспериментах с последовательностями переключателей. Встраивание или удаление сигнатурных последовательностей из ДНК переключателей позволяет увидеть гибкость и мощь этого механизма. Лидерами в данном направлении исследований были Майк Левайн и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли. Они изучали логику создания рисунка, состоящего из полосок, вдоль обеих осей эмбриона дрозофилы и обнаружили простой, но элегантный механизм, лежащий в основе процесса генетической разметки эмбриона.

Основная логика разметки раннего эмбриона дрозофилы в поперечном направлении отражена на рис. 5.2. Разметка в продольном направлении основана на той же логике. Точное положение полосы определяется силой сигналов, подаваемых на переключатель. Один из способов повышения силы сигнала заключается в увеличении числа копий сигнатурных последовательностей в переключателе. Например, горизонтальная полоса экспрессии гена, проходящая через самую южную часть эмбриона дрозофилы, активируется белковым продуктом гена развития, концентрация которого изменяется в направлении с юга на север. Обычно переключатель содержит две копии сигнатурной последовательности для этого белка. Если в этот переключатель добавить две копии сигнатурной последовательности, ширина полосы увеличится более чем вдвое и полоса покроет уже значительную часть южной полусферы эмбриона (рис. 5.4a).

Рис. 5.4. а. Введение в переключатель участка связывания активатора расширяет зону экспрессии. б. Удаление участка связывания репрессора расширяет полосу экспрессии, в. Введение участка связывания репрессора удаляет часть полосы экспрессии. Рисунок Джоша Клейса.

Напротив, добиться ослабления сигнала можно путем уменьшения числа сигнатурных последовательностей в переключателе или путем их полного уничтожения. В таком случае, если эти сигнатурные последовательности связывают белки-активаторы, то переключатель оказывается полностью испорченным. Если в приведенном выше примере изменить обе сигнатурные последовательности (рис. 5.4а), данный переключатель будет инактивирован. Однако если удалять сигнатурные последовательности, с которыми связываются белки-репрессоры, область запускаемой переключателем экспрессии расширяется. На рис. 5.4б изображен другой переключатель, обеспечивающий другую полосу экспрессии. Эта полоса в ширину составляет около 20°, простираясь от 40 до 60° ю.ш., и выходит за пределы южного "полушария" эмбриона. Переключатель, контролирующий эту полосу, содержит четыре копии сигнатурной последовательности, которую распознает белок-репрессор, экспрессирующийся в самой южной части эмбриона. Если эти последовательности ДНК изменяются, репрессор больше не может связываться с переключателем и полоса занимает всю нижнюю часть эмбриона.

Эти простые эксперименты показывают, каким образом точное географическое положение полосы изменяется в результате изменения соответствующей сигнатурной последовательности. Чтобы заставить переключатель создавать специфический рисунок относительно обеих осей, нужно просто включить в него сигнатурные последовательности для белковых продуктов генов развития, действующих вдоль этих осей. Если ввести сигнатурную последовательность для связывания репрессора, который экспрессируется в южной части эмбриона, voila, экспрессия белковой полосы на юге исчезает (рис. 5.4в).

Таким образом, введение, удаление или изменение лишь нескольких оснований в последовательности переключателя может изменить характер экспрессии того или иного гена. Эти изящные эксперименты дают нам некоторое представление о том, каким образом приобретение или потеря сигнатурных последовательностей могли влиять на ход эволюции видов. Позже я расскажу об этом подробнее, но, надеюсь, вы уже начинаете понимать, какими возможностями обладают генетические переключатели.