Переключатели в роли GPS-интеграторов

Мы с вами увидели, что гены развития активируются в строго определенных точках в трехмерной координатной системе эмбриона. Но как пространственные координаты эмбриона передаются генам в виде инструкций, заставляющих их включиться или выключиться в определенный момент? Генные переключатели действуют подобно устройствам глобальной системы позиционирования (Global Positioning System, GPS). Подобно тому, как GPS-локатор на корабле, в машине или в самолете определяет местонахождение объекта путем интеграции множества сигналов, генный переключатель интегрирует позиционную информацию о координатах широты, долготы, высоты и глубины эмбриона, а затем указывает место, где ген должен включиться или выключиться. Я продемонстрирую принцип работы переключателей на нескольких примерах. Эти примеры следует воспринимать лишь в качестве фрагментов общей картины развития животных. В общем сценарии участвуют десятки тысяч переключателей, действующих одновременно и по очереди. Но мы не будем пытаться описать всю картину целиком; для нас главное понять логику и специфику механизма действия переключателей.

Основная функция переключателя состоит в превращении существующей картины активности генов в другую, новую картину активности генов. Одна из лучших иллюстраций того, как работают генетические переключатели, — процесс спецификации меридиональных полос экспрессии генов вдоль оси восток — запад у эмбриона дрозофилы. На ранних этапах развития эмбриона широкие полосы, состоящие из 15-25 клеток, экспрессируют белки — продукты определенных генов развития — в определенных областях вдоль оси тела. Белковый продукт каждого гена связывается со специфической последовательностью ДНК, обычно длиной в 6-9 пар оснований. Узнавание белком специфической последовательности ДНК происходит примерно так же, как ключ "узнает" свой замок. В данном случае роль замка играет специфическая последовательность ДНК. Такие последовательности называют "сигнатурными" (от англ. signature — подпись), поскольку белковому продукту каждого гена развития соответствует своя характерная последовательность. Переключатели, контролирующие определенные гены, содержат копии определенных сигнатурных последовательностей. Благодаря этому переключатели связываются с соответствующими белками, но только в ядрах тех клеток, которые находятся в координатах эмбриона, где производятся такие белки. В примере на рис. 5.2 белок А экспрессируется в диапазоне от 20 до 60° восточной долготы (в.д.), белок В — от 40 до 60° в.д., а белок С — от 30° в.д. до 30° западной долготы (з.д.). Белок А является активатором гена X, а белки В и С — его репрессоры. В соответствии с общим правилом, репрессор подавляет действие активаторов, и ген выключается. Переключатель гена Х содержит участки связывания белков А, В и С. В разных точках вдоль оси эмбриона эти участки связывания заняты разными комбинациями белков.

Рис. 5.2. Переключатели интегрируют множество сигналов, трансформируя их в полосу экспрессии гена. Активатор (А) и репрессоры (В и С) экспрессируются в разных координатах; суммарным итогом действия переключателя является узкая полоса экспрессии. Рисунок Джоша Клейса.

В клетках, расположенных в диапазоне от 90 до 60° з.д., ни один из этих белков не связан с переключателем, так что ген выключен. В клетках, расположенных между 60 и 40⁰ з.д., с переключателями связаны белки А и В, так что ген выключен. В клетках между 40 и 30° з.д. с переключателем связан только белок А, и поэтому ген включен. Наконец, в клетках между о и 30° в.д. с переключателем связан только белок С, и ген выключен. После обработки этих трех "меридиональных" сигналов переключатель разрешает гену включиться только в узкой полосе клеток шириной 10°, так что три широкие полосы возможной экспрессии гена в реальности сводятся к одной узкой полоске. Положение этой полоски определяется не только разрешающим сигналом "включить с 30 до 40° з.д.", но и ограничивающими сигналами "выключить" с двух сторон.

Вы можете спросить, откуда берутся указания для экспрессии самих генов A, B и C Хороший вопрос. Экспрессия этих генов, в свою очередь, также контролируется переключателями в генах А, 8 и С соответственно, которые интегрируют сигналы белковых продуктов других генов, появляющихся на более ранних стадиях развития эмбриона. А откуда берутся эти сигналы? Из еще более ранних сигналов. Я понимаю, что это напоминает старую загадку про курицу и яйцо. Но в конечном итоге вся пространственная информация в эмбрионе берет свое начало от молекул, асимметрично распределенных в яйцеклетке, которые закладываются в нее во время ее формирования в яичнике. С этого асимметричного распределения молекул и начинают формироваться две основные оси эмбриона (так что яйцо все же появляется раньше курицы). Я не собираюсь сейчас описывать эти этапы развития. Сейчас нам с вами важно понять, что действие каждого переключателя основано на предыдущих событиях и что, включая зависимый от него ген, переключатель инициирует следующие этапы развития.

В принципе переключатели могут обрабатывать любую комбинацию сигналов широты, долготы, высоты и глубины. На рис. 5.3 представлен пример переключателя, интегрирующего сигналы, поступающие от разных осей. Таким образом происходит позиционирование конечностей в развивающемся эмбрионе дрозофилы. Переключатель гена Distal-less, принимающего участие в формировании конечностей, интегрирует сигналы по широте и долготе и запускает экспрессию гена Dll в нескольких точках, расположенных вдоль основной оси эмбриона. К переключателю поступают сигналы в виде белковых продуктов нескольких уже экспрессирующихся генов развития. Один белок-активатор формирует полосы через каждые 15⁰ вдоль оси восток — запад, но только в южном "полушарии" (0-90⁰ ю.ш.). Два разных репрессора экспрессируются в диапазоне от 30 до 90⁰ ю.ш. и во всем восточном "полушарии" соответственно. Интеграция и обработка этих трех сигналов приводит к тому, что ген Dll экспрессируется в небольших кластерах клеток, располагающихся на 90, 75, 60, 45, 30 и 15° з.д. и 0-30° ю.ш.

Рис. 5.3. Интеграция сигналов с разной широты и долготы определяет координаты кластеров клеток, с которых начинается формирование конечностей. Рисунок Джоша Клейса.

Физическая целостность переключателей играет очень важную роль в развитии. Если переключатель испорчен в результате мутации, нарушается нормальная обработка сигналов. Многие из тех мутантов, о которых мы говорили выше — дрозофилы с ногами, растущими из головы, и люди с шестью пальцами на руках или ногах, — появились на свет из-за того, что испорченные переключатели запустили работу генов развития в точках с неправильными координатами.