Литература БФХ / molekuljarnaja biologija kletki v2

171

Цитированная

1.Adolph К. W., ed. Chromosomes and Chromatin, Vols. 1-3. Boca Raton FL, CRC Press, 1988. Felsenfeld G. DNA. Sci. Am., 253 (4), 58-67, 1985.

Hsu T.C. Human and Mammalian Cytogenetics:A Historical Perspective. New York, Springer-Verlag, 1979.

2.Kacenoff R, Klotz L. C., Zimm В. Н. On the nature of chromosome-sized DNA molecules. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., 38, 1-8, 1974.

3.Burke D. Т., Carle G. F., Olson M. V. Cloning of large segments of exogenous DNA into yeast by means of artificial chromosome vectors. Science, 236, 806-812, 1987.

Murray A. W. Chromosome structure and behavior. Trends Biochem. Sci., 10, 112-115, 1985.

4.Gall J. G. Chromosome structure and the C-value paradox. J. Cell Biol., 91, 3s-14s,1981.

Ohta Т., Kimura M. Functional organization of genetic material as a product of molecular evolution. Nature, 233, 118-119, 1971. 5. Mapping and Sequencing the Human Genome. Washington DC, National Academy Press, 1988.

Wilson A. C., Ochman H., Prager Е. М., Molecular time scale for evolution. Trends Genet., 3, 241-247, 1987.

6.Fried, M., Crothers D. M. Equilibria and kinetics of lae-repressor-operator interaction by polyacrylamide gel electrophoresis. Nucleic Acids Res., 9, 6505-6525, 1981.

7.Kadonaga J. Т., Tjian R. Affinity purification of sequence-specific DNA binding proteins. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 83, 5889-5893, 1986. Rosenfeld P.J., Kellv T.J. Purification of nuclear factor I by DNA recognition site affinity chromafography. J. Biol. Chem., 261, 1398-1408, 1986.

Staudt L. M. et al. Cloning of a lymphoid-specific cDNA encoding a protein binding the regulatory octamer DNA motif. Science, 241, 577-580, 1988.

8.Pabo С. Т., Sauer R. T. Protein-DNA interactions. Annu. Rev. Biochem., 53, 293-321, 1984. Schief R. DNA binding by proteins. Science, 241, 1182 1187, 1988.

9.Ptashne M. A. Genetic Switch: Gene Control and Phage Lambda. Palo Alto CA, Black well, 1986.

Takeda Y, Ohlendorf D.H., Anderson, W.F., Matthews R. W. DNA-binding proteins. Science, 221, 1020-1026, 1983.

10. Berg 0. G., van Hippel P. H. Selection of DNA binding sites by regulatory proteins. Trends Biochem. Sci., 13, 207-211, 1988.

von Hippel P.H., Bear D.G., Morgan W.D., McSwiggen J.A., Protein-nucleic acid interaction in transcription. Annu. Rev. Biochem., 53, 389446, 1984.

11. Dickerson R.E. The DNA helix and how it is read. Sci. Am., 249(6). 94-111, 1983.

Drew H.R., McCall M.J., Callandine C.R. Recent studies of DNA in the crystal. Annu. Rev. Cell Biol,. 4, 1-20, 1988.

12.Koo H. S., Crothers D. M. Calibration of DNA curvature and a unified description of sequence-directed bending. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 85, 1763-1767, 1988.

Lilley D. Bent molecules-how and why? Nature, 320, 487, 1986.

Marini J. C., Levene S. D., Crothers D. M., Englund P. T. Bent helical structure in kinetoplast DNA. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 80, 76787682, 1982.

13.Echols H. Multiple DNA-protein interactions governing high-precision DNA transactions. Science, 233, 1050-1056, 1986.

Thompson J. F., de Vargas L. M., Koch C., Kahmann R., Landy A. Cellular factors couple recombination with growth phase: characterization of a new component in the lambda site-specific recombination pathway. Cell, 50, 901 -908, 1987.

14.Isenberg I. Histones. Annu. Rev. Biochem., 48, 159-191, 1979. van Holt C. Histones in perspective. Bioessays, 3, 120-124, 1985.

Wells D. E. Compilation analysis of histones and histone genes. Nucleic Acids Res., 14, rll9-rl49, 1986.

Wu R. S., Panusz H. Т., Hatch C. L., Banner W. M. Histones and their modifications. CRC Crit. Rev. Biochem., 20, 201-263, 1986.

15.Chromatin. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., Vol. 42, 1978.

Kornberg R.D., Klug A. The nucleosome. Sci. Am., 244 (2), 52-64, 1981.

McGhee, J.D., Felsenfeld G. Nucleosome structure. Annu. Rev. Biochem., 49, 1115-1156, 1980.

Richmond T.J., Finch J.T., Rushton В., Rhodes D., Klug A. Structure of the nucleosome core particle at 7 A resolution. Nature, 311, 532-537, 1984.

16.Simpson R. T. Nucleosome positioning in vivo and in vitro. Bioessays, 4, 172-176, 1986. Trovers A. A. DNA bending and nucleosome positioning. Trends Biochem. Sci., 12, 108-112, 1987.

172

17.Eissenberg J.C., Cartwright I.L., Thomas G.H., Elgin S.C. Selected topics in chromatin structure. Annu. Rev. Genet., 19, 485-536, 1985. Emerson B. M. Lewis C. D., Felsenfeld G. Interaction of specific nuclear factors with the nuclease-hypersensitive region of the chicken adult p- globin gene: nature of the binding domain. Cell 41, 21-30, 1985.

Gross D. S., Garrad W. T. Nuclease hypersensitive sites in chromatin. Annu. Rev. Biochem., 57, 159-198, 1988.

18.Belmont A.S., Sedat J.W., Agard D.A. A three-dimensional approach to mitotic chromosome structure: evidence for a complex hierarchial organization. J. Cell Biol., 105, 77-92, 1987.

Pederson D.S., Thoma F., Simpson R. Core particle, fiber, and transcriptionally active chromatine structure. Annu. Rev. Cell Biol., 2, 117-147, 1986.

19.Allan J., Hartman P. G., Crane-Robinson C., Aviles F. X. The structure ofhistone HI and its location in chromatin. Nature, 288, 675-679, 1980.

Clark D.J., Thomas J.O. Salt-dependent cooperative interaction ofhistone HI with linear DNA. J. Мої. Biol., 187, 569-580, 1986.

Coles L.S., Robins A.J., Madley L.K. Wells J.R. Characterization of the chiken histone HI gene complement: generation of a complete set of vertebrate HI protein sequences. J. Biol. Chem, 262, 9656 9663, 1987.

Thoma F., Koller Т., Klug A. Involvement of histone HI in the organization of the nucleosome and of the salt-dependent superstructures of chromatin. J. Cell Biol., 83, 403-427, 1979.

20.De Bernardin W., Koller Т., Sogo J. M. Structure of in vivo transcribing chromatin as studied in simian virus 40 minichromosomes. J. Мої. Biol. 191, 469-482, 1986.

Losa R., Brown D.D. A bacteriphage RNA polymerase in vitro through a nucleosome core without displacing it. Cell, 50, 801-808, 1987.

21.Benyajati C., Worcel A. Isolation, characterization, and structure of the folded interphase genome of Drosophila melanogaster. Cell, 9, 393-408, 1976.

Gasser S. M., Laemmli U. K. A glimpse at chromosomal order. Trends Genet., 3, 16-22, 1987.

Schmid M. B. Structure and funcfion of the bacterial chromosome. Trends Biochem. Sci., 13, 131-135, 1988.

22.Marsden M., Laemmli U. K. Metaphase chromosome structure: evidence for a radial loop model. Cell, 17, 849-858, 1979.

Georgiev G.P., Nedospasov S.A., Bakaev V. V. Supranucleosomal levels of chromatin organization. In: The Cell Nucleus (H. Busch, ed.), Vol. 6, pp. 3-34. New York, Academic Press, 1978.

23.Holmquist G. DNA sequences in G-bands and R-bands. In: Chromosomes and Chromatin Structure (K.W. Adolph, ed.), Vol. 2, pp. 75-122. Boca Raton, FL, CRC Press, 1988.

Lewin B. Gene Expression, Vol. 2. Eucaryotic Chromosomes, 2nd ed., pp. 428-440, New York, Wiley, 1980.

24.Bostock C. J., Sumner A. T. The Eucaryotic Chromosome, pp. 347-374. Amsterdam, North-Holland, 1978. Callan H.G. Lampbrush chromosomes. Proc. R. Soc. Lond. (Biol.), 214, 417-448, 1982.

Roth M.B., Gall J.G. Monoclonal antibodies that recognize transcription unit proteins on newt lampbrush chromosomes. J. Cell Biol., 105, 1047-1054, 1987.

25.Agard D. A., Sedat J. W. Three dimensional architecture of a polytene nucleus.Nature, 302, 676-681, 1983.

Beermann W. Chromosomes and genes. In: Developmental Studies on Giant Chromosomes (W. Beermann, ed.), pp. 1-33. New York, Springer-Verlag, 1972.

26.Ashburner M., Chihara C., Meltzer P., Richards G. Temporal control of puffing activity in polytene chromosomes. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol, 38, 655-662, 1974.

Lamb M. M., Daneholt В., Characterization of active transcription units in Balbiani rings of Chironomus tentans. Cell, 17, 835-848, 1979.

27.Bossy В., Hall L.M., Spierer P. Genetic activity along 315 kb of the Drosophilachromosome. EMBO J., 3, 2537-2541, 1984.

Hill R.J., Rudkin G. Polytene chromosomes: the status of the band-interband question. Bioessays, 7, 35-40, 1987.

Judd B. H., Young M. W. An examination of the one cistron: one chromomere concept. Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 38, 573-579, 1974.

28.Garel A., Zolan M., Axel R. Genes transcribed at divers rates have a similar conformation in chromatin. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 74, 48674871, 1977.

Weintraub H., Groudine M. Chromosomal subunits in active genes have an altered conformation. Science, 193, 848-856, 1976. Yaniv M., Cereghini S. Structure of transcriptionally active chromatin. CRC Crit. Rev. Biochem. 21, 1-26, 1986.

29.Allis C.D. et al. hvl is an evolutionary conserved H2A variant that is preferentially associated with active genes. J. Biol. Chem., 261, 1941-1948, 1986.

173

Dorbic Т., Wittig В. Chromatin from transcribed genes contains HMG17 only downstream from the starting point of transcription. EMBO J., 6, 2393-2399, 1987.

Hebbes T.R., Thorne A. W., Crane-Robinson C. A direct link between core histone acetylation and transcriptionally active chromatin. EMBO J., 7, 1395-1402, 1988.

Rose S. M., Garrard W. T. Differentiation-dependent chromatin alterations precede and accompany transcription of immunoglobulin light chain genes. J. Biol. Chem., 259, 8534-8544, 1984.

30. Brown S. W. Heterochromatin. Science, 151, 417-425, 1966.

James T. C., Elgin S. C. R. Identification of a nonhistone chromosomal protein associated with heterochromatin in Drosophila melanogaster and its gene. Моl. Cell Biol., 6, 3862-3872, 1986.

Pimpinelli S., Bonaccorsi S., Gatti M., Sandier L. The peculiar genetic organization of Drosophila heterochromatin. Trends Genet., 2, 17-20, 1986.

31. Hand R. Eucaryotic DNA: organization of the genome for replication. Cell, 15, 317-325, 1978.

Huberman J. A., Riggs A. D. On the mechanism of DNA replication in mammalian chromosomes. J. Мої. Biol., 32, 327-341, 1968. 32. Campbell J. Eucaryotic DNA replication: yeast bares its ARSs. Trends Biochem. Sci., 13, 212-217, 1988.

Palzkill T. G., Newlon C. S. A yeast replication origin consists of multiple copies of a small conserved sequence. Cell, 53, 441-450, 1988. Struhl K., Stinchcomb D. Т., Sherer S., Davis R. W. High-frequency transformation of yeast: autonomous replication of hybrid DNA molecules. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 71, 1035-1039, 1979.

33.Dodson M., Dean F. В., Bullock P., Echols H, Hurwitz J. Unwinding of duplex DNA from the SV40 origin of replication by T antigen. Science, 238, 964-967, 1987.

Li J. J., Kelly T.J. Simian virus 40 DNA replication in vitro. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 81, 6973-6977, 1984.

So A. G., Downey K. M. Mammalian DNA polymerases alpha and delta: current status in DNA replication. Biochemistry, 27, 4591-4595, 1988. Stahl H, Droge P., Knippers R. DNA helicase activity of SV40 large T antigen. EMBO J. 5, 1939-1944, 1986.

34.Russev G., Hancock R. Assembly of new histones into nucleosomes and their distribution in replicating chromatin. Proc. Natl. Acad Sci. USA, 79, 3143-3147, 1982.

Sariban E.R., Wu R.S., Erickson L.C., Banner W.M. Interrelationships of protein and DNA synthesis during replication in mammalian cells. Мої. Cell. Biol. 5, 1279-1286, 1985.

Weintraub H., Worcel A., Alberts B.M. A model for chromatin based upon two symmetrically paired half-nucleosomes. Cell, 9, 409-417, 1976. Worcel A., Han S., Wong M. L. Assembly of newly replicated chromatin. Cell, 15, 969-977, 1978.

35.Blackburn E. H., Szostak J. W. The molecular structure of centromeres and telomeres. Annu. Rev. Biochem., 53, 163-194, 1984.

Greider C. W., Blackburn E. H. The telomere terminal transferase of Tetrahymena is a ribonucleoprotein enzyme with two kinds of primer specificity. Cell, 51, 887-898, 1987.

36.Stubblejield E. Analysis of the replication pattern of Chiese hamster chromosomes using 5-bromodeoxyuridine supression of 33285 Hoechst fluorescence. Chromo-soma, 53, 209-221, 1975.

37.Lima-de-Faria A., Jaworska H. Late DNA synthesis in heterochromatin. Nature, 217, 138-142, 1968.

38.Brown E. H., et al. Rate of replication of the murine immunoglobulin heavy-chain locus: evidence that the region is part of a single replicon. Мої. Cell. Biol., 7, 450-457, 1987.

39.Ca/lan H. G. DNA Replications in the chromosomes of eukaryotes. Cold Sprind Harbor Symp. Quant. Biol., 38, 195-203, 1974.

Kriegstein H.J., Hogness D.S. Mechanism of DNA replication in Drosophila chromosomes: structure of replication forks and evidence for bidirectionality. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 71, 135-139,

1974.

Mechali M., Kearsey S. Lack of specific sequence requirement for DNA replication in Xenopus eggs compared with high sequence specifity in yeast. Cell, 38, 55-64, 1984.

40.Blow J. J., Laskey R. A. A role for the nuclear envelope in controlling DNA replication within the cell cycle. Nature, 332, 546-548, 1998. Harland R. Initiation of DNA replication in eukaryotic chromosomes. Trends Biochem. Sci. 6, 71-74, 1981.

174

Rao P. N.. Johnson R. T. Mammalian cell fusion: studies on the regulation of DNA synthesis and mitosis. Nature, 225, 159-164, 1970.

41.Watson J.D., Hopkins N.H., Roberts J.W., Steitz J.A., Weiner A.M. Molecular Biology of the Gene, 4th ed. Menlo Park, CA, BenjaminCummings, 1987. (Chapters 13, 20 and 21).

42.Chamberlin M. Bacterial DNA-dependent RNA polymerases. In: The Enzymes, 3rd ed. (P. Boyer, ed.), Vol. 15B, pp. 61-108, New York, Academic Press, 1982.

Greenblatt J., Li J. Interaction of the sigma factor and the nusA gene protein of E.coli with RNA polymerase in the initiation-termination cycle of transcription Cell, 24, 421-428, 1981.

McClure W. Mechanism and control of transcription initiation in prokaryotes. Annu. Rev. Biochem., 54, 171-204, 1985.

Yager T.D., van Hlppel P.H. Transcript elongation and termination in E.coli. In: Escherichia coll and Salmonella typhimurium: Cellular and Molecular Biology (F.C. Neidhardt, ed.), pp. 1241-1275. Washington DC, American Society for Microbiology, 1987.

43.Chambon P. Eucaryotic nuclear RNA polymerases. Annu. Rev. Biochem., 44, 613-638, 1975.

Geiduschek E. P., Tocchim Valentini G.P. Transcription by RNA polymerase III. Annu. Rev. Biochem., 57, 873-914, 1988. Sentenac A. Eucaryotic RNA polymerases. CRC Crit. Rev. Biochem., 18, 31-91, 1985.

Sollner-Webb В., Tower J. Transcription of cloned eucaryotic ribosomal RNA genes. Annu. Rev. Biochem,. 55, 801-830, 1986. 44. Brown D. D. The role of stable complexes that repress and activate eucaryotic genes. Cell, 37, 359-365, 1984.

Workman J. L., Roeder R. G., Binding of transcription factor TFIID to the major late promotor during in vitro nucleosome assembly potentiates subsequent initiation by RNA polymerase II. Cell, 51, 613-622, 1987.

45.Foe V. E., Wilkinson L. E., Laird C. D. Comparative organization of active transcription units in Oncopeltus fasciatus. Cell, 9, 131 146, 1976. Hastie N.D., Bishop J.O. The expression of three abundance classes of mRNA in mouse tissues. Cell, 9, 761-774, 1976.

Lewin B. Gene Expression, Vol. 2. Eucaryotic Chromosomes, 2nd ed., pp. 708-719. New York, Wiley, 1980.

Miller 0. L. The nucleolus, chromosomes, and visualization of genetic activity. J. Cell Biol. 91, 15s-27s, 1981. (A review.)

46.Birnstiel M. L., Busslinger M., Struh K. Transcription termination and 3' processing: the end is in site! Cell, 41, 349-359, 1985.

Friedman D.I., Imperiale M.J., Adhya S.L. RNA 3' end formation in the control of gene expression. Annu. Rev. Genet., 21, 453-488, 1987. Nevins J. R. The pathway of eukaryotic mRNA formation. Annu. Rev. Biochem. 52, 441-466, 1983.

Takagaki Y., Ryner L. C., Manley J. L. Separation and characterization of a poly(A) polymerase and a cleavage/specificity factor required for pre-mRNA polyadenylation. Cell, 52, 731-742, 1988.

47.Sisodia S.S., Sollner-Webb В., Cleveland D.W. Specificity of RNA maturation pathways: RNAs transcribed by RNA polymerase III are not substrates for splicing or polyadenylation. Моl. Cell.. Biol., 7, 3602-3612, 1987.

Smale S. Т., Tjian R. Transcription of herpes simplex virus tk sequences under the control of wild-type and mutant human RNA polymerase I promoters. Моl. Cell. Biol. 5, 352-362, 1985.

48.Chambon P. Split genes. Sci. Am. 244(5), 60-71, 1981.

Crick F. Split genes and RNA splicing. Science, 204, 264-271, 1979.

Darnell J. E., Jr. Variety in the level of gene control in eucaryotic cells. Nature, 297, 365-371, 1982. Perry R. P. RNA processing comes of age. J. Cell Biol., 91, 28s-38s, 1981. (Includes a historical review.)

49. Guthrie C., Patterson B. Splice-ossomal snRNAs. Annu. Rev. Genet., 22, 387-419, 1988.

Dreyfuss G., Swanson M.S., Pinol-Roma S. Heterogeneous nuclear ribonucleoprotein particles and the pathway of mRNA formation. Trends Biochem. Sci. 13, 86-91, 1988.

Osheim Y. N.. Miller O. L., Beyer A. L. RNP particles at splice junction sequences on Drosophila chorion transcripts. Cell, 43, 143-151, 1985. Samarina O.P., Krichevskaya A.A., Georgiev G.P. Nuclear ribonucleoprotein particles containing messenger ribonucleic acid. Nature, 210, 1319-1322, 1966.

Steitz J.A., "Snurps". Sci. Am. 258 (6). 56-63, 1988.

50. Edmonds M. Branched RNA. Bioessays, 6, 22-216, 1987.

Maniatis Т., Reed R. The role of small nuclear ribonucleoprotein particles in pre-mRNA splicing. Nature, 325, 673-678, 1987.

175

Padgett R. A., Grabowski P. J., Konarska M. M., Seller S., Sharp P. A. Splicing of mRNA precursors. Annu. Rev. Biochem. 55, 1119-1150, 1986.

51.Aebi M., Weissman C. Precision and orderliness in splicing. Trends Genet., 3, 102-107, 1987.

52.Andreadis A., College M.E., Nadal-Ginard B. Generation of protein isoform diversity by alternative splicing: mechanistic and biological implications. Annu. Rev. Cell Biol., 3, 207-242, 1987.

53.Orkin S. H., Kazazian H. H. The mutation and polymorphism of the human p-globin gene and its surrounding DNA. Annu. Rev. Genet., 18, 131-171, 1984.

54.Cech T. R. The generality of self-splicing RNA: relationship to nuclear RNA splicing. Cell, 44, 207-210, 1986.

Ringertz N. et al. Computer analysis of the distribution of nuclear antigenes: studies on the spatial and functional organization of the interphase nucleus. J. Cell Sci. Suppl. 4, 11-28, 1986.

Warner J. Applying genetics to the splicing problem. Genes Dev., 1, 1-3, 1987.

56. Long E. 0., Dawid I. B. Repeated genes in eucaryotes. Annu. Rev. Biochem., 49, 727-764, 1980.

Miller O. L. The nucleolus, chromosomes and visualization of genetic activity. J. Cell Biol., 91, 15s-27s, 1981. 57. Hadjiolov A. A. The Nucleolus and Ribosome Biogenesis. New York, Springer-Verlag, 1985.

Jordan E. G., Сиllis C. A., eds. The Nucleolus. Cambridge, U. K., Cambridge University Press, 1982. Sommerville J. Nucleolar structure and ribosome biogenesis. Trends Biochem. Sci., 11, 438-442, 1986.

58. Anastassova-Kristeva M. The nucleolar cycle in man. J. Cell Sci., 25, 103, 1977.

McClintock B. The relation of a particular chromosomal element to the develope-ment of the nucleoli in Zea Mays. Z. Zellforsch. Mikrosk. Anat., 21, 294-323, 1934.

59. Comings D.E. Arrangement of chromatin in the nucleus. Hum. Genet., 53, 131-143, 1980.

Cremer T. et al. Rabl's model of the interphase chromosome arrangement tested in Chinese hamster cells by premature chromosome condensation and laser-UV-microbeam experiments. Hum. Genet., 60, 46-56, 1980.

Hochstrasser M., Sedat J. W. Three-dimensional organization of Drosophila melano-gaster interphase nuclei. II. Chromosome spatial organization and gene regulation. J. Cell Biol., 104, 1471-1483, 1987.

Manuelidis L. Individual interphase chromosome domains revealed by in situ hubridization. Hum. Genet., 71, 288-293, 1985. 60. Gasser S. M., Laemmli U. K. A glimpse at chromosome order. Trends Genet., 3, 16-22, 1987.

Gerace L., Burke B. Functional organization of the nuclear envelope. Annu. Rev. Cell Biol., 4, 335-374, 1988. Newport J. W., Forbes D. J. The nucleus: structure, function, and dynamics. Annu. Rev. Biochem., 56, 535-566, 1987.

176

10 Контроль генной экспрессии

ДНК любого организма кодирует все молекулы РНК и белков, которые входят в состав его клеток. Однако само по себе полное описание последовательности геномной ДНК, будь это несколько миллионов нуклеотидов, как у бактерии, или три миллиарда-у человека, мало говорит о том, как устроен этот организм. Геном можно сравнить со словарем, в котором содержатся все «слова», употребляемые данной особью. Однако понять логику построения организма, исходя из такого словаря не легче, чем написать пьесу Шекспира по словарю английского языка. Во всех случаях необходимо знать, как пользоваться словарными единицами, а число их возможных сочетаний столь велико, что составление самого словаря следует признать наиболее простой частью работы и лишь начальной ступенью в изучении данной проблемы.

Мы, конечно, еще весьма далеки от возможности «расписать» строение организма, исходя из последовательностей его генома. Для этого необходимо более глубокое понимание биологии клетки, понимание того, что делают тысячи больших и малых молекул после их синтеза. В данной главе обсуждается лишь одна из сторон этого вопроса. Мы рассмотрим правила, согласно которым определенные наборы генов избирательно активируются в каждой клетке. Будет показано, что механизмы контроля генной экспрессии действуют на самых разных уровнях, каждому из них посвящен отдельный раздел этой главы. Наконец, мы рассмотрим проблему возникновения сложной регуляторной системы генов. Однако начать следует с обзора некоторых основных принципов генетического контроля в высших организмах.

10.1. Стратегии генетического контроля

Морфология и функция у различных типов клеток, входящих в состав высшего организма, часто довольно сильно отличаются. Например, нейрон и лимфоцит млекопитающего так мало похожи друг на друга (см. рис. 13-29), что трудно себе представить их владельцами одного и того же генома. Столь большая разница между клетками дала основание для гипотезы, согласно которой гены в процессе дифферен-цировки клеток могут селективно утрачиваться. Однако теперь известно, что это не так; дифференцировка клеток определяется изменением экспрессии генов, а не их потерей.

10.1.1. В различных типах клеток многоклеточного организма содержится одинаковая ДНК [1]

Разные типы клеток многоклеточного организма отличаются друг от друга тем, что синтезируют и накапливают различные наборы молекул РНК и белков. Эти процессы происходят без необратимых изменений в ДНК. Лучшее доказательство сохранения генома при дифференцировке клеток получено в классических экспериментах на лягушке. Если

177

Рис. 10-1. Схема эксперимента, который может быть выполнен на различных растениях. Многие дифференцированные растительные клетки сохраняют способность к «дедифференцировке»: в определенных условиях они дают начало клону клеток, который может развиться в

целый организм (см. гл. 20).

ядро полностью дифференцированной клетки лягушки ввести в ооцит, ядро которого удалено, инъецированное «донорное» ядро детерминирует развитие из реципиентной яйцеклетки нормального головастика. Поскольку у головастика имеются самые разные дифференцированные клетки, получившие свои последовательности ДНК из ядра исходной донорной клетки, можно сделать вывод, что дифференцированная клетка донора не потеряла никаких важных последовательностей ДНК. Аналогичный вывод следует и из опытов, проведенных на различных растениях. В этом случае кусочки дифференцированной ткани культивировали на искусственной среде, после чего эту ткань разделяли на отдельные клетки. Оказалось, что такая изолированная клетка способна регенерировать целое взрослое растение (рис. 10-1).

Другим доказательством того, что в ходе развития позвоночных большие блоки ДНК не теряются и не перестраиваются, служит следующий факт. Митотические хромосомы из разных типов клеток после специального окрашивания имеют одинаковую поперечную исчерченность (см. рис. 9-40). Если исходить из этого критерия, следует признать, что набор хромосом в дифференцированных клетках человеческого тела идентичен. Более того, при сравнении геномов различных клеток методами генной инженерии оказалось, что изменения в экспрессии генов, сопутствующие развитию многоклеточных организмов, как правило, не сопровождаются изменениями в последовательностях ДНК соответствующих генов (некоторые важные исключения приведены в разд. 18.4.2).

10.1.2. В различных типах клеток синтезируются разные наборы белков [2]

Чтобы понять механизм клеточной дифференцировки, прежде всего необходимо знать, насколько отличаются друг от друга разные типы клеток. Полный ответ на этот фундаментальный вопрос еще не получен, но определенные выводы уже сделаны.

1.Существует множество процессов, общих для всех клеток, и, следовательно, все клетки имеют много одинаковых белков. Часть таких белков содержится в больших количествах и легко поддается анализу. Среди них основные структурные белки цитоскелета и хромосом, некоторые белки, входящие в состав эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи, рибосомные белки и так далее. Многие белки, встречающиеся реже, например, различные ферменты, участвующие в основных реакциях метаболизма, также присутствуют во всех типах клеток.

2.Некоторые белки обнаруживаются в больших количествах лишь в специализированных клетках, а в других типах клеток их нельзя выявить даже самыми чувствительными методами. Например, гемоглобин имеется только в эритроцитах.

3.Если методом двумерного электрофореза в полиакриламидном геле сравнить примерно 2000 наиболее часто встречающихся белков (т.

е.

178

Рис. 10-2. Пять уровней контроля генной экспрессии у эукариот. После синтеза белка его активность может контролироваться за счет регулируемой деградации (G), обратимых модификаций (например, фосфорилирования) и путем перемещения молекулы белка в определенное

место клетки.

белков, содержащихся в количестве 50000 молекул на клетку) в различных типах клеток, то выявляется довольно мало отличий, Проводится ли сравнение двух клеточных линий, выращенных в культуре (например, мышечные и нервные клетки), или клеток двух дифференцированных тканей грызунов (например, печени и легкого), результат оказывается сходным. Большинство белков синтезируется во всех исследованных типах клеток, причем эффективность синтеза различается в зависимости от типа клеток не более, чем в пять раз. Лишь для нескольких процентов белков эта закономерность не соблюдается.

Судя по имеющемуся числу различных последовательностей мРНК, типичная клетка высших организмов синтезирует от 10000 до 20000 разных белков (см. табл. 9-2), многие из которых присутствуют в настолько низкой концентрации, что их не удается обнаружить даже с помощью двумерного гель-электрофореза. Если эти минорные белки в разных клетках различаются в такой же степени, как и белки, относящиеся к более обильным классам, следует признать, что относительно небольшие изменения в спектре синтезируемых клеткой белков способны очень сильно изменять все ее поведение и структуру.

10-3

10.1.3. Экспрессия гена может регулироваться на каждом этапе пути от ДНК к РНК и к белку [3]

Если различия между клетками разных типов обусловлены тем, какие белки экспрессируются в них, важно знать, на каком уровне осуществляется контроль белкового синтеза. На пути, ведущем от ДНК к белку, этот контроль может реализоваться практически на любом этапе (рис. 10-2). Основными «контрольными точками» могут служить: 1) время и характер транскрипции данного гена (контроль на уровне транскрипции), 2) характер процессинга первичного РНК-транскрипта (контроль ва уровне процессинга), 3) отбор в ядре зрелых мРНК, предназначенных для экспорта в цитоплазму (контроль на уровне транспорта), 4) отбор в цитоплазме мРНК для трансляции на рибосомах (контроль на уровне трансляции), 5) избирательная дестабилизация определенных типов мРНК в цитоплазме (контроль на уровне деградации мРНК), 6} селективная активация, инактивация или компартментация молекул белка после их синтеза (контроль на уровне активности белка).

Для большинства генов наиболее важен контроль на уровне транскрипции. Первые данные о той роли, которую играет контроль на уровне транскрипции в развитии позвоночных, были получены при сравнении молекул мРНК печени с мРНК мозга. Некоторые из этих РНК присутствовали только в клетках печени. С помощью кДНК-зон-дов показано, что в клетках мозга нет не только соответствующих мРНК, но также и первичных транскриптов, из которых она образовывалась. Для того, чтобы убедиться в этом, из клеток печени и мозга выделяли ядра, а затем их инкубировали с высоко радиоактивными

Рис. 10-3. Получение радиоактивно меченной гяРНК. Молекулы РНК-полимеразы после введения метки и лизиса клетки продолжают элонгацию тех же молекул РНК in vitro, при этом исследователь получает высокоактивный препарат тех последовательностей, которые

транскрибируются в клетке (первичные транскрипты РНК).

179

Рис. 10-4. Схема стандартного метода выявления радиоактивно меченных молекул РНК, имеющих определенную нуклеотидную последовательность. В том случае, если молекулы РНК могут образовать гибридный РНК/ДНК дуплекс с од-ноцепочечным фрагментом ДНК,

используемым в качестве специфического зонда, эти молекулы остаются неповрежденными в процессе нуклеазной обработки и легко обнаруживаются по радиоактивной метке. В экспериментах, описанных в тексте, очищенные сегменты ДНК, соответствующие разным генам, были получены с помощью клонирования молекул кДНК, которые, в свою очередь, были синтезированы путем обратной транскрипции суммарной мРНК печени. Каждый из этих фрагментов ДНК использовали в качестве зонда в отдельном эксперименте (см. рис. 10-5).

РНК-предшественниками (рибонуклеозидтрифосфатами). В результате все РНК-транскрипты, синтезированные за это время, оказывались радиоактивно меченными. Этот процесс, известный под названием «продолжающегося синтеза в ядре», схематически представлен на рис. 10-3. Меченые молекулы РНК затем тщательно анализировали (рис. 10-4 и 10-5). Достоверно показано, что в гяРНК клеток мозга нет участков гомологии с какой-либо из 11 различных мРНК, специфичных для клеток печени. В этих опытах гяРНК из клеток печени служила положительным контролем, поскольку она заведомо содержит последовательности, гибридизующиеся с кДНК печени. Отсутствие мРНК, специфичных для печени (и следовательно, кодируемых ими белков) в цитоплазме клеток мозга можно отнести в первую очередь за счет блокирования транскрипции соответствующих генов в этих клетках. Другими словами, данные о случайно отобранных специфичных для печени мРНК, свидетельствуют о том, что различия между клетками печени и мозга контролируются в основном на уровне транскрипции.

10-4

10.1.4. Белки-регуляторы могут либо активировать, либо подавлять транскрипцию генов

Клетки эукариот содержат большое количество сайт-специфических ДНК-связывающих белков, основная функция которых состоит во включении или выключении генов. Каждый из этих белков-регуляторов, присутствующих в количестве нескольких копий на клетку (~ I молекула на 3000 нуклеосом или 104 копий на клетку млекопитающего), узнает определенные последовательности ДНК, длиной 8-15 нуклеоти-дов. Присоединение таких белков к ДНК может либо вызвать транскрипцию расположенного рядом гена (позитивная регуляция), либо подавить ее (негативная регуляция) (рис. 10-6). Далее мы расскажем о некоторых механизмах, участвующих в этих процессах (см. разд. 10.2.7). Различные типы клеток многоклеточного организма обладают разными белками-регуляторами, в результате каждый тип клеток транскрибирует свой собственный набор генов.

10.1.5. Комбинации нескольких регуляторных белков, контролирующих активность генов, могут определять развитие многих типов клеток [4]

Принципиальная схема комбинационной регуляции активвости гена приведена на рис. 10-7, где каждый пронумерованный элемент соответствует отдельному белку-регулятору. На этой чисто гипотетичной схеме одна материнская клетка дает начало двум типам клеток А и В, различающимся лишь тем, что в одной из них происходит синтез регуляторного белка 1, а в другой-нет. В ходе дальнейшего развития этих клеток в некоторых из них появляются регуляторные белки 2 и 3, а затем 4 и 5. В результате формируются 8 типов клеток (они обозначены буквами от G до N), характеризующиеся различными сочетаниями пяти регуляторных белков. Добавление к приведенной схеме еще двух белков-регуляторов (6 и 7) повлечет за собой образование на следующей стадии 16 типов клеток. Еще 10 подобных стадий в сумме дадут 10000 различных клеточных типов-и все это за счет взаимодействия только 25 регуляторных белков.

Таким образом, комбинационная регуляция активности гена весьма эффективна: малое число регулирующих элементов может детерминировать нормирование сложных биологических объектов В гл. 16 будет показано, как эта система функционирует в ходе развития

180

Рис. 10-5. Схема эксперимента, демонстрирующего, что экспрессия генов в клетках млекопитающих контролируется главным образом на уровне транскрипции (см. рис. 10-4).

Рис. 10-6. Сравнение позитивной и негативной регуляции. В данном примере показан контроль на уровне транскрипции, однако те же два типа контроля могут быть задействованы на любом из этапов регуляции, представленных на рис. 10-2.

Рис. 10-7. Упрощенная схема дифференцировки клеток эмбриона, иллюстрирующая, каким образом разные комбинации небольшого числа белков-регуляторов могут обеспечить возникновение клеток многих типов.

Эта предельно упрощенная схема предполагает, что после каждого деления происходит выбор в пользу синтеза какого-либо одного из двух белков-регуляторов (обозначенных пронумерованными кружочками). При этом сообразно занимаемой условной позиции дочерние клетки, отходящие влево относительно общего плана строения эмбриона (и относительно страницы этой книги), всегда индуцируют синтез белков с четными номерами, тогда как дочерние клетки, отходящие вправо-синтез белков с нечетными номерами. Считается, что синтез каждого белка-

регулятора - самоподдерживающийся процесс (см. рис. 10-33 и 10-35). Таким образом, клетки разрастающегося клона будут содержать все увеличивающееся число различных белков-регуляторов, каждый из которых контролирует целую «батарею» генов.