Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

Переключение генов и мультигенные семейства

Простой подсчет числа генов, активность которых необходима для нормального развития, позволяет оценить сложность онтогенеза. Однако подобная оценка будет вводить в заблуждение, если не учитывать, что специфичные для развития структурные гены не экспрессируются во всем зародыше в течение всего процесса развития. Экспрессия генов регулируется как в пространстве, так и во времени. Типы локализации, обсуждавшиеся в гл. 4, имеют решающее значение для установления первоначального распределения в зародыше групп детерминированных клеток. Хотя такие явления локализации представляют собой непременное условие онтогенеза, процесс развития, по существу, слагается из каскада событий все возрастающей сложности.

Первоначальная локализация, устанавливающаяся в процессе дробления, создает лишь грубую разметку простой морфологии раннего зародыша, которая обычно коренным образом изменяется в результате морфогенетических событий, происходящих в процессе гаструляции и последующего органогенеза. Клетки, судьбы которых детерминируются во время дробления или позднее, отличаются своим определенным местоположением в зародыше и специфичными только для них одних типами генной экспрессии. Разнообразие мРНК, экстрагируемых из целых гаструл или личинок, отражает совокупность разнообразий мРНК клеток нескольких типов.

Возрастание сложности с течением онтогенеза требует, чтобы процессы, приводящие к дифференцировке и морфогенезу, обладали двумя характеристиками: 1) события должны происходить в правильном временном соотношении друг с другом; 2) между дифференцирующимися участками зародыша должно существовать взаимодействие.

Многие структурные гены, экспрессирующиеся лишь на определенных стадиях развития, не только регулируются во времени, но и обладают интересной особенностью - они принадлежат к мультигенным семействам. Конечно, не все гены, включаемые и выключаемые во время развития, являются членами таких семейств; многие из них, вероятно, представлены в геноме лишь в одном экземпляре. Однако число существующих мультигенных семейств удивительно велико, и их экспрессия почти во всех случаях связана с регулируемым в процессе развития переключением генов. Мультигенные семейства дают зародышу возможность с течением развития и изменением как метаболизма, так и архитектуры клеток и зародыша удовлетворять свои изменяющиеся потребности в белках, имеющих сходную, но не идентичную функцию. Поскольку многие мультигенные семейства содержат гены, продукты которых образуются в больших количествах, так что их легко выделить и подвергнуть исследованию, эти семейства уже оказали большую помощь в изучении генных переключений.

Наше определение мультигенного семейства несколько отличается от определения, данного Худом (Hood) и его соавторами. Мультигенное семейство - это группа генов, близкогомологичных по своим нуклеотидным последовательностям и обладающим близкими или перекрывающимися фенотипическими функциями. Число генов в семействе может варьировать от нескольких копий, как в случае глобинов, до нескольких сот копий, как в случае гистонов и структурных РНК. Множественность и другие характеристики хорошо изученных мультигенных семейств представлены в табл. 10-4.

Таблица 10-4. Некоторые мультигенные семейства 1)

Семейства 2) Продукт гена Число генов в семействе 3) Содержание информации на семейство Организация генов в геноме (см. рис. 10-3) 18 и 28S Рибосомные РНК 100-600 Повтор из двух генов Тандемный повтор 5S 5S-PHK 2000-24000 Повтор из одного гена '' '' тРНК тРНК 6-400 Повтор из одного гена (много семейств) '' '' Гистоновые Гистоны 10-1200 Повтор из 5 генов (несколько подсемейств) Кластеры из 5 разных генов, тандемно повторяющиеся n раз V- и С-области антител Антитела Сотни Очень большое Тандемные повторы, подверженные перераспределениям Гемоглобиновые α-Глобины 1-3 1-3 близких гена Тандемные группы близких генов β-Глобины 2-7 2-7 близких генов '' '' Тубулиновые α-Тубулины 3-5 (у некоторых организмов возможно 10 или более) 3-5 близких генов Близкие гены сгруппированы или рассеяны β-Тубулины То же '' '' '' '' Актиновые Актины 5-20 5-20 близких генов Близкие гены образуют тандемные группы или рассеяны Белков хориона Белки, содержащиеся в хорионе насекомых 20-200 Группы близких генов в близких подсемействах По крайней мере три соседствующих кластера генов Овальбуминовые Альбумин, содержащийся в яйце птиц, и два близких генных продукта 3 3 близких гена Тандемные группы близких генов Кератиновые Кератины ≥6 Несколько близких генов ? Цитохрома с Цитохром с 2 2 близких гена ? Вителлогенина Белки яичного желтка ≥4 4 группы близких генов ? Химотрипсина Химотрипсины А и В 2 2 близких гена ? Гаптоглобина Гаптоглобин α 2 2 близких гена ? Кристаллиновые α-, β- и γ-кристаллины хрусталика > 10 Группы близких генов в подсемействах ? Фибриногена Фибриноген 3 3 не очень близких гена Препроинсулина Предшественники инсулина 2  2 близких гена ? Амилазные Амилазы 5 5 близких генов ?

1) Представленные в этой таблице данные взяты из следующих работ: Bloemandal (1977), Brown et al, 1977; Brown and Dawid, 1968; Chambon et al., 1979; Childs et al., 1979; Cleveland et al., 1980; Cohen et al., 1976; Efstratiadis et al., 1979; Fuchs and Green, 1978; Goldsmith and Basehoar, 1978; Goldsmith and Clermont-Rattner, 1979; Hardison et al., 1979; Hennig, 1975; Hood et al., 1975; Jones et al., 1979; Kemphues et al., 1979, 1980; Kindle and Firtel, 1978; Kitchen, 1974; Kitchen and Brett, 1974; Lacy et al., 1979; MacDonald et al., 1980; Newrock et al., 1977; Raff et al., 1982; Schaffner et al., 1978; Scheller et al., 1981; Schuler and Keller, 1981; Sim et al., 1979; Wahli et al, 1979; Wood et al, 1977.

2) Неоднозначность числа генов, входящих в данное семейство, обусловлена филогенетическими различиями, и ее не следует расценивать как неопределенность данных. Так, например, у млекопитающих главный кластер гистоновых генов содержит 10 копий, а у морских ежей - до 1200. Поэтому в графе указано 10-1200.