Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

Рис. 10-4. Распределение генов α- и β-подобных глобинов человека. На шкале указана длина хромосомной ДНК в килобазах. Глобиновые гены изображены в виде прямоугольников. Черные поперечные полосы соответствуют кодирующим последовательностям, а белые участки-нитронам. Псевдогены (ψ) изображены в виде чисто белых прямоугольников. Транскрипция в направлении 5'–>3' идет слева направо (Efstratiadis, 1980).

Функциональная молекула гемоглобина - это тетрамер, состоящий из двух субъединиц α-типа и двух субъединиц β-типа, т.е. α2β2. У человека имеется 7 образующих кластер генов глобинов β-типа, расположенных так, как это показано на рис. 10-4. Два из них кодируют Aγ- и Gγ-цепи, обнаруженные в фетальном гемоглобине α2γ2; два гена, δ и β, кодируют цепи, экспрессируемые после рождения ребенка в преобладающих (α2β2) и минорных (α2δ2) видах гемоглобина. У человека имеется также другой глобин β-типа ε и глобин α-типа - ζ, которые экспрессируются только в эмбриональном гемоглобине ζ2ε2. Два других члена β-семейства, ψβ1 и ψβ2, - неэкспрессирующиеся псевдогены. Расписание переключения синтеза с одного глобина на другой в процессе развития человека показывает изменение времени экспрессии генов глобина и мест, в которых они экспрессируются.

На ранних стадиях зародышевого развития ζ-и ε-цепи синтезируются содержащими ядро мегалобластами, образующимися в желточном мешке. Этот синтез быстро снижается и на шестой неделе развития заменяется синтезом другого типа, в котором безъядерные эритроциты, происходящие из стволовых клеток печени и селезенки, синтезируют α- и γ-глобиновые цепи, характерные для плода. На поздних стадиях развития плода костный мозг становится главным местом синтеза глобинов. Вскоре после рождения происходит вторичное переключение глобинового синтеза и переход к синтезу гемоглобина взрослого типа (adult). У этого переключения есть одна очень существенная особенность: переход от одного типа синтеза к другому связан с генной регуляцией в отдельных стволовых клетках, а не просто с заменой стволовых клеток, продуцирующих γ-глобин, на стволовые клетки, продуцирующие β-глобин, потому что во время переключения отдельные эритроциты вырабатывают как γ-, так и β-глобиновые цепи.

Переключение глобиновых генов - общее правило для всех позвоночных, однако типы переключения удивительно разнообразны даже среди млекопитающих. У человека имеются хорошо различимые эмбриональные, фетальные глобины и глобины взрослого типа. Фетальный гемоглобин обладает более высоким сродством к кислороду, чем материнский гемоглобин, что облегчает перенос кислорода через плаценту к плоду. Однако, как показано в табл. 10-5, не у всех млекопитающих имеются ясно выраженные фетальные гемоглобины. У грызунов, хищных и лошадей, например, на стадии плода происходит прямой переход от синтеза эмбриональных глобинов к глобинам взрослого типа. В этих случаях сродство к кислороду гемоглобина взрослого типа, находящегося в эритроцитах плода, по-видимому, как-то модулируется содержащимися в цитоплазме малыми молекулами, так что кровь плода обладает более высоким сродством к кислороду, чем материнская кровь.

Организация генов β-глобинов может быть очень сходной даже у организмов, у которых обнаружены существенные различия в типах переключения. Как видно из табл. 10-5, у кроликов синтезируются эмбриональные β-подобные глобины, называемые ε(Υ) и ε(Ζ), но у них нет фетального β-глобина, эквивалентного γ-цепям человека. Вместо этого плод синтезирует β-цепи взрослого типа. Лейси (Lacy) и ее сотрудники, а также Хардисон и др. (Hardison et al.) установили, что гены β-глобина у кролика образуют кластер, очень сходный с кластерами, имеющимися у человека, и что в процессе развития происходит переключение отдельных генов этого кластера. Два гена, соответствующие по своему местоположению γ-генам в кластере β-генов человека, показанном на рис. 10-4, экспрессируются у зародыша, вероятно для того, чтобы продуцировать ε-цепи. Ген, соответствующий по своему положению δ-гену человека, по-видимому, не экспрессируется ни на одной стадии развития, а ген, соответствующий гену β-глобина взрослого человека, выполняет ту же функцию у кролика.

Таблица 10-5. Переключения генов гемоглобина у некоторых млекопитающих

(по данным Hardison et al., 1979; Kitchen, 1974; Kitchen, Brett, 1974)

Стадия развития Кролик Овца Лошадь Медвежий макак Человек Зародыш λ2ε(у)2 α2ε2 Sα2ε2 Отсутствуют ζ2ε2 χ2ε(z)2   Fα2ε2 Плод Отсутствуют α2γ2 Отсутствуют α12γ α2Aγ2 α22γ α2Gγ2 Взрослая особь α2β2 α2β2 Sα2β2 1α2β2  α2β2 Fα2β2 2α2β2 α2δ2

Глобины иллюстрируют роль переключения в экспрессировании последовательного ряда генов, непосредственно участвующих в метаболических функциях; существуют, однако, и более сложные системы мультигенов, продукты которых непосредственно участвуют в экспрессии генов или в морфогенезе. В некоторые из таких семейств входит большое число генов, экспрессия которых регулируется в ходе развития.

Гистоновые гены, лучше всего изученные у морских ежей, хорошо иллюстрируют адаптацию, состоящую в использовании мультигенных семейств для обеспечения как синтеза больших количеств белка, необходимых на ранних стадиях развития, так и переключений, необходимых для последовательной экспрессии генов ряда близких белков. В процессе дробления число ядер, а тем самым и содержащихся в них хромосом, быстро растет, увеличиваясь вдвое за каждые 10-20 мин. Гистоны, необходимые для обеспечения сборки хромосом во время быстрого дробления, могут поступать либо из белков, запасенных в яйце, как это показали Вудленд и Адамсон (Woodland, Adamson) на лягушке Xenopus, либо за счет усиленного синтеза гистонов в дробящемся зародыше, как установили Кедес (Kedes) и его сотрудники для морских ежей. Количество гистоновых генов, необходимых для этих двух стратегий, различно. В яйце лягушки гистоны медленно накапливаются в течение нескольких недель или месяцев оогенеза, тогда как в зародыше морского ежа они синтезируются за несколько часов. Яйцо морского ежа содержит лишь около 25% гистоновой мРНК, необходимой для синтеза гистонов при дроблении; остальная мРНК транскрибируется в процессе дробления. Вследствие этого главное семейство гистоновых генов представлено у морского ежа гораздо большим числом копий, чем у лягушки (или у человека). У морских ежей число копий этих генов колеблется от 300 до 1200, тогда как у Xenopus и у человека, по данным Бирнстила и др. (Birnstiel) и Вилсона (Wilson) и его сотрудников, их всего 10-20.

Как установлено, у морских ежей гистоновый синтез регулируется сложным комплексом переключений, что приводит как к временным, так и к тканеспецифичным изменениям. Ньюрок (Newrock) и его сотрудники описали во всех подробностях сложную последовательность этих изменений, впервые обнаруженных Рудерманом и Гроссом (Ruderman, Gross). Из пяти главных гистонов морских ежей три (H1, H2A и Н2В) представлены на ранних стадиях дробления специфичными для этих стадий подтипами, образующимися в результате кратковременного синтеза. Далее происходит синтез гистонов других подтипов, специфичных для отдельных стадий и последовательно сменяющих друг друга, как это показано на рис. 10-5. Подтипы каждого гистона, специфичные для дробления, сменяются в процессе дробления подтипами α-гистонов, а затем на стадии бластулы β-, γ- и другими подтипами. Эксперименты Ньюрока и его сотрудников, Кункеля и Вейнберга (Kunkel, Weinberg) и Чайлдса и др. (Childs et al.) показывают, что замены гистоновых белков происходят в результате постепенных и последовательных изменений в синтезе гистоновой мРНК. Каждый подтип - продукт отдельного гена, относящегося к тому же семейству, что и гены, кодирующие другие подтипы. Замена гистонов одного подтипа гистонами другого подтипа приводит к изменению белкового состава хромосом по мере развития. Такие изменения могут привести к «ремоделированию» хроматина, что имеет потенциально важное значение для дифференцировки клеток зародыша.