научная статья по теме КОМПЛЕКС BITHORAX DROSOPHILA MELANOGASTER КАК МОДЕЛЬ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ СПЕЦИФИЧНЫХ ДИСТАНЦИОННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ МЕЖДУ ЭНХАНСЕРАМИ И ПРОМОТОРАМИ Биология

Текст научной статьи на тему «КОМПЛЕКС BITHORAX DROSOPHILA MELANOGASTER КАК МОДЕЛЬ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ СПЕЦИФИЧНЫХ ДИСТАНЦИОННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ МЕЖДУ ЭНХАНСЕРАМИ И ПРОМОТОРАМИ»

ГЕНЕТИКА, 2015, том 51, № 5, с. 529-538

ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ

УДК 575.22:595.773.4

КОМПЛЕКС bithorax Drosophila melanogaster КАК МОДЕЛЬ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ СПЕЦИФИЧНЫХ ДИСТАНЦИОННЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ МЕЖДУ ЭНХАНСЕРАМИ И ПРОМОТОРАМИ

© 2015 г. О. В. Кырчанова, П. Г. Георгиев

Институт биологии гена Российской академии наук, Москва 119334 e-mail: georgievj@mail.ru Поступила в редакцию 19.11.2014 г.

У высших эукариот регуляция экспрессии генов, отвечающих за развитие организма, является сложным процессом. Часто один ген может регулироваться в разных клетках и временных промежутках с помощью десятков энхансеров и промоторов. В последнее время стало понятным, что эн-хансеры непосредственно взаимодействуют с регулируемыми ими промоторами, при этом хроматин, расположенный между ними, выпетливается. Однако механизмы, которые обеспечивают специфичность дистанционных взаимодействий между энхансерами и промоторами, остаются непонятыми. Одной из наиболее удобных моделей для исследования дистанционных взаимодействий между регуляторными элементами является bithorax-комплекс (ВХ-С) Drosophila melanogaster. В настоящем обзоре дается описание регуляции экспрессии гомеозисных генов ВХ-С и обсуждаются существующие модели, которые объясняют специфичность дистанционных взаимодействий между энхансерами и промоторами генов этого локуса.

DOI: 10.7868/S0016675815050033

Для генома высших эукариот характерно, что энхансер и регулируемый им промотор гена могут находиться друга от друга на расстояниях, достигающих сотен тысяч пар нуклеотидов [1]. Часто между взаимодействующей парой энхансер-про-мотор находятся другие активно транскрибирующиеся гены. Исследования архитектуры хроматина последних лет подтвердили, что между актива-торными белками, собранными на энхансере, и преинициаторным комплексом на промоторе происходят прямые взаимодействия с выпетлива-нием участка ДНК, расположенного между ними [2, 3]. Однако механизмы, которые обеспечивают специфичные взаимодействия между энхансерами и промоторами на больших дистанциях, до сих пор остаются неизвестными [4].

Одной из наиболее удобных моделей для изучения энхансер-промоторных взаимодействий является комплекс ЬШогах (ВХ-С) Drosophila те1-anogaster, который состоит из трех гомеозисных генов: ШШЬШогах (иЬх), аЪйотта1-Л (abd-A) и АЪйотта1-Б (ЛЬd-B) [5]. Уровень экспрессии этих гомеозисных генов определяет формирование третьего грудного и всех брюшных сегментов дрозофилы. Регуляторная область ВХ-С занимает более 300 тпн и представляет собой девять цис-регу-ляторных доменов, каждый из которых содержит несколько энхансеров, ответственных за зональную экспрессию одного из трех гомеозисных генов на определенном заданном уровне. Регуля-торные домены изолированы друг от друга грани-

цами, обладающими свойствами инсуляторов [6— 10]. Кроме того, в каждом регуляторном домене присутствуют несколько сайленсеров, которые привлекают на хроматин комплексы белков группы Ро1усошЪ (Рс) [11, 12]. В результате функциональной кооперации таких разных регуляторных элементов, как энхансеры, сайленсеры и инсуля-торы, происходит тонкая и эффективная регуляция гомеозисных генов ВХ-С. В настоящем обзоре обсуждаются модели, объясняющие каким образом происходят специфичные дистанционные взаимодействия между регуляторными доменами и промоторами гомеозисных генов.

ОСОБЕННОСТИ РЕГУЛЯТОРНОЙ ОБЛАСТИ ВХ-С

Тело дрозофилы, как и всех насекомых, разделено на сегменты, имеющие определенные морфологические отличия [13]. Видимая сегментация взрослого насекомого не соответствует сегментации на стадии эмбриона. Сегменты, которые закладываются на эмбриональной стадии, принято называть парасегментами (ПС). В ходе раннего развития эмбриона происходит закладка 14 ПС, которым соответствуют анатомические структуры личинки. В процессе превращения личинки в имаго происходят срастание и объединение ПС. Таким образом, при формировании сегментов границы ПС смещаются приблизительно на одну треть. В результате из одного ПС развива-

Рис. 1. Соответствие между уровнем экспрессии генов ВХ-С и определением качественных характеристик сегментов. Сверху показана схема строения тела самца дрозофилы. Сегменты, контролируемые генами ВХ-С, выделены разными оттенками серого цвета, соответствующими цвету г'аЪ-домена, который отвечает за их развитие. В центре показан порядок расположения сегментов и соответствующих им парасегментов. Внизу приведена схема расположения генов и гОЬ-доменов ВХ-С на протяжении третьей хромосомы. Уровень экспрессии каждого из генов ВХ-С в соответствующем парасегменте показан с помощью оттенков серого цвета (чем насыщеннее цвет, тем выше уровень экспрессии). Видно, что для каждого парасегмента характерно строго определенное количественное сочетание продуктов этих генов.

Сегменты

Т1 Т2 Т3 А1 А2 | A3 | А4

nClJnC2jnC3jnC4jnC5jnC6jnC7jnC8][nC9

Парасегменты Гены BX-C

Хромосомные домены

Ubx

360

"200

abd-A \ \

- Abd-B

' A BC g

............... 1 Г 1 1 VI к ..............

Mil

Уровень экспрессии

Ubx abd-A Abd-B

b. . Л

ются две части разных сегментов; например, из ПС8 развивается задняя часть 2-го и передняя часть 3-го абдоминальных сегментов (рис. 1).

Закладка ПС зависит от каскада преобразований, начиная с позиционной информации, обусловленной продуктами генов с материнским эффектом, которые формируют градиенты и локальное распределение транскрипционных факторов (ТФ) вдоль продольной оси яйцеклетки [14]. Эта позиционная информация определяет экспрессию генов группы gap в ранних эмбрионах, к которым относятся hunchback (hb), Kruppel (Кг), knisps (kni) и giant (gt). Различные комбинации уровня экспрессии gap-генов закладывают в эмбрионе 14 неперекрывающихся пространственных доменов, соответствующих парасегментам [14, 15]. Материнские и gap-гены определяют экспрессию большой группы pair-rule генов (paired (prd), even-skipped (eve), fushi tarazu (ftz) и др.), подразделяющих эмбрион на повторяющиеся домены шириной по два парасегмента. Далее запускается третий класс генов сегментации — это гены группы segment-polarity, которые активны в каждом сегменте (engrailed (en), hedgehog (hh), wingless (wg)

и др.) и формируют градиенты ТФ внутри каждого парасегмента. Таким образом, в каждом ПС формируется уникальная комбинация транскрипционных факторов, формирующих позиционный сигнал, который определяет активность гомеозисных генов [5, 16].

Выделяют два комплекса гомеозисных генов. Комплекс АП;еппареё1а контролирует развитие ПС1—ПС4, из которых формируются структуры головы, первого грудного сегмента (Т1) и переднего компартмента второго грудного сегмента (Т2) [17]. ЪМогах-комплекс (ВХ-С) представляет собой кластер из трех гомеозисных генов на правом плече третьей хромосомы: иЬх, аЪй-А и АЪй-В, отвечающих за формирование специфичных признаков третьего грудного (Т3) и всех брюшных сегментов дрозофилы (А1—А9) [5, 18, 19]. иЪх экспрессируется в ПС5—ПС12 и определяет особенности Т3 и А1. Ген аЪй-А активен в ПС7—12 и обусловливает специфичность трех брюшных сегментов А2, А3 и А4. Экспрессия АЪй-В в ПС10—14 и приводит к формированию остальных брюшных сегментов, начиная с А5, гениталий и анальных органов [16]. Уровень экспрессии генов

ВХ-С, градиентно возрастающий в каждом последующем сегменте (рис. 1), имеет определяющее значение в детерминации ПС. Сочетание строго определенных количеств белковых продуктов трех гомеозисных генов в каждом из девяти сегментов определяет экспрессию генов, которые формируют специфичность ПС [20].

Регуляторный район ВХ-С делится на девять доменов, мутации в которых нарушают специфичность развития соответствующего сегмента. Было показано, что регуляторные домены расположены на хромосоме в том же порядке, что и сегменты, за специфичность которых они отвечают [18, 21—23]. Домены, контролирующие ген иЬх и отвечающие за развитие ПС5 и ПС6, были названы аЬх/Ьх и Ьxd/pЬx соответственно. Остальные регуляторные домены, отвечающие за развитие брюшных сегментов, получили название т/гааЬ-dominal (аЬ) [18, 19]. Соответственно iaЬ-2, iaЬ-3 и iaЬ-4 контролируют уровень экспрессии гена aЬd-Л и отвечают за специфичность формирования ПС7—9.

Ген ЛЬd-B имеет несколько альтернативных промоторов, но за морфологические особенности сегментов А5—А8 отвечает короткий транскрипт класса А с промотораЛЬd-Bm, активность которого регулируется iaЬ-5, iaЬ-6, iaЬ-7и iaЬ-8доменами [5, 16]. В ПС13 происходит инактивация генов aЬd-Л и иЬх (рис. 1). В этом ПС был обнаружен транскрипт, который инициируется в iaЬ-8 домене и заканчивается в районе промотора гена aЬd-Л [24]. Репрессия гена aЬd-Л объясняется кооперативным действием двух механизмов. Во-первых, при расщеплении iaЬ-8 РНК образуется микроРНК, мишенью которой является aЬd-Л. Также предполагается, что транскрипция из iaЬ-8 непосредственно интерферирует с активностью промотора aЬd-Л. В ПС14 (рис. 1) происходит стимуляция других промоторов гена ЛЬd-B (В, С и у), с формированием регуляторных транскриптов [5]. Эти транскрипты подавляют транскрипцию иЬх, aЬd-Л и в том числе ЛЬd-Bm в ПС14.

Генетический анализ мутаций ВХ-С показал преимущество дистальных регуляторных доменов по отношению к проксимальным, т.е. деле-ция любого из регуляторных доменов ВХ-С ведет к трансформации соответствующего парасегмен-та в копию предыдущего [6]. Например, iaЬ-5 активирует ЛЬd-B в ПС10. Делеция iaЬ-5 приводит к тому, что ген ЛЬd-B перестает активироваться в ПС10, при этом iaЬ-4, активируя aЬd-Л в данном сегменте, приводит к трансформации ПС10 в копию ПС9, и у взрослой мухи сегмент А5 трансформируется в копию А4.

Все регуляторные домены ВХ-С устроены сходным образом [5, 16, 25]. В каждом домене был найден ПС-специфичный центральный элемент, названный "инициатор", отвечающий за распо-

знавание позиционного сигнала. Делеция инициатора приводит к инактивации регуляторного домена [26, 27]. Включение инициатора происходит только при определенной комбинации ТФ, относящихся к gap, pair-rule и segment-polarity группам, которые имеют сайты посадки на последовательностях иниц

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком