ОНТОГЕНЕЗ, 2007, том 38, № 2, с. 136-158
МОРФОГЕНЕЗ, ДИФФЕРЕНЦИРОВКА, ЭВОЛЮЦИЯ
УДК 591
РОЛЬ ПАРАГЕНОМА В РАЗВИТИИ ОРГАНИЗМОВ1
© 2007 г. А. М. Оловников
Институт биохимической физики РАН 125319 Москва, ул. Черняховского, д. 5-94 E-mail: olovnikov@dol.ru Поступила в редакцию 26.10.06 г.
Рассматривается представление о парагеноме как о транзиторном наборе коротких молекул ДНК, появляющихся на поверхности хромосом в ходе индивидуального развития для управления геномом. В состав парагенома входят принтомеры, хрономеры и филомеры. Хрономеры и принтомеры об-лигатны для клеток определенных дифференцировок, но разные по дифференцировке клетки отличаются наборами этих органелл. Филомеры факультативны, поскольку возникают только при формировании модификаций развития. Парагеном - это система, управляющая конфигурацией хроматина и уровнем экспрессии структурных генов, обеспечивающая интерпретацию клетками их позиционной информации и дифференцировку в регуляторном морфогенезе, а также контролирующая развитие организма во времени. Расшифровка парагенома позволит в будущем осуществлять прямое репрограммирование соматических клеточных ядер без привлечения стволовых клеток и без использования яйцеклеток.
Ключевые слова: морфогенез, парагеном, принтомеры, хрономеры, эволюция.
Морфогенетическое поле - одна из наиболее фундаментальных концепций эмбриологии (Jaeger, Reinitz, 2006), но динамически протекающие в таких полях регуляторные события - едва ли не самая большая нераскрытая тайна биологии развития. В 1891 г. Дриш открыл явление эмбриональных регуляций, под которым, как известно, понимают восстановление полноценной, нормально организованной структуры организма, несмотря на удаление, добавление или перемешивание некоторых клеток зародыша; позднее оказалось, что регуляции дришевского типа буквально пронизывают весь онтогенез и они возможны лишь при наличии мульти(тоти)потентности клеток, вовлеченных в процесс (Белоусов, 2005). Дриш первым понял то, что Вольперт позже точно обозначил термином "позиционная информация" (Wolpert, 1996). Согласно этой концепции, клетки, компетентные к восприятию инициирующего сигнала (индуктор дифференцировки, мор-фоген), специализируются, ориентируясь (с помощью неизвестного механизма): а) на концентрацию морфогенетически активного фактора (морфогена) в данной точке зародыша, б) на соотношение концентраций нескольких морфоге-нов или, наконец, в) на продолжительность действия морфогена на клетку (Wolpert, 2002). Один и тот же морфоген может играть неодинаковую роль у разных видов, в различных местах и на раз-
1 Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проект < 04-04-49600).
ных стадиях развития одного вида (Tsikolia, 2006). Согласно "концентрационной модели", близкой к концепции позиционной информации, не только само возникновение зачатков, но и их взаимное расположение в пространстве находится под контролем градиентов концентрации индукционных факторов, оси распространения которых создают систему координат. В ее рамках неслучайным образом располагаются осевые зачатки органов. Клеточные миграции способствуют перемещениям мишеней и источников морфогенов относительно друг друга, причем форма взаимодействующих клеточных групп меняется, создавая локальные и дальнедистантные натяжения и релаксации. Как в этих условиях воздействия индукторов на клетки-мишени могут быть ими поняты и устойчиво запомнены? На этот вопрос общепринятого ответа нет до сих пор. Как клетки интерпретируют свою позицию на оси концентрационного градиента индуктора и как "запоминают" приобретенное в той или иной позиции новое состояние - на этот вопрос я пытаюсь дать свой ответ в предлагаемой работе. Но этим она не ограничивается. Здесь развивается также представление о парагеноме как некоей сущности, не менее важной для эукариот, чем их геном. Пара-геном играет роль как в индивидуальном развитии, так и в событиях, имеющих отношение к адаптациям и филогенезу.
Несмотря на расшифровку генома, где в линейной форме закодировано развитие организма,
и несмотря на успехи в изучении механического контроля тканевого морфогенеза, мы все еще не понимаем (1^Ьег, 2006), за счет чего эмбриональные ткани и органы формируются как оптимально спланированные трехмерные формы.
Не решена и другая задача биологии развития -до конца не понят механизм клеточной памяти о достигнутом состоянии клеточной дифференци-ровки (обычная ссылка на метилирование и другие эпигенетические эффекты представляется недостаточной). Решение этой задачи упирается в проблему "регуляции регуляторов": если диффе-ренцировку поддерживает некий регулятор, то нужен второй регулятор, следящий за первым, -третий, следящий за вторым, и т.д. Нет общепринятого ответа и на вопрос, как осуществляется строгий контроль за своевременностью развития и предотвращением, например, слишком раннего полового созревания и старения (проблема темпорального контроля в биологии развития). Трудности, связанные с неясностями в понимании событий индивидуального развития, накладывают свое влияние и на область, пограничную с биологией развития и в значительной мере от нее зависящую, - речь, конечно, об эволюционной биологии. Предлагаемые заметки по этим вопросам объединяет общая идея, которую можно сформулировать так: текущие представления о геноме как единственной информотеке и единственной оперативной памяти организма принципиально неполны - не хватает одного важнейшего элемента, который может быть обозначен как пара-геном.
ЧТО ТАКОЕ ПАРАГЕНОМ, КАК ОН
СОЗДАЕТСЯ И ПОЧЕМУ ВАЖЕН ДЛЯ МОРФОГЕНЕЗА
Парагеном - это совокупность содержащих гены ядерных органелл, которые в ходе нормального индивидуального развития образуются при дифференцировках в виде копий, вынесенных за пределы нуклеотидной последовательности хромосомной ДНК, но оставляемых прикрепленными к хромосоме (в этом их отличие от экстрахромосомной ДНК). Эти амплификаты - латеральные, т.е. они расположены бок о бок с хромосомной ДНК, чем отличаются от тандем-ных повторов в самой хромосомной ДНК. Гипотетические компоненты парагенома представлены особыми ядерными органеллами. В их число входят принтомеры и хрономеры. Родовое название для них - редумеры, оно просто отражает способность принтомер и хрономер уменьшаться в длину в результате концевого недокопирования, что подробно рассмотрено ранее (Оловников, 1999, 2003, 2005; О1оут^, 2004-2006).
Помимо названных органелл, облигатных для многих событий морфогенеза, в состав парагено-
ма входит, но уже как факультативный элемент, еще один вариант постулируемых ядерных органелл - филомеры или, иначе, адаптены. Филоме-ры - это органеллы, которые в отличие от принтомер и хрономер создаются в половых клетках в экстремальных для развития организма условиях и играют роль транзиторных органелл, помогающих в адаптации.
Парагеном - это вся перихромосомная ДНК, отличающаяся от хромосомной ДНК, т.е. от ядерного генома, двумя основными свойствами - тран-зиторностью и способностью осуществлять контроль над хромосомными генами, участвующими в дифференцировках. Хотя перихромосомная ДНК представлена копиями определенных сегментов генома, тем не менее именно на нее возложены многие ключевые регуляторные функции в работе клетки и в функционировании самого ядерного генома. В какой-то мере, если использовать известный афоризм, хвост действительно виляет собакой, ибо именно парагеном в значительной мере управляет работой генома.
Весь парагеном создается через обратную транскрипцию хромосомных оригиналов (в совокупности эти оригиналы представляют собой хромосомный "протопарагеном"). Поэтому пара-геном проходит через стадию, так сказать, квази-экстрахромосомной ДНК. Однако возникающие продукты, а именно комплексы РНК-ДНК, а затем и двухспиральная ДНК, не покидают место своего возникновения и заякориваются непосредственно над своим хромосомным оригиналом. В противном случае каждому продукту обратной транскрипции пришлось бы искать свой оригинал по всему ядру, что резко снизило бы результативность процесса создания парагеномных структур. Для того чтобы избежать такого осложнения, согласно излагаемой гипотезе, клетками используется следующий простой прием, работающий при создании всех молекул перихромосомной ДНК. Молекулы обратной транскриптазы (вероятно, в комплексе со вспомогательными белками) перед созданием очередной молекулы перихромосомной ДНК иммобилизуются на поверхности хромосомы над соответствующим хромосомным оригиналом - это обеспечивается белками гете-рохроматина в клетке, компетентной к соответствующей дифференцировке или детерминации. Поэтому на молекуле обратной транскриптазы должен быть найден домен, участвующий в процессе временного привязывания самого фермента (или его комплекса с другим фактором) к гете-рохроматину. Выбор конкретного сегмента в хромосоме при этом определяется, конечно, не обратной транскриптазой, а теми факторами клетки, которые отвечают за состояние ее компетентности (т.е. за ее готовность произвести строго определенную дифференцировку в случае прихода соответствующего индуктора). Последо-
вательное транзиторное (преходящее, временное) связывание молекул указанного фермента с разными сегментами хромосом несопоставимо проще осуществить по сравнению с поисками молекулами ДНК их хромосомных гнезд, соответствующих расположению хромосомных оригиналов, с которых были сняты копии.
Парагеном - это обобщающее понятие для всех вариантов предполагаемой перихромосом-ной двухспиральной ДНК, к которой гипотетически относятся расположенные в собственных хромосомных гнездах (на поверхности хромосом) относительно небольшие (предположительно от 1 до 10-15 т. п. н.) линейные молекулы ДНК, т.е. упомянутые принтомеры, хрономеры, филоме-ры, а также некоторые другие ДНК-содержащие элементы ядра, удерживающиеся на хромосомах.
По набору своих генов парагеномы клеток одинаковой дифференцировки идентичны, тогда как клетки разных дифференцировок отличаются парагеномами. Другими словами, клетки одного организма, имея одинаковый геном, могут иметь неодинаковые парагеномы. Задача пара
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.