Вольф Кицес (wolf_kitses) wrote,
Вольф Кицес
wolf_kitses

Category:

гены, диабет и генные сети

«Я когда-то писал, чем не нравится выражение «гены шизофрении» (диабета, алкоголизма и других состояний или форм поведения, в которых есть значимая наследственная компонента). Гены в онтогенезе в отношении к признакам, продуцируемым в ходе этого онтогенеза – это как рабочие на конвейере, собирающие машины, заменимые, контролируемые и подгоняемые, но никак не часть этой машины, и не нечто вроде средневековых ремесленников, делающих своё изделие самостоятельно. См. про диабет в книге Грега Гибсона «Во всём виноват  геном»
1-2-3-4-5-5a-6-7-8-9-10
Несмотря на попсовое название, книга хорошая, очень понятно описано, как «повреждения» в сети межгенных взаимодействий, взаимодействуя с образом жизни и пр. факторами среды, дают или не дают болезнь + рассказано, в чём прокалывается гипотеза «экономных фенотипов», описанная в статье С.А.Боринской.
То есть гены, влияющие на нашу уязвимость к диабету, не "делают" диабет, а лишь обеспечивают "тонкое место", которое порвётся или нет, зависит от среды (в основном) и/или работы других генов (немного), совместно работающих в рамках генной сети, поддерживающей данный участок метаболизма, и вместе контролируемых организмом:
Генные сети – это функциональные  группы координированно  экспрессирующихся генов, своего рода «морфструктуры на уровне генотипа» (в том числе потому, что иерархически организованы, и управляются сверху, от организма как целого).
«Любая генная сеть (ГС) имеет:
1) группу генов («ядро»), обеспечивающую выполнение ее функций;
2) центральные регуляторы –  транскрипционные факторы, организующие гены «ядра» в координированно экспрессирующиеся  кассеты  генов при  взаимодействии  с общими  сайтами  связывания их регуляторных районов;
3) рецепторы, запускающие работу ГС в ответ на внешние сигналы; 4) пути передачи сигналов с рецепторов ГС на ее центральные регуляторы.
Часть продуктов генов «ядра» ГС также играют роль сигналов, взаимодействуя с рецепторами как собственной ГС, так и других генных сетей и формируя регуляторные контуры с положительными и отрицательными обратными связями (Колчанов и др., 2000).
Режим функционирования ГС определяют: (а)  наборы молекул-регуляторов  и (б)  набор генов «ядра»  сети, (в)  граф  сети –  структура связей между ее компонентами, (г) состояние критических параметров внешней и внутренней среды и (д) начальное состояние переменных генной  сети. Таким  образом,  в  генных  сетях можно  выделить  три  иерархических  информационных  уровня: функциональный (а и б), чьи  закономерности  связаны  с  конкретными молекулярными механизмами взаимодействия молекул; структурный (в); и параметрический (г и д) (Колчанов и др., 2000; Лихошвай, Колчанов, 2008).
Морфологические  признаки,  представляя законченный результат онтогенетического процесса,  хорошо  визуализуются. Визуализация генных сетей менее очевидна – в разное время один и тот же ген может участвовать в разных кассетах или в разных генных сетях, изменения начальных  параметров меняют  режим функционирования  генных  сетей. Таким  образом, фенотипическим  гомологическим  рядам  логичнее сопоставлять не сами генные сети, а их состояния в тот или иной момент онтогенеза.
Состояние  генной  сети –  своего  рода  ее моментальный  снимок – можно  оценить  по микрочиповым профилям  коэкспрессии. Паттерны коэкспрессии, консервативные в пределах цветковых растений, образуют, например, гены, входящие в  генную сеть формирования цветка (рис. 4, а). В пределах таксона Metazoa консервативно коэкспрессируются гены, входящие в генные сети циркадного ритма (рис. 4, б) или Hh-каскада (рис. 4,  в). У прокариот  консервативно коэкспресссируются гены базовых генетических процессов и  основных метаболических путей (Teichmann, Babu, 2002, 2004).
Для консервативных модулей коэкспрессии был предложен термин «регулог» (regulog). Регулоги были обнаружены как у про-, так и у эукариот. См. рисунок 4.
rg1
rg2
rg3
Рисунок 4. Примеры трех генных сетей, гены которых формируют консервативные паттерны коэкспрессии у разных таксонов – регулоги: а – генная сеть Hh-каскада (по: Nybakken, Perrimon, 2002); б – генная сеть циркадного ритма (по: Badiu, 2003); в – генная сеть морфогенеза цветка (по: Honma, Goto, 2001; Theissen, Saedler, 2001).

У прокариот гены, входящие в регулог, часто сохраняют свое взаиморасположение и положение на кольцевой хромосоме, что связано с оперонной структурой генома прокариот (Teichmann, Babu, 2002; Захаров-Гезехус, 2008). У эукариот в ряде случаев отмечена связь регулогов и определенных районов хромосом (Lindsay et al., 1999; Paterson et al., 2000; Taddei et al., 2001; Teichmann, Babu, 2002; Pauli et al., 2006).
…Паттерны коэкспрессии можно разделить на три типа:
1. Генным сетям базовых процессов «домашнего  хозяйства»  соответствуют паттерны с высококонсервативным составом и коэкспрессией ортологов, а также с высокосвязным графом ГС;
2. Паттерны, в которых состав ортологов варьировал при переходе от дрожжей к многоклеточным (сети регуляции транскрипции, межклеточной коммуникации, а также сети сложных белковых комплексов – рибосомы, протеасомы), связаны с появлением новых функций;
3. Паттерны, в которых консервативность состава ортологов не соответствует консервативности коэкспрессии (нейрогенез),  связаны с дивергенцией функций в эволюции  (Chervitz et al., 1998; Peregrin-Alvarez et al., 2003; Stuart et al., 2003; Bergmann et al., 2004).
Три  типа  паттернов  коэкспрессии  заставляют  вспомнить  вавиловский  радикал [в законе гомологических рядов. В.К.]:  тип 1 соответствует левой части, тип 3 – правой части с неустойчивым (варьирующим) фенотипическим проявлением, тип 2 – признакам, которые невозможно  включить  в  радикал  на  данном таксономическом  уровне.  Замечательно,  что для генов с неизвестной функцией ассоциация с такими паттернами позволяет предсказывать функцию (Stuart et al., 2003; Huynen et al., 2004), что взаимодополнительно к  закону  гомологических рядов.
Для многоклеточных  эукариот функциональный паттерн коэкспрессии распадается на регулоги отдельных клеточных типов и стадий дифференцировки. Так, в общем регулоге, ответственном за сперматогенез, регулог, объединяющий  гены,  экспрессирующиеся  в  клетках Сертолли  и митотических  сперматогониях, выявляется  также  в  различных  соматических тканях (в частности, в него входят выше упоминавшиеся гены липидного транспорта). Отдельные  частично  перекрывающиеся регулоги можно  выявить для разных мейотических и постмейотических стадий созревания сперматозойда (Eddy, 2002; Сhalmel et al., 2007).
Нужно отметить, что у мейотических и постмейотических регулогов также отмечено минорное перекрывание  с  соматическими  регулогами (в частности мозг) и более широкое – с малигнизированными клетками (Schlecht, Primig, 2003; Сhalmel et al., 2007; Jacobs et al., 2007; Jacobs et al., 2008).
В  регулогах можно  выделить «ядро»,  содержащее  гомологичные  гены (как  ортологи, так и паралоги) и «шлейф» негомологичных видоспецифичных генов. Размеры «ядра» могут сильно варьировать по составу генов и/или по степени коэкспрессии (Bergmann et аl., 2004).
Так, «ядро» небольшой генной сети циркадного ритма у Metazoa (рис. 4, б) консервативно (Badiu, 2003) – мутации  в  гене казеинкиназы эпсилон I укорачивают циркадный ритм у дрозофилы, грызунов и человека, снижая уровень фосфорилирования белка PER (Vanselow et al., 2006). Мутации по другим казеинкиназам также сохраняют  гомологичность,  хотя  направленность нарушений (удлинение или укорочение циркадного  ритма)  в  разных  видах может не совпадать (Xu et al., 2005).
Размер «ядра» связан с эволюционной историей  регулога.  Так,  регулог  пролиферации клеток в глобальных генных сетях человека и дрозофилы имеет хорошо выраженное консервативное ядро. Напротив, регулог дифференциации  клеток распадается на перекрывающиеся стадиеспецифичные  регулоги,  варьирующие как по  составу  генов,  так и по  графу  взаимодействия между ними, что свидетельствует об их быстрой эволюции (Sharan et al., 2005; Xia et al., 2006). Анализ глобальных генных сетей показал, что наиболее консервативными являются  регулоги,  содержащие  гены,  продукты которых функционируют в составе мультимерных белковых комплексов (Sharan et al., 2005).
Менее  консервативными  оказались  регулоги генных сетей онтогенеза и дифференцировки. Напротив, генные сети метаболических путей оказались слабоконсервативными, так как содержали очень небольшое консервативное «ядро» с  генами  собственно метаболизма и большой варьирующий шлейф регуляторной компоненты (Teichmann, Babu, 2002; Bergmann et al., 2004).
Анализ регулогов показал, что среди транскрипционных факторов сравнительно немного как  строго  тканеспецифичных,  так  и функционирующих  на  всех  стадиях  онтогенеза. Большинство  транскрипционных факторов участвуют в нескольких процессах и экспрессируются на нескольких  стадиях онтогенеза (рис. 6) (Teichmann, Babu, 2002; Luscombe et al., 2004; Сhalmel et al., 2007; Jacobs et al., 2008).
Устойчивость регуляторных модулей  в эволюции
Регулоги  имеют  иерархическое  строение, собираясь  из  небольших  блоков (рис. 7,  а)  в  ходе  выполнения  той  или  иной функции.
rg4
Анализ таких блоков позволил выявить типовые  регуляторные мотивы (Babu  et al., 2004; Bergmann  et al., 2004; Luscombe  et al., 2004) (рис. 7, а). Рассматривая иерархическую организациию  генных сетей с позиций регуляции транскрипции, заметим, что низшей ступенью иерархии  является функциональная  связка «транскрипционный фактор–сайт  его  связывания в ДНК» (Babu et al., 2004). В результате комбинаторики таких пар и образуются регулоги, комбинаторика которых в свою очередь дает регуляторные мотивы ГС. Мотив может быть представлен (рис. 7, а) транскрипционным фактором, взаимодействующим с кассетой сайтов; триггероподобной структурой, основанной на взаимодействии двух идентичных транскрипционных факторов  и  сайтов  их  связывания; композиционным  элементом,  состоящим  из пары  взаимодействующих  сайтов  связывания (Babu et al., 2004) и др.
Комбинаторика мотивов, в свою очередь, образует регуляторные модули, которые, объединяясь за счет генерируемых ими сигналов, формируют  регуляторную машину глобальной  генной  сети  организма (Babu  et al., 2004; Wittkopp, 2007). Возможность такой комбинаторики  обеспечивается  общим пулом регуляторных молекул, а ограничение на комбинаторику в эволюции определяет степень перекрывания регулогов, проявляемая в фенотипе как плейотропные эффекты мутаций.
Модули,  выполняющие  эндогенные (гены домашнего  хозяйства и  базовых метаболических функций, гены онтогенеза) и экзогенные (рецепция и передача сигнала, стрессовый ответ, регуляция метаболизма) функции, обогащены различными  регуляторными мотивами. Экзогенные модули обогащены генными кассетами, регулируемыми  единственным  центральным регулятором. Эндогенные модули  обогащены замкнутыми регуляторными контурами и генными кассетами, включающими множество коактиваторов центрального регулятора (рис. 7, б) (Luscombe et al., 2004).
Snel и соавторы (Snel et al., 2004) провели попарный внутри- и межвидовой анализ коэкспрессирующихся корегулируемых генов. Критерием  корегуляции  генов  считался  высокий коэффициент их коэкспрессии (r > 0,6) при наличии в их регуляторных районах общего сайта связывания  транскрипционного фактора. У S. cerevisiae было выявлено 975 таких пар. В выборке коэкспрессирующихся генов C. elegance ортологи таких пар оказались в правом хвосте распределения по величине коэффициента коэкспрессии (рис. 8).
Высокая  степень  коэкспрессии  ортологов корегулируемых  генов  S. cerevisiae позволяет предположить, что они сохранили корегуляцию и в геноме C. elegans. Наиболее впечатляющие свидетельства эволюционной  устойчивости  небольших  регуляторных модулей  получены  при  изучении паттернов коэкспрессии у насекомых и хордовых. Так, сходный набор ортологов регулирует формирование фасеточных  глаз насекомых и сложных камеральных глаз хордовых (Gehring, 2005). Фасеточные  глаза фиксируются палеонтологами не позднее кембрия (~ 570–550 млн лет назад), но согласно палеонтологическим и эмбриологическим данным, предки хордовых никогда  не  обладали  такими  глазами. Развитые  камеральные  глаза  впервые  появляются в ордовике (500 млн лет назад) независимо у головоногих  и  хордовых (Михайлова, 1997).
Следовательно, консервативные модули коэкспрессии, ответственные за формирование глаз, возникли еще раньше, возможно, в венде (~ 650 млн лет назад), а потом независимо рекрутировались в ходе эволюции.
Интересно, что для эктопического развития функционирующих фасеточных глаз или (обратный эксперимент) – тканей камерального глаза (Gehring, 2005) оказалось достаточно трансгенеза единственным транскрипционным фактором Pax-6. Попав в различные ткани, Pax-6 – один из центральных регуляторов ГС развития  глаза – рекрутировал из разнообразного генетического окружения гены, участвующие в формировании глаз, по сути, восстановив генную сеть.
В морфогенез крыльев насекомых и парных конечностей хордовых также вовлечен общий набор  генов –  центральных  регуляторов,  сохранивших сходный паттерн экспрессии. Такой неожиданный результат можно объяснить, лишь предположив, что для формирования крыльев и ног в эволюции был независимо вовлечен древний консервативный регулог , предназначенный для формирования  билатерально-симметрич-ных придатков  тела. Он образовался,  судя по совокупности палеонтологических (появление билатерально-симметричных  складок,  а  затем преобразование их  в  конечности (Михайлова и  др., 1997))  и молекулярно-биологических (филогения отдельных генов (Шаталкин, 2003)) данных,  незадолго  до  кембрийского  взрыва (~ 550 млн лет назад) у общего предка Metazoa.
По  сравнению  с первичноротыми дорзо-вентральная ось хордовых инвертирована, поэтому ноги и крылья соответствуют придаткам одной и той же стороны, иннервировавшимся одной и той же нервной системой (Reichert, Simeone, 2001).
Комбинаторика  регуляторных модулей  в генных  сетях позволяет объяснить быстрое и неоднократное формирование новых органов в эволюции. Так, исследование профилей коэкспрессирующихся генов в плаценте Eutheria показало практически полное отсутствие регуляторных генов с плацентоспецифическим профилем экспрессии. Дифференцирующаяся  плацента оказалась  обогащена  регулогами  с  древними генами,  ортологичными  для  эукариот  и/или хордовых в целом и ответственными за базовые клеточные процессы. Зрелая плацента обогащена регулогами, включающими таксон-специфичные (от отряда и ниже) гены-паралоги, ответственные за негативную регуляцию ростовых и метаболических процессов. Образование паралогов – результат дупликаций,  сопровождавших дивергенцию отрядов и  семейств плацентарных (Cross et al., 2003; Knox, Baker, 2008).
Таким образом, в ходе эволюции плацента Eutheria была сформирована блочно-модульным способом из уже готовых генных сетей или их фрагментов[1]. В дальнейшем в ходе эволюционного становления характерной для каждого таксона репродуктивной стратегии (многоплодие или малоплодие; тип потомства «птенцовый» – рождение недоразвитых детенышей – или «выводковый» –  детеныши  способны  следовать за матерью и др.) в ряде таксонов произошло параллельное становление идентичных типов плацент,  видимо,  тем же  блочно-модульным способом. Так, человекообразные рекрутировали в плаценту ретровирусный блок, связанный с формированием синцитиотрофобласта (Knerr et al., 2004). Эпителиохориальная плацента параллельно развилась у китов, парнокопытных, непарнокопытных, панголинов и лемуров (Сarter, Enders, 2004). Такая  плацента  обеспечивает низкотравматичные для самки роды малоплодного «выводкового» потомства (адаптивно для видов, испытывающих пресс хищников, либо агрессивной внешней среды).
Древние  генные  сети,  вовлеченные  в  становление живорождения  у млекопитающих, продолжают существовать у остальных хордовых. Таким образом, предположение Л.С. Берга (1977) о параллельном возникновении живорождения в неродственных таксонах вновь обретает актуальность[2] (с поправкой на роль отбора) и хорошо согласуется с концепцией маммализации (Татаринов, 1976) – параллельного развития маммального комплекса признаков в нескольких линиях терапсид.
Регуляторные модули могут не только иметь транскрипционную природу, но и формироваться на базе  связок «миРНК–сайт  ее  связывания  в мРНК». Например, miR319 регулирует экспрессию  генов  семейства TCP у  столь отдаленных растений, как томат и арабидопсис (Palatnik et al., 2003). При повышении интенсивности взаимодействия миРНК с мРНК-мишенью формируется лист  с изрезанным  краем (норма  для  томата, мутация для арабидопсиса), а при низкой интенсивности – цельнокрайний лист (мутация для томата, норма для арабидопсиса). Важно, что фенотипические проявления мутационного нарушения такой регуляции сходны, хотя молекулярные механизмы совершенно различны: у томата (рис. 9, а) снижение интенсивности взаимодействия получено за счет мутации, меняющей сродство к миРНК сайта-мишени мРНК гена LA (семейство TCP), а у арабидопсиса (рис. 9, б) интенсивность взаимодействия повышена вследствие усиления экспрессии miR319 (мутация jaw)".
В.В.Суслов, Н.А.Колчанов. Дарвиновская революция и регуляторные генетические системы// Вестник ВОГИС, 2009. №2.





[1] Возможно,  еще более  глубокая перекомпоновка, объединившая  восстановленные (?)  эволюционно  древние и молодые  генные  сети, cопровождала  возникновение уникального эмбриогенеза млекопитающих, с его комбинацией примитивных (дробление, сходное с таковым у кишечнополостных) и продвинутых стадий (формирование амниотического  эмбриона). Кроме  того,  возникновение трофобласта могло быть связано с адаптивным рекрутированием генных сетей онкогенеза (Eddy et al., 2002; Hiden et al., 2007; Jacobs et al., 2007; Old, 2007), связанных с регуляцией клеточного цикла и межклеточных взаимодействий у Metazoa. Еще один случай адаптивного рекрутирования таких  генных  сетей описан Н.Н. Воронцовым (1967): в семействе слепышевых (Spalacidae) ворсинчатый эпителий желудка, заселяемый симбиотической микрофлорой и  способствующий мацерации  растительных  тканей, – норма у цокора (Myospalax), землекопов (Cryptomys) и африканских бамбуковых крыс (Tachyoryctes) и онкологическое заболевание у прочих грызунов.
[2] Имеются косвенные данные о параллельном формировании живорождения у сумчатых и плацентарных (Freyer et al., 2003) и  частичной  гомологии между плацентами разных  таксонов живородящих  рептилий (Flemming, Blackburn, 2003; Stewart, Thompson, 2003).
Tags: биология человека, генетика, здоровье, книги, понимание, проблемы происхождения, теория систем, теория эволюции
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 64 comments