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.



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.

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.