WŁADCY I PODDANI - KONTROLA GENÓW NAD GENAMI

Analizując rozwój wielokomórkowego organizmu, można się zastanawiać, dlaczego właściwie komórki zarodka, zawierające tę samą informację genetyczną, różnicują się w twory tak nieraz od siebie inne.

Co sprawia, że ten mechanizm jest powtarzalny i tak niezwykle precyzyjny?

Genetyka rozwoju jest dziedziną stosunkowo młodą, stąd nie znamy jeszcze odpowiedzi na wiele stawianych przez nią pytań. Kolejne odkrycia dostarczają wciąż nowych informacji. W 1997 roku ogłoszono sensacyjną (ale przyjętą bardzo sceptycznie i z rez erwą) wiadomość o sklonowaniu owcy Dolly.

Najbardziej niezwykłym elementem tego eksperymentu (a pomijanym niemal przez media) było stwierdzenie, że komórki ssaków nie są nieodwracalnie zróżnicowane, czyli, że posiadają komplet sprawnych genów,

w których zawarta jest informacja o całym organizmie. Potwierdziło to tezę, że w specjalizujących się komórkach najczęściej nie dochodzi do nieodwracalnego unieczynnienia genów, (np. przez silną spiralizację chromatyny), lecz do ich selektywnej, kontro lowanej ekspresji.

Ponieważ morfogeneza odbywa się według wzorców przekazywanych przez rodziców, muszą istnieć geny odpowiedzialne za kontrolę rozwoju.

Ich mutacje miałyby łatwo zauważalne, poważne następstwa, w postaci zaburzeń budowy osobnika. Prawidłowe anatomicznie organy pojawiałyby się w nieodpowiednim dla nich miejscu, liczbie, czy czasie.

Znaleziono tego typu mutanty u znanych organizmów laboratoryjnych - nicienia Ceanorhabditis elegans i muszki owocowej Drosophila melanogaster.

Ceanorhabditis elegans jest niewielkim zwierzęciem, długości zaledwie 1,2 mm.

Jego rozwój trwa tylko 3 dni, a jego specyficzną cechą jest to, że ciało dorosłego osobnika składa się dokładnie z 945 komórek, których podziały i migracje w okresie rozwoju osobnika zostały dokładnie zbadane (!)

Genom tego nicienia zawiera zaledwie ok. 3 tys. genów i został już w całości sklonowany. Dzięki mutacjom zidentyfikowano ok. 800 genów odpowiedzialnych za rozwój. Mutacje w tych genach powodują, że komórka rozwija się w tym kierunku, co powinna, al bo nie zatrzymuje się w podziałach w odpowiednim momencie.

Analiza mutantów pomogła w identyfikacji genów nadzorujących rozwój także u Drosophila melanogaster. Mutacje rozwojowe, zaburzające symetrię ciała, zmieniające liczbę segmentów, ich wygląd i położenie, pozwoliły na zlokalizowanie ok. 100 genów zaan gażowanych w kontrolę prawidłowego rozwoju owada.

Geny te tworzą ścisłą hierarchię, w której geny wyższej kategorii regulują aktywność genów podrzędnych.

Najwyższą pozycję w hierarchii układu regulacyjnego zajmują geny polarności jaja, odpowiedzialne za orientację przedniej i tylnej części jaja, a w konsekwencji również za wykształcenie osi przód- tył zarodka i dorosłego osobnika. Produkty tych genó w są syntetyzowane jeszcze w organizmie samicy, a następnie zdeponowane w postaci mRNA w oocycie. Białko pierwszego z nich: genu bicoid wyznacza przedni koniec ciała i jego stężenie maleje ku tyłowi jaja. Tylna część jaja wyznaczana jest przez rosnące ku tyłowi stężenie produktu innego z "królujących" genów: nanos.

Białko genu bicoid jest czynnikiem transkrypcyjnym, i wraz z białkiem nanos dostarcza sygnału, regulującego aktywność genów niżej położonych w hierarchii.

Dalsze geny rozwoju to czynniki umożliwiające segmentację tworzącego się zarodka. W tej grupie działają najpierw geny powodujące podział ciała na 3 duże rejony, a następnie kaskada genów, o coraz bardziej lokalnym, ale za to bardziej precyzyjnym dz iałaniu. Najniżej w hierarchii położone geny z tej grupy wyznaczają już ułożenie wewnątrz poszczególnych segmentów.

Najniższą, choć również niezwykle znaczącą, pozycję w kaskadzie genów regulatorowych zajmują tzw. geny homeotyczne. nadzorują one specjalizowanie się segmentów i wykształcanie charakterystycznych dla nich narządów. Główne geny homeotyczne występują u Drosophila w dwóch głównych kompleksach: Antennapedia (ANT-C), wyznaczającym różnicę pomiędzy segmentem głowowym a segmentami tułowiowymi, oraz w kompleksie bithorax (BX-C), odpowiedzialnym za różnice między tułowiem i odwłokiem.

Mutacje w obrębie tych genów wywołują znaczące, choć nie letalne, zaburzenia. Mutacja Antp sprawia, że zamiast czułka, na głowie muszki wyrasta odnóże, zaś mutacja bx powoduje zamianę części segmentu odwłokowego na tułowiowy, wskutek czego rodzi si ę mucha z dodatkową parą skrzydeł.

Wiele z genów zawiadujących rozwojem koduje sekwencję nazywaną homeobox. Jest to fragment o długości ok. 180 par zasad, kodujący domenę białkową zdolną do wiązania się z DNA. Ta HOMEODOMENA zbudowana jest z trzech fragmentów (- helikalnych, tworząc ych strukturę nazywaną "heliks- skręt-heliks".

Obecnie wiadomo, że homeodomena jest składnikiem białek o charakterze czynników transkrypcyjnych, wiążących się z DNA i regulujących ekspresję innych genów.

Homeodomena jest niezwykle silnie konserwowana ewolucyjnie. Geny kodujące te domeny wykazują bardzo wysoką homologię, nawet, gdy pochodzą od bardzo odległych od siebie gatunków.



A - mysz,    B - żaba,    C - muszka owocówka    D - drożdze

Za badania poświęcone wczesnym etapom powstawania zarodka i odkrycie funkcji homeodomeny została przyzna w 1995 roku Nagroda Nobla.

Jak niezwykle sprawny i wydajny jest to czynnik, skoro został utrwalony przez ewolucję i dziś możemy go znaleźć min. u drożdży, Drosophila, człowieka, myszy, a nawet, ku zdumieniu genetyków, u kukurydzy !

Co więcej, nie tylko sama sekwencja homeobox jest powielana w ewolucji, ale i cały hierarchiczny system regulujący tworzenie się zarodka.

Podobne układy genów homeotycznych i obszarów ich aktywności można stwierdzić np. u Drosophila i u kręgowców!

Hierarchiczny układ genów, przywodzący na myśl układ władca-poddany, pokazuje możliwość "panowania" stosunkowo nielicznej grupy genów nad pozostałymi. Czy jednak organizmy, zbudowane na podstawie informacji zawartej w DNA, również są tylko kolejnym i sługami wszechwładnych genów?

Taką kontrowersyjną hipotezę wysunął w 1976 Richard Dawkins, profesor biologii na uniwersytecie w Oxfordzie. W swej słynnej książce "Samolubny gen" ("The Selfish Gene"). Twierdzi on, że, podobnie jak inne istoty żywe, jesteśmy jedynie maszynami pow ołanymi do życia przez geny. Naszym zadaniem jest jedynie zapewnić nieśmiertelnym, wiecznym genom możliwość wytworzenia kolejnych kopii. Ewolucja produkowałaby więc jedynie coraz doskonalsze opakowania...

Jak Wam się to podoba ?



TRANSPOZONY - WĘDRUJĄCE DNA

PŁEĆ ZALEŻY OD GENÓW, NIE OD CHROMOSOMU


Š 1997, 1998 Biologia Molekularna w Internecie                 Webmaster

This server is running Apache