Можно выделить 5 основных составляющих элементов ГС:
1. Ядро генной сети – группа координировано работающих генов.
2. РНК и белки, кодируемые этими генами.
3. Низкомолекулярные компоненты (гормоны и другие сигнальные молекулы), переключающие функции генных сетей в ответ на внешние воздействия, энергетические компоненты, различные метаболиты и т.д.
4. Пути передачи сигналов, обеспечивающие активацию или подавление экспрессии генов.
5. Отрицательные и положительные обратные связи. Первые из них стабилизируют количественные характеристики ГС на определенном уровне. Вторые, напротив, отклоняют их от исходных значений, обеспечивая переход к новому функциональному состоянию.
Важнейшее свойство ГС – способность к адекватному изменению динамики функционирования в ответ на изменение условий внешней и внутренней среды. Это достигается за счет сложных взаимодействий определенных групп веществ-регуляторов с некоторыми сайтами-мишенями в ДНК, РНК и белках. Генные сети регулируются на уровне транскрипции, сплайсинга, трансляции, фосфорилирования, пострансляционной деградации белков, мембранного транспорта и др. Продукты генной сети одновременно могут являться ее регуляторами.
Особенностью протекания биохимических реакций в организме является их разделение во времени и пространстве – компоненты ГС могут быть разнесены по различным органам, тканям, клеткам и клеточным компартментам.
В качестве элементов ГС могут выступать не только гены и продукты их экспрессии, но также различные низкомолекулярные соединения, метаболиты, вовлеченные в регуляцию и т.д. Регуляторные воздействия (связи) в зависимости от типа влияния делятся на 4 класса: включение, выключение, усиление или ингибирование процессов.
В настоящее время наиболее разработаны упрощенные модели ГС таких процессов в клетке, как регуляция противовирусного ответа и синтеза холестерина, биосинтез гемоглобина в эритроидной клетке, выработка белков теплового шока, механизм апоптоза и т.п. Подобные модели позволят понять переходы в иерархической схеме организации клетки: ДНК - РНК - белки - энзимы - сети химических реакций - физиология клетки. В перспективе, как полагают специалисты, концепция ГС позволит выстраивать иерархическую модель: локальные ГС более низкого уровня, решая свои частные задачи, обмениваются друг с другом сигналами, объединяются в сети более высокого уровня и т.д. до модели целого организма.
Пример анализа природной ГС. У растений наиболее глубоко изучена генная сеть развития цветка Arabidopsis thaliana, характеризующаяся блочностью и иерархичностью.
Развитие цветка определяется сложной генной сетью (рис. 1), контролирующей формирование меристемы соцветия, образование на ней меристемы цветка, дифференцировку зачатков органов цветка и их спецификацию в органы. Формирование органов цветка детерминируется концентрическими кругами паттернов экспрессии по т.н. АВС-модели (рис.2). В процессе участвуют группы MADS-генов, активных (или неактивных) в меристеме цветка: A (семейство AP1-подобных белков), B (семейство AP3/PI-подобных белков) и С (семейство AG-подобных белков).
а) схема цветка: Sepal – чашелистик, Petal – лепесток, Carpel – пестик, Stamen – тычинка.
б, в) АВС-модель
Рисунок 2 – Закономерности формирования органов цветка в зависимости от активности групп MADS-генов:
Важнейшими генами ГС, представленной на рис. 1, являются TFL и AP, т.к. группа генов A контролирует переключение от вегетативного развития меристемы побега к генеративному. А именно, активность гена AP1 необходима для индукции цветения; продукт гена TFL подавляет активность гена AP1, что обеспечивает устойчивое вегетативное состояние меристемы побега.
Интегратором всех сигналов, индуцирующих цветение (удлинением светового дня, температура, питательные вещества, гормоны и т.п.), является ген LFY. Этот ген образует контур положительной обратной связи с геном AP1. В результате уровень экспрессии LFY и AP1 быстро растет, ингибируя активность гена TFL, подавляющего активность LFY и AP1 в вегетативной меристеме. Таким образом, подавление активности гена TFL обеспечивает необратимый переход к цветению.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему