Генные сети и про- и эукариот

Прямое сравнение эффективности и надежности механизмов регуляции генов эукариот и прокариот не совсем корректно (они используют разные эволюционные стратегии), существуют некоторые особенности их ГС. У прокариот сложность организации в целом коррелирует с размерами геномов и числом генов, хотя есть исключения. Тенденция роста размера геномов и числа генов прослеживается лишь при переходе от прокариот к эукариотам. У эукариот же отсутствует связь между биологической сложностью, размерами геномов и числом.

Есть предположение, что усложнение генетических самовоспроизводящихся систем невозможно без роста надежности хранения и копирования генетической информации . В ходе эволюции усложнение прокариот сопровождалось увеличением этой информации. Прокариоты, как полагают, вплотную подошли к границе т.н. мутационной катастрофы ошибок, что стало препятствием роста их гаплоидных геномов. Поэтому бактерии пошли по пути минимизации некодирующей ДНК. Преодоление границы при дальнейшем усложнении эукариот стало возможным на пути усложнения способов кодирования генетической информации.

Прокариоты чаще используют оперонную структуру генома: основой функционального единства является структурное сцепление генов. Оперон – группа генов с общими регуляторными районами, транскрибирующаяся как один цистрон. Пример оперона из 5-ти генов представлен на рис. 3.

     P O  Lead. Att   trpE         trpO          trpC           trpB            trpA       t

Рисунок 3 –Триптофановый оперон Escherichia coli.

Преимуществом оперона является быстрота и четкость регуляции экспрессии. Другое преимущество, вытекающее из его структуры, – экономия на размере ДНК и на числе молекул-регуляторов, т.к. регуляторный район (нижняя часть рис. 3) один для всех генов оперона. Но структура оперона таит и недостатки – затруднения в тонкой регуляции каждого гена и чувствительность к повреждениям: мутация в общем регуляторном районе или мутация ниже старта транскрипции может вывести из строя весь оперон. Конечно, подобные упрощенные оценки нельзя признать исчерпывающими, картина значительно сложнее.

Эукариоты используют оперонную структуру для оптимизации регулирования генных сетей значительно реже, чем прокариоты. Порядок эволюционно стабилен лишь у наиболее жестко корегулируемых генов.

Другим способом комбинаторного кодирования является альтернативный сплайсинг у эукариот. Комбинаторика экзонов и интронов обеспечивает огромную емкость кодирования генетической информации. Убедительный пример – ген DSCAM дрозофилы, белок которого участвует в формировании нервной системы. На основе альтернативного сплайсинга один этот ген кодирует десятки тысяч вариантов белка. Такой комбинаторный принцип кодирования генетической информации у эукариот – эволюционное приобретение широкого профиля. Он позволяет фактически безгранично наращивать сложность генетических программ без существенного увеличения размеров геномов.

Генные сети про- и эукариот организованы по общим принципам: ядро сети представляют функциональные объединения регулируемых генов. Но реализация этих принципов различна: прокариоты действуют крайне экономно – функциональное объединение их генов в значительной мере обеспечивается их структурным объединением.

Можно сказать, что перед нами две стратегии развития ГС – экономичность и, как следствие, простота регуляции у прокариот и избыточная, но эволюционно прогрессивная сложность у эукариот. В общем же, генная сеть – это функциональное объединение генов. Структурное их объединение, если оно есть, лишь следствие участия этих генов в общей функции.

На основе компьютерной аннотации экспериментальных данных более чем из 10000 публикаций в Институте цитологии и генетики (ИЦиГ) СО РАН (Новосибирск) создана база данных TRRD (Transcription Regulatory Regions Database). Она содержит описание регуляторных районов генов, контролирующих транскрипцию.