Принципы функционированния и модели генных сетей

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[1,c 66−72].

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. 5. c 85−99].

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. [10.c .1088−1094].

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).

отрицательные.

Рисунок 1 — Генная сеть развития органов цветка .

а б в 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. [4.c. 544−555].