Классификация генных сетей и их составляющие

Качественный анализ работы генных сетей позволяет выделить несколько их классов.

• 1) ГС, обеспечивающие гомеостаз организма, обычно содержат контуры отрицательной обратной связи (ОС), обеспечивающие возвращение контролируемых (критических) переменных к норме. Пример: ГС регуляции уровня холестерина в клетке. Если уровень слишком высок, то активация его предшественника (preSREBP) замедляется самими избыточными молекулами холестерина. Уровень внутриклеточного холестерина постепенно возвращается к норме.
• 2) ГС, обеспечивающие адаптивный ответ организма на резкие изменения внешних условий. Подобные ГС часто имеют двухэтапную схему работы: сначала происходит быстрая активация процессов за счет положительной ОС, затем включается отрицательная ОС, которая подавляет ответ. В результате контролируемые переменные ГС (концентрации каких-либо метаболитов) поддерживаются на определенном уровне. Примеры: ГС противовирусного ответа и ГС теплового шока.
• 3) ГС, обеспечивающие циклические процессы. Пример: клеточный цикл. В подобных ГС наблюдается четкий баланс между положительными и отрицательными обратными связями.
• 4) ГС необратимых процессов, контролирующие рост и развитие организмов, дифференцировку клеток, морфогенез органов и отмирание тканей. Они содержат контуры положительной ОС, обеспечивающие эффективное отклонение основной переменной от исходного значения. Примеры: ГС дифференцировки эритроцитов, ГС, регулирующая прорастание семян и ГС апоптоза. Последний пример будет разобран ниже для иллюстрации каскадного принципа усиления сигнала.
• 5) Генные сети, обеспечивающие передачу наследственной информации и воспроизведение организма.

Логический анализ позволяет выявлять ключевые элементы, регуляторные контуры и мотивы ГС. [20.c.65].

Характер изменения критических переменных для первых 4-х классов ГС представлен на рис. 4.

Рисунок 4 — Динамика основных переменных (х) для 4-х классов генных сетей.

В каждой локальной генной сети есть такие ключевые элементы, как центральные гены и центральные регуляторы. Первые обеспечивают координацию функций остальных генов этой сети. Пример — ген LFY в ГС развития цветка, о которой говорилось выше.

Центральный регулятор — это транскрипционный фактор (на рисунке а обозначен кружком), который активируют или репрессирует (стрелки) одновременно множество генов (прямоугольники) — генную кассету.

а б.

Мутации центральных регуляторов могут менять функции сразу многих регулируемых генов, приводя к выраженным изменениям.

Другая типичная ситуация (рисунок б) — несколько транскрипционных факторов регулируют кассету генов (не обязательно все стрелки-регуляции должны присутствовать).

Совокупность механизмов, посредством которых регулируются ГС, называют регуляторным контуром. В большинстве случаев адаптивные ГС содержат регуляторные контуры, как с положительными, так и с отрицательными ОС, что обеспечивает тонкую количественную авторегуляцию ГС. [19].

Мотивы ГС — это регуляторные контуры, встречающиеся в реальных сетях достоверно чаще остальных. Прежде всего, это контуры положительных и отрицательных обратных связей.

Типичным мотивом является также биологический триггер — конфигурация взаимодействующих генов, которая обеспечивает длительное пребывание части или всей ГС в одном из двух (реже многих) состояний устойчивого равновесия, но позволяет скачкообразно переключаться из одного состояния в другое под действием внешнего сигнала.

В ГС часто выявляется каскадный принцип усиления сигнала, действующий по принципу положительной обратной связи. Такой принцип лежит в основе организации ГС апоптоза.

В генной сети, обычно, можно выделить исполняющую и регуляторную компоненты. Например, в ГС цикла трикарбоновых кислот Escherichia coli в исполняющую (метаболическую) компоненту входят гены, кодирующие ферменты, непосредственно участвующие в этом метаболическом цикле, а в регуляторную — гены, их регулирующие. Регуляторная компонента этого цикла существенно сложнее метаболической: в среднем на 1 метаболический процесс приходится 13 регуляторных. 17. c 64−87].