Генетическая идентификация группы Polycomb
У всех многоклеточных передне-задняя ось специфицируется посредством определенных паттернов экспрессии генов НОХ ( рис. 12.2 ). У Drosophila во время эмбриогенеза активность произведенных матерью (т.е. унаследованных через ооцит ) и произведенных в зиготе транскрипционных факторов генерирует специфическую комбинацию экспрессии НОХ, необходимую для каждого сегмента. Этот сегмент-специфичный профиль активности генов НОХ поддерживается на протяжении всего развития мухи, спустя долгое время после того как исчезли регуляторы ранней транскрипции. Когда функция генов НОХ была охарактеризована генетически, были изолированы многие trans-действующие регуляторы. Среди них Пам и Эд Льюс ( Lewis, 1978 ) идентифицировали и генетически проанализировали Polycomb (Рс)-гены . Гетерозиготные мутантные по Рс самцы имели дополнительные половые гребешки на второй и третьей паре ног, тогда как самцы дикого типа несли половые гребешки только на первой паре ног (см. рисунок на титульной странице этой главы). Гомозиготные мутанты были детальны на стадии эмбриона, демонстрируя трансформацию всех кутикулярных сегментов в направлении самого заднего абдоминального сегмента ( рис. 11.2 в, г). Эти классические фенотипы PcG были интерпретированы как обусловленные эктопической экспрессией генов НОХ. Таким образом, Рс и другие гены со сходными фенотипами были определены как репрессоры активности генов НОХ . Впоследствии детальный анализ позволил обнаружить, что белки PcG требуются лишь для поддержания репрессии НОХ, а не для установления активности НОХ в ходе формирования паттерна, специфичного по отношению к положению. Эта последняя задача выполняется транскрипционными факторами, закодированными в рано действующих генах сегментации. На основе их репрессирующего или активирующего влияния на экспрессию генов НОХ эти вновь идентифицированные trans-действующие регуляторы были разделены на два антагонистических класса, PcG и trxG , соответственно ( рис. 11.1 ) ( Kennison, 1995 ).
Молекулярное выделение генов PcG Drosophila сделало возможным изучение функции ортологов позвоночных у мышей, где они также оказались ключевыми регуляторами экспрессии генов НОХ ( van der Lugt et al., 1994 ; Core et al., 1997 ). У млекопитающих мутации в генах PcG приводят к гомеотическим трансформациям позвонков ( Рис. 11.2 д, е). Кроме того, гены PcG играют ключевую роль в контроле клеточной пролиферации , поддержания стволовых клеток и рака (см. разделы " Последствия аберрантной активации транскрипции " и " Поддержание судьбы стволовой клетки " далее в этой главе). Замечательный консерватизм генов PcG у мух и млекопитающих облегчил биохимический анализ и привел к идентификации некоторых новых членов комплексов PcG, например белка RING1 ( Satijn and Otte, 1999 ). Направленная (targeted) мутация RING1 у мыши, например, привела к классической гомеотической трансформации фенотипа. Лишь впоследствии было обнаружено, что она соответствует гену Sex combs extra из группы PcG у Drosophila.
У двух других модельных организмов, а именно у червя Caenorhabditis elegans и цветкового растения Arabidopsis thaliana , молекулярная характеристика мутантов, изолированных в ходе разных генетических скринингов, выявила существование других ортологов белков PcG. У С. elegans члены группы PcG были идентифицированы в ходе скрининга на мутантов maternal effect sterile (mes), и было показано, что они участвуют в сайленсинге Х-хромосомы в зародышевой линии гермафродитов ( Fong et al., 2002 ; глава " Эпигенетическая регуляция Х-хромосом у С. elegans ").
У Arabidopsis гены PcG были идентифицированы в результате нескольких генетических скринингов при исследовании различных процессов развития ( Hsieh et al., 2003 ). Первый ген PcG у растений, CURLY LEAF ( CLF ), был идентифицирован как мутант с гомеотическими трансформациями органов цветка ( рис. 11.2 ж, з) ( Goodrich et al., 1997 ). Мутации в генах класса FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED ( FIS ) были обнаружены в ходе скрининга на мутанты, обнаруживающие материнский эффект - недоразвитие семян ( Grossniklaus et al., 1998 ) или допускающие некоторое развитие семян в отсутствие оплодотворения ( Luo et al., 1999 ; Ohad et al., 1999 ). Наконец, гены PcG были идентифицированы в результате скрининга на мутанты по срокам цветения, например мутанты, зацветающие сразу после прорастания ( Yoshida et al., 2001 ) или с нарушенной реакцией на яровизацию - процесс, делающий растения компетентными к цветению после продолжительного воздействия холодом ( Gendall et al., 2001 ).
Разнообразие процессов, регулируемых белками PcG, иллюстрирует значение поддержания репрессированного состояния ключевых регуляторов развития у различных организмов. С одной стороны, имеет место удивительный консерватизм некоторых биологических функций от растений до млекопитающих, например, регуляции таких ключевых регуляторов развития, как гомеотические гены, или участия в жесткой регуляции клеточной пролиферации. С другой стороны, комплексы PcG оказываются гибкими и динамичными молекулярными модулями, которые используются для контроля большой группы клеточных процессов и процессов развития.
