Генетический контроль жизненного цикла
У дрожжей-сахаромицетов существуют три клеточных типа: а, alfa и a/alfa, проявление которых зависит от локуса МАТ . МАТ представлен двумя идиоморфами: МАТа, определяющего развитие типа спаривания а, и МАТalfa - развитие типа alfa. При объединении МАТа и МАТalfa проявляется клеточный типа а/alfa. У гомоталликов возможна замена МАТа на МАТalfa (и наоборот) и, следовательно, изменения клеточного типа а на alfa и обратно.
Регуляция клеточных функций локусом MAT у дрожжей рассматривается как модель детерминации дифференциации клеток высших многоклеточных эукариот. Действительно, существование клеточных типов у дрожжей (одноклеточных) свидетельствует о наличии примитивной детерминации. Клетки, детерминированные как а или alfa, могут, в зависимости от условий внешней среды, выбирать между митотическим циклом , переходом в Go, или остановкой клеточного деления и развитием реакции копуляции в ответ на наличие в среде полового феромона , но не способны к споруляции . Клетки а\alfa наоборот, способны к споруляции (а также к митотическому циклу или переходу в Go), но не способны к копуляции. Смена клеточного типа аналогична смене детерминации. При переключении типа спаривания у дрожжей используется универсальный механизм перестройки генетического материала: замена идиоморфа в локусе МАТ на другой идиоморф, копии которого хранятся в двух запасных, неэкспрессирующихся локусах (HML и HMR). Подобные перестройки происходят при формировании генов иммуноглобулинов, а также у широкого круга прокариотических и эукариотических микроорганизмов.
МАТ - это сложный локус, каждый идиоморф которого кодирует два транскрипта - регуляторные белки. Существуют группы генов, экспресирующиеся только у определенных клеточных типов: а-специфичные (asg), alfa-специфичные (alfasg), гаплоид-специфичные гены (hsg), проявляющиеся только у МАТа и МАТalfa, и гены, специфичные для споруляции (ssg). В регуляторных областях найдены последовательности , с которыми взаимодействуют продукты МАТ - регуляторы транскрипции. МАТ управляет системой каскадной регуляции клеточных функций , как на уровне транскрипции, так и на посттрансляционном уровне (путем активации протеинкиназ). Таким образом, МАТ - представитель "управляющих" (master) локусов, которые включают и выключают клеточные функции и регулируют жизненный цикл у многих (а, возможно, у всех) эукариотических микроорганизмов.
Дрожжи, самые простые из изучаемых эукариотических объектов, обладают и самыми простыми программами дифференциации, которые в отличие от высших эукариот, подробно исследованы не только цитологическими и биохимическими, но и генетическими методами. Удалось получить мутанты (cdc) , блокирующие определенные стадии клеточного цикла. При изучении взаимодействия генов cdc были выявлены процессы митотического цикла. Среди них гены, осуществляющие передачу сигналов из внешней среды, контролирующие процесс репликации . Без завершения репликации невозможен переход из G2 в М.
Изучены программы мейоза и копуляции . Мейоз у дрожжей сопряжен со спорообразованием. Маркированы гены, принимающие участие в репликации , рекомбинации , конъюгации , сегрегации хромосом , благодаря чему удалось иследовать взаимозависимость этих процессов. Значительно хуже исследованы процессы спорообразования, так как нарушение функций многих генов, специфичных для споруляции , не приводит к видимым изменениям фенотипа. Маркированы также гены, участвующие в плазмогамии и кариогамии . Большинство из них кодируют структурные белки цитоскелета и веретена деления. Интенсивно узучают программу перехода в Go и тесно с ней связанную стрессовую реакцию дрожжевых клеток. Стрессовая реакция характеризуется подавлением активности большинства генов и активацией специфических белков, функция которых - защита клетки от стресса (например, обратимое изменение конформации белков, транспортируемых в различные компартменты клетки). Гены для большинства стрессовых белков клонированы Их особенностью является то, что они входят в семейства гомологичных белков, большинство которых необходимо не при стрессе, а при нормальном функционировании клеток. Гены семейств отличаются по регуляции и по локализации их продуктов в клетке.
Результаты, полученные при изучении программ дифференциации у дрожжей, можно экстраполировать на многоклеточные объекты. Данные для дрожжей и эукариот взаимно дополняют друг друга. Генные взаимодействия в мейозе и клеточном цикле эукариот изучены слабо, зато известны продукты генов, а у дрожжей - обратная ситуация. Удалось проклонировать многие гены дрожжей и идентифицировать их продукты по гомологии с нуклеотидными и аминокислотными последовательностями высших эукариот. Взаимодействие этих генов у дрожжей известно, и соответственно, проясняется их взаимодействие у высших эукариот.
Большие успехи достигнуты в изучении генов, регулирующих включение определенной программы дифференциации в ответ на сигнал из внешней среды. При сопоставлении данных, полученных у Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces pombe и многоклеточных оказалось, что в митотическом и мейотическом циклах существуют по крайней мере две важные точки, в которых клетка принимает рещение о возобновлении деления (переход из G= в S) или его продолжении (переход из G2 в М в митозе, из пахитены в М1 в мейозе). У дрожжей хорошо изучена передача сигналов о голодании по глюкозе, и о наличии в среде полового феромона, связанная с понижением внутриклеточной концентрации цАМФ и остановкой митотического цикла. Передача сигналов о других изменениях окружающей среды и синтез других вторичных мессенджеров пока изучены недостаточно. В последнее время получены данные, что у дрожжей переходы G1 в S и G2 в М связаны с функцией короткоживущих белков - циклинов , содержащих домены, высокогомологичные у всех эукариот. Предположительно, внешние и внутренние факторы могут понижать внутриклеточную концентрацию циклинов, ускоряя их деградацию или замедляя синтез, и таким образом подавлять митотический цикл и способствовать переходу к иной программе дифференциации.
