Spesielt viktige gener for dyrs utvikling
Oversatt herfra. Bilde 1. Celle-kommunikasjon

Gener involvert i celle-celle kommunikasjon og transkripsjonskontroll er spesielt viktige for dyrs utvikling

Hva er genene som dyr deler med hverandre, men ikke med andre 'riker'? Disse forventes å omfatte gener som kreves spesielt for dyrs utvikling, men som ikke er nødvendige for encellulær eksistens. Sammenligning av genomer fra dyr med genomet av spirende gjær - en encellulær eukaryot - antyder at tre klasser av gener er spesielt viktige for flercellede organisasjoner.

Den første klassen inkluderer gener som koder for proteiner som brukes til celle-celleadhesjon og cellesignalering; hundrevis av menneskelige gener koder for signalproteiner, celleoverflate-reseptorer, celleadhesjonsproteiner eller ionekanaler som enten ikke er tilstede i gjær eller er tilstede i mye mindre antall.

Den andre klassen inkluderer gener som koder for proteiner som regulerer transkripsjon og kromatinstruktur: Mer enn 1000 humane gener koder for transkripsjonsregulatorer, men bare rundt 250 gjærgener gjør det.

Utviklingen av dyr domineres av celle-celle-interaksjoner og av differensiale genuttrykk.

Den tredje klassen av ikke-kodende RNA har en mer usikker status: den inkluderer gener som koder for mikroRNA (miRNA). Det er minst 500 av disse hos mennesker. Sammen med regulatoriske proteiner spiller de en viktig rolle i å kontrollere genuttrykk under dyrs utvikling, men det fulle omfanget av deres betydning er fortsatt uklart.
Tapet av individuelle miRNA-gener i C. elegans, der deres funksjoner har blitt nøye studert, fører sjelden til åpenbare fenotyper, noe som tyder på at rollene til miRNA under dyreutvikling ofte er subtile, og tjener til å finjustere utviklingsmaskineriet i stedet for å danne kjernestrukturene.
Hvert gen i en flercellet organisme er assosiert med mange tusen nukleotider av ikke-kodende DNA som inneholder regulatoriske elementer. Disse regulatoriske elementene bestemmer når, hvor og hvor sterkt genet skal uttrykkes, i henhold til transkripsjonsregulatorer og kromatinstrukturer som er tilstede i den bestemte cellen.

Bilde 2. RNA: regulering og transkripsjon

Genetisk identiske menneskelige celler klassifiseres etter deres forskjellige oppførsel i celletyper, noe som betyr at ikke-genetiske faktorer - inkludert kromatinorganisasjon - bidrar til deres særegne genuttrykkingsmønstre. (1) I det de er stabilt arvelig gjennom celledeling, er derfor både kromatinorganisasjon og det unike mønsteret for genuttrykk epigenetiske. I høyere organismer deler alle celler det samme genomet, men hver celle uttrykker bare et begrenset og spesifikt sett med gener som definerer celletypen. Under celledeling arves ikke bare genomet, men også celletypen av dattercellene. Dette spennende fenomenet oppnås ved en rekke prosesser som kollektivt har blitt kalt epigenetikk. styrt av ekstremt rike og utsøkt flerskala fysiske mekanismer (2). Disse inkluderer kjemiske modifikasjoner av DNA og histonproteiner, og fysikken som styrer den tredimensjonale organisasjonen av genomet i cellekjerner. Celler bruker mange forskjellige fysiske prinsipper, elektrostatiske og mekaniske egenskaper knyttet til kjemiske modifikasjoner av DNA og histoner. Et begrenset sett med fysiske regler (instruksjonsinformasjon) spiller en nøkkelrolle i celledifferensiering.

Under utvikling avhenger bestemmelsen av celletypen (celleskjebne) av DNA-metylering, som er en viktig kontrollparameter for denne prosessen: Gener som er spesifikke for ønsket vev, holdes umetylerte, mens de andre er metylerte. Videre formeres mønstre av DNA-metylering trofast gjennom påfølgende celledelinger. Kroppens DNA-metyleringskoder er universelle, lik universaliteten til den genetiske koden og bør følgelig betraktes som en del av arvesystemet. (3) Levende organismer innlemmer kompleks interaksjon mellom gener og epigenetiske faktorer og miljøet som former organismeformen som utvikler seg og tilpasser seg over tid.
For en fullstendig forståelse av biologiske prosesser som utvikling og tilpasning, er det nødvendig å forstå så mange integrerende elementer i biologiske systemer som mulig. Epigenetisk informasjon kan lagres i en rekke bærere som histonmodifikasjoner, ikke-kodende RNA, kjernens topologi og metylering av DNA.
Transkripsjonsfaktorer - proteiner som regulerer hvilke gener som transkriberes i en celle - ser ut til å være avgjørende for å bestemme hvilken vei bestemte stamceller tar når de differensieres. (4)

Bilde 3. Transkripsjons-maskineri

Noen transkripsjonsregulatorer kan aktivere et program som definerer en celletype eller oppretter et helt organ.

Det er gener, hvis produkter fungerer som utløsere for utvikling av en bestemt celletype eller til og med et spesifikt organ, som initierer og koordinerer hele det komplekse programmet for genuttrykk som kreves. Et eksempel er MyoD/myogenin-familien av transkripsjons-regulatorer. Disse proteinene driver cellene til å skille seg ut i muskler, og uttrykker muskelspesifikke aktiner og myosiner og alle de andre spesialiserte cytoskeletale, metabolske og membranproteiner som en muskelcelle trenger. Analogt driver medlemmer av Achaete / Scute-familien av transkripsjonsregulatorer celler til å bli nevrale stamfedre. I begge disse eksemplene tilhører proteinene den grunnleggende helix – loop – helix (bHLH) klassen av transkripsjonsregulatorer, og det samme gjelder for mange av de andre proteinene som induserer differensiering av bestemte celletyper. Disse master transkripsjonsregulatorene utøver sin kraftige differensieringsinduserende aktivitet ved å binde til mange forskjellige regulatoriske steder i genomet og derved kontrollere uttrykket av et stort antall nedstrøms målgener.

I et godt studert tilfelle, det fra et Achaete/Scute-familiemedlem kalt Atonal homolog 1 (Atoh1), er antallet direkte målgener i musens genom mer enn 600. Det er imidlertid viktig å merke seg at selv slike kraftige drivere av celledifferensiering kan ha radikalt forskjellige effekter i henhold til konteksten og historien til cellene de virker i: Atoh1 driver for eksempel differensieringen av visse klasser av nevroner i hjernen, av sensoriske hårceller i det indre øret, og av sekretoriske celler i slimhinnen i tarmen. Andre gener som koder for transkripsjonsregulatorer, kan drive dannelsen og samlingen av flere celletyper som utgjør et helt organ. Et kjent eksempel er transkripsjonsregulatoren Eyeless. Når det kunstig uttrykkes i en lapp av celler i forløperne til Drosophila, utvikler det seg et godt organisert øyelignende organ på benet, med de forskjellige øyecelletyper riktig ordnet; omvendt, tap av Eyeless-genet resulterer i fluer som mangler øyne. Videre fører tap av Eyeless homolog Pax6 hos virveldyr også til tap av øyestrukturer. Lignende organvelgerproteiner er kjent for tarmer, hjerte, bukspyttkjertel og andre organer. De er alle mester transkripsjonsregulatorer som direkte regulerer hundrevis av målgener, hvis produkter spesifiserer og konstruerer de forskjellige elementene i det aktuelle organet. Imidlertid, som i eksemplet med Atoh1, utøver de vanligvis sin spesifikke effekt bare i kombinasjon med de rette partnerne, som bare uttrykkes i celler som ble primet riktig under deres tidligere utvikling.

Bilde 4. øyet hos bananfluen Drosophila

Celleminne ligger til grunn for beslutningstaking av celler
Underliggende rikdom og forbløffende komplekse resultater av utvikling ligger cellehukommelse. Både genene en celle uttrykker og måten den oppfører seg på, avhenger av cellens fortid, samt av de nåværende omstendighetene. Cellene til våre kropper - muskelcellene, nervecellene, hudcellene, tarmcellene og så videre - opprettholder sine spesialiserte karakterer i stor grad fordi de beholder en oversikt over de ekstracellulære signalene deres forfedre mottok under utviklingen, snarere enn fordi de kontinuerlig mottar slike instruksjoner fra omgivelsene. Til tross for deres radikalt forskjellige fenotyper, beholder de det samme komplette genomet som var til stede i zygoten; Deres forskjeller oppstår i stedet fra differensiale genuttrykk.

Flere modellorganismer har vært avgjørende for å forstå utvikling
Forskjellene mellom arter er vanligvis mer slående for vårt menneskelige øye enn likhetene. Men på nivået med de underliggende molekylære mekanismene og makromolekylene som medierer dem, er det motsatt: likhetene mellom alle dyr er dyp og omfattende. Alle dyr har beholdt umiskjennelig lignende sett med gener og proteiner som er ansvarlige for å generere kroppsplanene og for å danne deres spesialiserte celler og organer. Denne forbløffende graden av evolusjonær bevaring (ikke-evolusjon) ble ikke oppdaget av brede undersøkelser av dyre-diversitet, men gjennom intensiv undersøkelse av et lite antall representative arter. For dyreutviklingsbiologi har det viktigste vært flua Drosophila melanogaster, frosken Xenopus laevis, rundormen Caenorhabditis elegans, mus musculus og sebrafisken Danio rerio.

Produksjon og vedlikehold av spesialiserte celletyper
Organiseringen av DNA i en intrikat, dynamisk nukleoprotein-samling betegnet kromatin, oppnås ved en bemerkelsesverdig prestasjon av biologisk konstruksjon. Selv om alle celler må kunne slå gener på og av, som svar på endringer i omgivelsene, har cellene til flercellede organismer denne kapasiteten i ekstrem grad. Transkripsjonsfaktorer er plassert på flere steder langs lange strekninger av DNA, og at disse proteinene bringer i bruk koaktivatorer og ko-repressorer. Drosophila Eve genuttrykk spiller en viktig rolle i utviklingen av Drosophila embryoet. Hvis dette genet inaktiveres ved mutasjon, dannes ikke mange deler av embryoet, og embryoet dør tidlig i utviklingen. Dette cytoplasmaet inneholder en blanding av transkripsjonsfaktorer som fordeles ujevnt langs embryoets lengde, og gir dermed posisjonsinformasjon som skiller en del av embryoet fra en annen. Selv om kjernene i utgangspunktet er identiske, begynner de raskt å uttrykke forskjellige gener fordi de blir utsatt for forskjellige transkripsjonsregulatorer.

Molekylære genetiske mekanismer som skaper og vedlikeholder spesialiserte celletyper
Selv om alle celler må kunne slå gener på og av som svar på endringer i omgivelsene, har cellene til flercellede organismer denne kapasiteten i ekstrem grad. Spesielt når en celle i en flercellet organisme blir forpliktet til å skille seg ut i en bestemt celletype, opprettholder cellen dette valget gjennom mange påfølgende cellegenerasjoner, noe som betyr at den husker endringene i genuttrykk, involvert i valget. Dette fenomenet, cellehukommelse, er en forutsetning for å skape organiserte vev og for å opprettholde stabilt differensierte celletyper.

Bilde 5. Ikke-uniforme transkripsjons-regulatorer bananflue

Kromatinmodifikatorer og ombyggere: regulatorer av celledifferensiering

Nesten alle celler i en organisme har samme genom, men viser forskjellige fenotyper og utfører forskjellige funksjoner. Individuelle celletyper, som er preget av distinkte genuttrykks-mønstre, genereres under utvikling og opprettholdes deretter stabilt. Kromatintilstanden - pakking av DNA med både histon- og ikke-histonproteiner - har markerte effekter på genuttrykk og antas å bidra til etablering og opprettholdelse av celleidentiteter. Faktisk er utviklingsoverganger ledsaget av dynamiske endringer i kromatintilstander. Montering og komprimering av kromatin reguleres av flere mekanismer, inkludert DNA-modifikasjoner (for eksempel cytosinmetylering og cytosinhydroksymetylering), post-translationell modifikasjon (PTM) av histoner (for eksempel fosforylering, acetylering, metylering og ubiquitylering), inkorporering av histonvarianter (for eksempel H2A.Z og H3.3), ATP-avhengig kromatin-ombygging og ikke-kodende RNA (ncRNA) -medierte veier. PTM-er av histoner kan enten direkte påvirke kromatin-komprimering og montering eller fungere som bindingssteder for effektorproteiner, inkludert andre kromatinmodifiserende eller kromatin-ombyggingskomplekser, og til slutt påvirke transkripsjons-initiering og/eller forlengelse.

Mange histonmodifikatorer og kromatinoppdaterere har vært involvert i stamcellens pluripotens, celledifferensiering og utvikling. (5)