Отрицательная и положительная регуляция. Многие бактериальные гены активны только тогда, когда их экспрессия необходима, а все остальное время они выключены. Экспрессия таких генов контролируется геном-оператором и геном-репрессором. Регуляция этого типа харак-терна для лактозного оперона Е. coli [1141], в котором три тесно сцепленных структурных гена контролируются подобной системой. Кроме такой отрицательной регуляции существует еще и положительная; в этом случае для инициации транскрипции требуется специфический белок.
Роль регуляторных механизмов. Способность бактерий оптимально использовать различные источники энергии сыграла зна-чительную роль в их эволюции. Контроли-рующие системы, например лактозный опе-рон, как раз и нацелены на выполнение этой функции. Бактерии затрачивают энергию на синтез ферментов, расщепляющих лактозу, только в том случае, если в среде имеется лактоза, таким образом благодаря обратной связи энергия не растрачивается попусту.

Циклический AMP используется в мета-болизме бактерий для многих целей, в част-ности для регуляции транскрипции. У выс-ших эукариот, в том числе у человека, он имеет еще одну важную функцию: служит эффектором, опосредующим действие гор-монов. Большинство гормонов высших ор-ганизмов не способно проникать внутрь клетки. Эти гормоны взаимодействуют с соответствующими рецепторами на поверх-ности клетки, и в результате контакта ли-ганда и рецептора в клеточной мембране происходят изменения, влияющие на синтез и катаболизм сАМР, который, в свою очередь регулирует транскрипцию.

Важная проблема дифференцировки со-стоит в том, как клетка того или иного типа «решает», какие именно рецепторы должны быть на поверхности ее мембраны. Существенную роль в эмбриональном раз-витии играют гормоны. В целом высшие эукариоты, включая человека, нуждаются в гораздо более тонких механизмах регуляции экспрессии генов, чем микроорганизмы. Однако, исходя из принципов эволюционной генетики, можно предположить, что основные принципы регуляции экспрессии и дифференцировки должны иметь сходство. В ходе эволюции происходила многоэтапная адаптация ко все более сложной обстановке, которая требовала изощренной регуляции. Поэтому логично было бы исследовать различные биологические системы, опираясь на выводы теории эволюции и при переходе к более сложным системам соответственно усложнять интерпретации и модели.

Исследования регуляторных механизмов (рецепторов, гормонов, сАМР, других химических модуляторов) развития у высших организмов активно развиваются по различным направлениям. Не последнее место среди них занимают молекулярно-биологические подходы. Генетический контроль образования антител обсуждался в разд. 4.4. Это первый пример подробного исследования дифференцировки. Он наглядно показывает, что соответствующие изменения могут происходить на разных уровнях: на уровне перестройки ДНК, транскрипции, молекулярной организации конечного белкового продукта - антитела. Например, растворимая и мембранно-связан-ная формы IgM отличаются дополнительной аминокислотной последовательностью, позволяющей мембранно-связанным формам IgM «заякориваться» в клеточной мембране. Оба белка кодируются одним локусом, но процессинг первичного транскрипта протекает в этих случаях по-разному.

Один ген может кодировать даже два различных белка. В качестве примера при-ведем пептидный гормон кальцитонин у крыс [968]. Он обнаруживается в щитовидной железе и гипоталамусе, причем в гипоталамусе ему сопутствует другой поли-пептид, CGRP (от англ. calcitonin gene--related product-продукт, имеющий отношение к гену кальцитонина). У CGRP и кальцитонина первые 78 аминокислот одинаковы, но общая длина составляет 128 аминокислот. Обе молекулы кодируются одним геном, однако процессинг первичных транскриптов происходит по-разному: из мРНК CGRP вырезается целый экзон и одновременно добавляется другая последовательность (рис. 4.72). Такой вариант про-цессинга РНК преобладает в гипоталамусе, но не в щитовидной железе, это и определяет дифференциальную экспрессию одного и того же гена в различных тканях. Аналогичный механизм характерен для синтеза соматостатина. В гипофизе человека наряду с нормальным гормоном, состоящим из 191 аминокислоты, присутствует другой, близкий по структуре белок, в котором отсутствует 15 аминокислот в положениях 32-46. В этом же участке начинается второй экзон, его первые 45 нуклеотидов могут функционировать либо как часть экзона, либо как часть интрона. Вероятно, альтернативный процессинг первичных транскриптов играет очень важную роль в дифференцировке. Однако оста-ется неясным, какой первичный механизм определяет выбор пути процессинга. Воз-можно, для более глубокого понимания этой проблемы потребуются новые теоретические концепции, позволяющие строить модели и предлагать гипотезы, которые можно экспериментально проверить. Результаты таких проверок позволили бы постепенно модифицировать модель, все более приближая ее к истине. Подобные модели должны, по нашему мнению, сыграть значительную роль в выборе направлений исследований в будущем.

Модель Дэвидсона-Бриттена. Дэвидсон и Бриттен в 1969 г. предложили модель регуляции экспрессии генов у высших организмов [1019]. Авторы логически развили соответствующую модель для микроорганизмов, чтобы учесть более тонкие требования, предъявляемые к регуляции в процессе дифференцировки.

Согласно этой модели, существуют четыре класса генов: гены-продуценты; гены-рецепторы, сцепленные с генами-продуцентами и способные индуцировать транскрипцию при воздействии активаторов, которые кодируются генами-интеграторами; гены-сенсоры, которые служат участками посадки агентов (возможно, гормонов), модулирующих характер экспрессии генома. Эта модель согласуется с данными эмбриологии; например, она учитывает возможность индукции одним геном изменений в ходе дифференцировки, а также интегрированное действие ряда генов в установлении определенного дифференцированного состояния. Модель предусматривает возможность взаимодействия генов на различных уровнях интеграции. Однако за 10 лет существования данной модели было получено слишком мало экспериментальных фактов в ее пользу.

К сожалению, эта модель, как и многие другие, не приближает нас к решению основного вопроса дифференцировки-почему в различных клетках активируются разные наборы генов и почему эти клетки приобретают различные свойства. Уже указывалось, что неодинаковые свойства клеток могут быть обусловлены разным набором рецепторов на их поверхности. Модель Дэвидсона-Бриттена предполагает, что, кроме этого, гомологичные сенсорные участки в разных клетках обладают разной чувствительностью. Но почему тогда у одних клеток есть рецепторы, которых нет у других, и почему их геномы реагируют на разные сигналы? Эти основопо-лагающие вопросы дифференцировки остаются пока без ответа.