Молекулярные механизмы регуляции экспрессии генов белков теплового шока при адаптации организмов к различным условиям обитания (06.07.2009)

Автор: Зацепина Ольга Георгиевна

Зацепина Ольга Георгиевна

Молекулярные механизмы регуляции экспрессии генов белков теплового шока при адаптации организмов к различным условиям обитания

03.00.03 – молекулярная биология

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Москва, 2009 г.

Работа выполнена в , в Лаборатории молекулярных механизмов биологической адаптации Учреждения Российской академии наук Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН.

Научный консультант

д. б. н. проф. М. Б. Евгеньев

Официальные оппоненты:

д. б. н. проф. Б. А. Маргулис, Учреждение Российской академии наук Институт цитологии РАН.

д. б. н. Н. А. Чуриков, Учреждение Российской академии наук Институт молекулярной биологии РАН.

д.б. н. А. М. Сапожников, Учреждение Российской академии наук Институт биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН.

Ведущая организация

Учреждение Российской академии наук Институт биологии гена РАН.

Защита диссертации состоится 27-го октября 2009 г. в 11-00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.235.01 при Учреждении Российской академии наук Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН по адресу: 119991 г. Москва, ул. Вавилова, 32.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН по адресу: 119991 г. Москва, ул. Вавилова, 32.

Автореферат разослан ________________2009 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета

кандидат химических наук Крицын А. М.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Повышенная температура или тепловой шок (ТШ) при воздействии на все известные организмы, от бактерии до человека, активирует гены теплового шока (бтш), представляющие собой эффективную защитную систему как на клеточном уровне, так и на уровне целого организма. Гены теплового шока кодируют специфические белки (БТШ).

Гены ТШ и их продукты, сразу после открытия в 1974 г., стали объектом пристального исследования. Оказалось, что БТШ индуцируются не только теплом, но и целым рядом других повреждающих факторов как физического, так и химического происхождения.

Система генов ТШ очень быстро реагирует на внешний стимул. Гены ТШ высоко консервативны. Наиболее консервативными являются гены бтш70. Аминокислотные последовательности БТШ70 у человека и E. сoli гомологичны на 50%, а ряд доменов – на 96% (Schlesinger, 1990). Такой консерватизм БТШ у всех изученных организмов свидетельствует об исключительно важной роли этих белков в защите клеток от повреждений во время и после стресса (Lidquist, 1986; Feder and Hoffman, 1999).

Основная функция БТШ при стрессе – предотвращение агрегации и восстановление нативной третичной структуры денатурированных белков, концентрация которых резко увеличивается при повышении температуры (Fink 1999; Hartl and Hayer, 2002).

Со времени открытия БТШ были подробно исследованы их структура и функции, а также молекулярные механизмы их экспрессии.

Вопрос об участии БТШ70 в адаптации на уровне целого организма в течение длительного времени оставался неисследованным. Наиболее актуальным в этом направлении является изучение молекулярных механизмов адаптации организмов и возможной роли БТШ в этом процессе у разных географических популяций одного и того же вида, а также у близких видов, живущих в условиях, резко отличающихся по средней температуре обитания. Такой подход, впервые предложенный М.Б. Евгеньевым, дает возможность не только исследовать молекулярно-физиологические функции БТШ при стрессе, но и понять их значение в экологии, адаптации и эволюции популяций.

Первые работы такого плана были выполнены в России на различных видах шелкопряда и на девяти видах ящериц, отличающихся по температуре обитания (Шейнкер и др., 1987; Ulmasov et al., 1992). В этих исследованиях были обнаружены различия в уровне синтеза БТШ70 у разных видов, в зависимости от температуры района их обитания. Однако, в то время было неясно, какие механизмы регуляции экспрессии БТШ лежат в основе этих различий.

В частности, не было известно, имеются ли какие-нибудь различия в ответе на ТШ у теплокровных организмов, тысячелетиями проживавших в контрастных по температурному режиму районах (например, пустыни Средней Азии и северные районы России).

Основным механизмом термоустойчивости у пустынных видов ящериц (Ulmasov et al., 1992) и муравьев (Gehring and Wehner, 1995) является, по-видимому, конститутивный синтез БТШ в нормальных условиях, обусловливающий готовность организма пережить резкий подъем температуры. У мух рода Drosophila синтез БТШ70 в норме репрессирован. Было актуально узнать, существует ли взаимосвязь между уровнем индукции БТШ70 и термоустойчивостью у разных видов мух рода Drosophila. Важно было выяснить, какие молекулярные механизмы лежат в основе вариабельности уровня индукции БТШ70, обеспечивающей адаптацию мух и других организмов к различным условиям обитания.

Устройство кластера генов бтш70 у D. melanogaster хорошо изучено, известна также и структура промоторной области генов бтш у этого вида. Было интересно провести сравнительный анализ локуса генов бтш70 у видов Drosophila группы virilis, отделённых от группы melanogaster десятками миллионов лет дивергентной эволюции. Следовало также выяснить, имеются ли различия в устройстве кластера генов бтш70 и внутри самой группы virilis, у контрастных по температуре обитания видов, таких как D. virilis, D. lummei. Такого плана исследования могут прояснить пути эволюции и адаптации у родственных видов, обитающих в разных температурных нишах.

В последние десятилетия накоплено много фактов, говорящих о важной роли мобильных генетических элементов (МЭ) в адаптации и эволюции самых различных видов животных. Однако, возможный вклад МЭ в адаптацию видов к определенным температурным режимам обитания не был изучен. Встраивание МЭ в регуляторную область генов бтш может иметь весьма важные последствия, способные повлиять на тонкие механизмы регуляции и эволюции этой важнейшей адаптационной системы. Соответственно, актуальность изучения закономерностей встраивания МЭ в промоторную область генов бтш и влияние таких встраиваний на термоустойчивость организмов не вызывает сомнения.

Цель работы. Выявление основных молекулярных механизмов регуляции генов бтш при адаптации организмов к различным условиям обитания.

Основные задачи исследования

1. Провести анализ кинетики и уровня синтеза БТШ70 в норме и после ТШ у ящериц, резко различающихся по температуре среды обитания.

2. Выявить молекулярные механизмы регуляции экспрессии БТШ70 у изучаемых модельных видов. В частности изучить:

а) число копий бтш70 у сравниваемых видов,

б) регуляцию транскрипции бтш.


загрузка...