Том 3 (1129748), страница 77
Текст из файла (страница 77)
Когда гомологичный белок Pax6 от мыши, кальмара или практически любого животного, обладающего глазами, подобным образом аномально экспрессируется в трансгенной мухе, обнаруживаетсятот же эффект. На полученных с помощью растрового электронного микроскопа снимках показан участокглазной ткани на мушиной лапке, образовавшейся в результате неправильной экспрессии гена Eyelessдрозофилы (сверху) и Pax6 кальмара (снизу). Для сравнения на изображении справа показан целый глазнормальной дрозофилы при более слабом увеличении. (Изображение а заимствовано из M. C. Hankset al., Development 125: 4521–4530, 1998.
С разрешения The Company of Biologists; изображение б —из S. I. Tomarev et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94: 2421–2426, 1997. С разрешения Национальной академиинаук и любезного дозволения Кевина Мозеса.)1998Часть 5. Клетки в контексте их совокупности22.1.1. Некоторые основные анатомические особенности, общиеу всех животныхПодобия между животными разных видов, наблюдаемые в управляющих развитием генах, отражают развитие животных от некоего общего предка, в геномекоторого эти гены уже имелись.
Хотя мы и не знаем, на что был похож этот общийпредок червей, моллюсков, насекомых, позвоночных и других сложных животных,клетки его, были дифференцированы на типы, многие из которых были бы узнаваемыдля нас сейчас: например, эпидермальные клетки, формирующие защитный внешнийслой, клетки кишечника для поглощения питательных веществ из проглоченной пищи,мышечные клетки для движения, нейроны и сенсорные клетки для управления движениями и контроля за ними. Его организм наверняка был организован следующимобразом: снаружи покрыт слоем кожи, имеется рот для питания и кишечная трубкадля вмещения и переработки пищи, в пространстве между внешним слоем кожи и внутренней кишечной трубкой располагаются мышечная, нервная и прочие ткани.Эти особенности строения общи почти для всех животных, и они соответствуют общей основной анатомической схеме развития. Яйцеклетка — гигантскоевместилище материалов — делится, или дробится, и дает начало многочисленнымклеткам меньшего размера.
Они связываются в одно целое и образуют эпителиальный слой, граничащий с внешней средой. Большая часть этого слоя остаетсяснаружи и составляет эктодерму — предшественник эпидермиса и нервной системы.Часть этого слоя втягивается внутрь и формирует эндодерму — предшественниккишечника и его придатков, таких как легкие и печень. Еще одна группа клетокперемещается в пространство между эктодермой и эндодермой и формирует мезо‑дерму — предшественник мышц, соединительных тканей и разных других составныхчастей организма.
Такое преобразование простого шара или полой сферы из клетокв структуру с кишкой называют гаструляцией (от греческого слова, обозначающегоживот), и в той или иной форме это почти универсальная особенность развитияживотного. На рис. 22.3 данный процесс показан на примере морского ежа.Эволюция хорошо поработала над молекулярными и анатомическими основамижизни, описываемыми в этой главе, и в конечном счете произвела великолепноемногообразие современных видов. Но лежащая в его основе консервативность генов и механизмов означает, что изучение развития одного животного очень частоведет к постижению общих закономерностей развития животных многих другихтипов.
Благодаря этой замечательной особенности современные специалисты в области биологии развития, а также клеточные биологи позволяют себе роскошьадресовать самые фундаментальные вопросы тому животному, которое предлагаетнаилегчайший путь к ответу.22.1.2. Многоклеточные животные наделены белками,опосредующими взаимодействие клеток и регуляцию геновСеквенирование генома показывает степень молекулярного сходства междувидами.
Нематода Caenorhabditis elegans, муха Drosophila melanogaster и позвоночное Homo sapiens — первые три животных, для которых была полученаполная последовательность генома. В генеалогическом древе эволюции животныхони отстоят друг от друга очень далеко: линия, ведущая к позвоночным, как полагают, ответвилась от линии, идущей к нематодам, насекомым и моллюскам, более600 миллионов лет назад. Тем не менее, когда 20 000 генов C.
elegans, 14 000 генов22.1. Универсальные механизмы развития животных 1999Рис. 22.3. Гаструляция морского ежа. Оплодотворенная яйцеклетка делится и производит бластулу — полуюсферу эпителиальных клеток, окружающих внутреннюю полость. Затем, в процессе гаструляции, некоторыеиз клеток втягиваются внутрь и формируют кишечник и прочие внутренние ткани. а) Растровый микрофотоснимок, показывающий начальное втягивание эпителия.
б) Показано, как группа клеток высвобождается изэпителия и закладывает мезодерму. в) Затем эти клетки расползаются по внутренней поверхности стенкибластулы. г) Тем временем эпителий продолжает подворачиваться внутрь и превращаться в эндодерму.д, е) Впячивающаяся эндодерма вытягивается в длинную кишечную трубку. ж) Конец кишечной трубки упирается в стенку бластулы на участке будущего ротового отверстия. Здесь эктодерма и эндодерма соединятсяи сформируется отверстие. з) Основное строение организма животного: снаружи слой эктодермы, внутритрубка эндодермы, а между ними — прослойка мезодермы. (Изображение а заимствовано из R. D. Burke et al.,Dev. Biol.
146: 542–557, 1991. С разрешения издательства Academic Press; изображения б–з переработанына основе L. Wolpert and T. Gustafson, Endeavour 26: 85–90, 1967. С позволения издательства Elsevier.)дрозофилы и 25 000 генов человека систематически сравнили друг с другом, обнаружилось, что примерно 50 % генов каждого из этих видов имеют явно узнаваемыхгомологов у одного из других двух видов или даже у обоих из них. Другими словами,узнаваемые варианты по крайней мере 50 % всех генов человека уже присутствовалив геноме общего предка червей, мух и человека.Конечно, не все осталось неизменным: известны некоторые гены с ключевымиролями в развитии позвоночных, которые не имеют ни одного гомолога в геноме C. elegans или дрозофилы, и наоборот.
Однако немалая доля из тех 50 % генов, которымне нашлось опознаваемых гомологов у животных из других отделов, может не иметьих просто потому, что их функции малозначимы. Хотя такие неконсервативные генытранскрибируются и хорошо представлены в библиотеках кДНК, исследования изменчивости последовательностей ДНК и аминокислот внутри природных популяций2000Часть 5.
Клетки в контексте их совокупностии между ними показывают, что этим генам дана необычайная свобода мутированиябез какой-либо серьезной утраты приспособленности организма. Когда такие геныискусственно инактивируются, последствия не настолько часто оказываются стольже пагубными, как в случае генов, имеющих гомологов у отдаленно родственныхвидов. Поскольку они свободны эволюционировать весьма быстро, нескольких десятков миллионов лет может быть достаточно, чтобы сгладить следы какого бы тони было семейного сходства или допустить выпадение гомологов из генома.Геномы животных разных классов отличаются также и по той причине, что,как описано в главе 1, имеют место значительные различия в масштабах дупликаций генов: интенсивность дублирования генов в эволюции позвоночных особенновелика, так что в итоге млекопитающее или рыба часто имеют сразу несколькогомологов, соответствующих отдельному гену червя или мухи.Несмотря на такие различия, в первом приближении мы можем сказать, чтовсе эти животные имеют в своем распоряжении сходные наборы белков для выполнения необходимых им функций.
Иными словами, они строят свои тела, используяпримерно один и тот же комплект молекулярных деталей.Какие же гены в таком случае необходимы для создания многоклеточного животного, сверх тех, что нужны для жизни обособленной клетки? Сравнение геномовживотных и почкующихся дрожжей — одноклеточных эукариот — показывает,что для многоклеточной организации особенно важны белки двух классов. Первыйкласс включает в себя трансмембранные молекулы, используемые для клеточнойадгезии и передачи межклеточных сигналов. У C. elegans целых 2 000 генов кодируют белки-рецепторы клеточной поверхности, белки клеточной адгезии и белкиионных каналов, которые или вообще отсутствуют у дрожжей, или имеются в намного меньшем количестве. Второй класс включает белки, регулирующие экспрессию генов: эти связывающиеся с ДНК белки намного более многочисленныв протеоме у C. elegans, чем у дрожжей.
Например, в семейство транскрипционныхфакторов, содержащих мотив оснóвная (т.е. обогащенная лизином и аргинином)спираль–петля–спираль у C. elegans входит 41 член, у дрозофилы — 84, у человека — 131 и только 7 у дрожжей; что касается других семейств регуляторовэкспрессии генов, то у животных они также представлены гораздо бóльшим числомчленов, чем у дрожжей. Не удивительно, что белки этих двух классов являютсяключевыми для биологии развития: как мы увидим, развитие многоклеточных животных практически всецело предопределяется межклеточными взаимодействиямии дифференциальной экспрессией генов.Как мы уже говорили в главе 7, микроРНК (miРНК) также играют существенную роль в управлении экспрессией генов в ходе развития, но они, кажется, имеютвторостепенное значение по сравнению с белками.
Так, зародыш рыбы Danio rerioс мутацией, из-за которой полностью отсутствует фермент Dicer, необходимый длясоздания функционально активных miРНК, все же начинает свое развитие почтиобычным образом, создает специализированные типы клеток и показывает в целомправильный план строения организма, до тех пор, пока аномалии развития нестановятся тяжелыми.22.1.3. Программу развития организма предопределяетрегуляторная ДНКЧервь, муха, моллюск и млекопитающее делят между собой многие из жизненнонеобходимых типов клеток, и все они действительно имеют рот, кишечник, нерв-22.1.
Универсальные механизмы развития животных 2001ную систему и кожу; но, за исключением нескольких таких основных особенностейстроения организма, они сильно отличаются своей организацией. Если строениетела определяет геном и все эти животные имеют столь подобные подборки генов,то как же они могут быть настолько разными?Кодируемые геномом белки можно рассматривать как детали конструктора.Из такого белкового конструктора можно построить многие вещи (точно так же,как из детского конструктора — грузовики, дома, мосты, подъемные краны и такдалее), соединяя детали в различных комбинациях. Некоторые детали обязательноидут вместе — гайки с винтами, колеса с шинами и осями, — но крупномасштабнаяорганизация конечного объекта не зависит от этих базовых элементов конструкции.Скорее, она определяется инструкциями, прилагаемыми к деталям и предписывающими порядок их сборки.Значительная часть инструкций, необходимых для создания многоклеточногоживотного, содержится в некодирующей, регуляторной ДНК, которая приписанак каждому гену.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
