Том 3 (1129748), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Как отмечено в главе 4, каждый ген, имеющийся в многоклеточноморганизме, связан с тысячами или десятками тысяч нуклеотидов некодирующейДНК. Эта ДНК может содержать, в рассеянном по ней виде, десятки отдельныхрегуляторных элементов, или энхансеров — коротких сегментов ДНК, которыеслужат участками связывания для специфических комплексов регулирующих геныбелков. Грубо говоря, как объясняется в главе 7, каждый регуляторный модультакого рода обеспечивает экспрессию соответствующего гена каждый раз, когдабелковый комплекс, опознающий этот сегмент ДНК, должным образом собирается в клетке (в некоторых случаях вместо этого экспрессия гена ингибируется илина нее оказывается более сложное воздействие).
Если бы мы могли расшифроватьполный набор регуляторных модулей, связанных с тем или иным геном, то мыбы поняли все различные молекулярные условия, при которых должен производиться продукт этого гена. Поэтому можно сказать, что такая регуляторная ДНКпредопределяет последовательную программу развития: правила перехода из одногосостояния в следующее, по мере того как клетки разрастаются и прочитывают своиположения в зародыше со ссылкой на окружающую их среду, при этом включаютновые наборы генов согласно действию белков, которые они в настоящее времясодержат (рис. 22.4).
Конечно, в различия между видами вносят вклад такжеи отличия в самом роде свойственных им белков. Но даже если бы набор белков,закодированных в геноме, оставался совершенно неизменным, отличий в регуляторной ДНК было бы достаточно, чтобы производить сильно отличающиеся ткании структуры организма.Когда мы сравниваем виды животных с подобным общим строением тела, —например, разных позвоночных, таких как рыба, птица и млекопитающее, — мынаходим, что взаимно соответствующие гены обычно имеют и подобные наборырегуляторных модулей: последовательности ДНК многих отдельно взятых модулейна протяжении эволюции оставались сильно консервативными и теперь, в геномахразных современных животных, узнаваемо гомологичны.
То же самое верно, еслимы сравниваем относящихся к разным видам червей нематод или же насекомыхразных видов. Но, когда мы сравниваем регуляторные области позвоночных с таковыми червей или мух, трудно увидеть любое такое сходство. Кодирующие белокпоследовательности неукоснительно подобны, но соответствующие им последовательности регуляторной ДНК оказываются сильно отличающимися. Этот результатвполне ожидаем, если верно, что разные варианты строения тела обусловливаются2002Часть 5. Клетки в контексте их совокупностиРис. 22.4.
Как регуляторная ДНК задает последовательность картин экспрессии генов в ходе развития.Геномы организмов А и B кодируют одинаковый набор белков, но имеют разную регуляторную ДНК.В нашей раскадровке эти две клетки появляются в одном и том же состоянии и на 1-й стадии экспрессируют одни и те же белки, но из-за разного расположения регуляторных модулей на 2-й стадии переходятв сильно отличающиеся состояния.главным образом изменениями программы, заложенной в регуляторную ДНК, присохранении большей части универсального набора белков.22.1.4. Манипуляции с зародышем раскрывают механизмывзаимодействия между его клеткамиКаким образом на основании строения взрослого животного со всей его сложнойорганизацией, можно начать анализ того процесса, благодаря которому оно возникло? Первым необходимым шагом будет описание анатомических изменений —схемы деления, роста и перемещения клеток, — посредством которых яйцеклеткапреобразуется во взрослый организм.
Это задача описательной эмбриологии, и онасложнее, чем можно думать. Чтобы объяснить развитие через поведение отдельновзятой клетки, нам нужно уметь отслеживать отдельные клетки на протяжениивсех их делений, превращений и перемещений в зародыше. Основы описательнойэмбриологии заложены в XIX веке, но тонкая задача прослеживания последовательности клеточных поколений и сейчас продолжает бросать вызов мастерствуученых (рис.
22.5).Но, даже располагая таким описанием, возможно ли продвинуться дальше и открыть причинные механизмы? Традиционно в рамках экспериментальной эмбриологии ученые пытались понять развитие на основании взаимодействий клеток и тканей,приводящих к появлению многоклеточной структуры.
Тем временем с точки зрениягенетики развития онтогенез анализировали с помощью моделей действия отдельныхгенов. Эти два подхода дополняют друг друга, и с течением времени они объединилисьи дали начало современному уровню понимания механизмов развития.В экспериментальной эмбриологии клетки и ткани развивающихся животныхудаляются, перестраиваются, пересаживаются или выращиваются в чистом виде,чтобы обнаружить, как они влияют друг на друга. Часто результаты являются потрясающими: например, разрезанный надвое зародыш на ранней стадии развитияможет дать два полноценных и совершенно сформированных животных или, скажем,маленький кусочек ткани, пересаженный на новый участок, может реорганизовать22.1.
Универсальные механизмы развития животных 2003Рис. 22.5. Прослеживание последовательности клеточных поколений в зародыше курицы на раннейстадии развития. Изображения в верхнем ряду получены при малом увеличении и показывают целыйзародыш; в нижнем ряду — части его тела; виднораспределение меченых клеток. Эксперимент с прослеживанием судеб отдельных клеток выявляетсложные и масштабные их перестройки. а, г) Двумякрошечными пятнышками флуоресцентной краски,красным и зеленым, помечены малые группы клетокв зародыше после 20-ти часов инкубации.
Хотя к этомувремени зародыш все еще выглядит как почти лишенный всяческих характерных черт лоскут ткани, в немуже просматривается некоторая специализация. Этиточки были помещены по обе стороны от структуры,называемой узлом. б, д) Шесть часов спустя некоторые из меченых клеток остались в узле (которыйотодвинулся назад), давая в этом месте яркое пятнофлуоресценции, тогда как другие клетки начали перемещаться вперед относительно узла.
в, е) Спустя еще8 часов отчетливо проявляются общие контуры тела:голова на переднем конце (сверху), центральная осьи ряды эмбриональных спинных сегментов, называемых сомитами, по обе стороны от нее. Узел отступилеще дальше к хвостовой части; одни из первоначально помеченных клеток остались в узле и дают яркоепятно флуоресценции, а другие переместились в положения, далеко отстоящие от него впереди, и сталичастями сомитов. (Снимки любезно предоставленыRaquel Mendes and Leonor Saude.)всю структуру развивающегося тела (рис. 22.6). Наблюдения такого рода могут бытьрасширены и уточнены, чтобы расшифровать лежащие в основе этих явлений межклеточные взаимодействия и правила поведения клеток. Такие эксперименты легчевсего проводить на крупных зародышах, которые легко поддаются микрохирургии.Так, наиболее широко используемыми видами были птицы — особенно курица, —и земноводные — особенно африканская шпорцевая лягушка Xenopus laevis.22.1.5. Исследования мутантных животных помогаютидентифицировать гены, которые управляют процессами развитияСпециалисты в области генетики развития начинают свои исследования с отбора мутантных животных с ненормальным развитием.
Обычно это осуществляетсяпосредством генетического отбора, описанного в главе 8. Родительские животныеобрабатываются химическим мутагеном или ионизирующим излучением с цельювызвать мутации в их зародышевых клетках, далее изучается большое число ихпотомков. Те редкие мутантные особи, которые показывают некоторое интересноеотклонение в развитии, — к примеру, аномальное развитие глаза, — отбираютсядля дальнейшего изучения. Таким способом можно обнаружить гены, которыенужны именно для нормального развития любой выбранной для изучения особенности организма. Путем клонирования и секвенирования гена, найденного таким2004Часть 5.
Клетки в контексте их совокупностиРис. 22.6. Некоторые поразительные результаты, полученные экспериментальной эмбриологией.На изображении а находящийся на ранней стадии развития зародыш земноводного почти полностьюразделен на две половины волосяной петлей. На изображении б зародышу земноводного на несколькоболее поздней стадии развития пересаживается маленькая группа клеток от другого эмбриона того жевозраста. В результате этих совершенно разных по сути операций единичный зародыш развиваетсяв пару соединенных (сиамских) близнецов. В эксперименте а возможно даже разделить зародыш на двеабсолютно отдельные половины; в таком случае получаются два самостоятельных правильно сформированных головастика.
(Изображение а переработано на основе H. Spemann, Embryonic Deveopmentand Induction. New Haven: Yale University Press, 1938; изображение б построено на основе J. Holtfreterand V. Hamburger, in Analysis of Development [B. H. Willier, P. A. Weiss and V. Hamburger, eds.], pp. 230–296.Philadelphia: Saunders, 1955.)образом, можно опознать его белковый продукт, исследовать, как он работает,и начать анализ регуляторной ДНК, которая управляет его экспрессией.Генетический подход проще применить к животным малых размеров с короткимвременем смены поколений, которых можно выращивать в лаборатории. Первымобъектом, выбранным для подобного рода исследований, была плодовая мушкаDrosophila melanogaster, которую мы обстоятельно рассмотрим ниже.
Однако тотже подход был успешен и с нематодой Caenorhabditis elegans, и с рыбой Daniorerio, и с мышью Mus musculus. Безусловно, людей никто не будет подвергатьнаправленому мутагенезу, но в ходе медицинских обследований у них нередко выявляют генетические нарушения.
У людей возникает множество мутаций, вызывающих совместимые с жизнью отклонения, поэтому исследования таких пациентов,а также их клеток, обеспечивают важные предпосылки к пониманию процессовразвития организма человека.22.1.6. Задолго до видимых изменений клетка принимает решения,связанные с развитиемПутем простого наблюдения или с помощью индикаторного красителя и прочихметодов мечения клеток, можно обнаружить, каков будет путь дифференцировки22.1. Универсальные механизмы развития животных 2005данной клетки в зародыше, если этому зародышу предоставлена возможность развиваться обычным образом. Этот путь может завершиться для клетки смертью,или, допустим, превращением в нейрон, или участием в формировании такой частитела, как ступня, или, наконец, появлением потомства из рассеянных по всемуорганизму клеток.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
