Том 3 (1129748), страница 85
Текст из файла (страница 85)
Повышение уровня РНК гена Lin4 влечет за собой переходот поведения клетки, соответствующего личиночной стадии 1, к поведению клетки,характерному для личиночной стадии 3; повышение уровня РНК гена Let7 обусловливает переход от поздней личинки ко взрослой особи. Фактически РНК генов Lin4и Let7 были первыми микроРНК, описанными у какого-либо животного: именнов ходе исследований C. elegans методами генетики развития и была открыта вся важность этих молекул, образующих целый класс, для регуляции генов у животных.У многих других видов, в том числе у дрозофилы, аквариумной рыбки даниои человека, обнаружены молекулы РНК, идентичные или почти идентичные РНК2028Часть 5.
Клетки в контексте их совокупностигена Let7. Более того, оказалось, что эти РНК действуют подобным ей образом прирегулировании уровня своих молекул-мишеней иРНК, и сами цели гомологичныцелям РНК гена Let7 нематоды. У дрозофилы эта система молекул, как видно,участвует в процессе превращения личинки в муху, что говорит о консервативностиее роли в деле временной регуляции переходов между стадиями развития.22.2.8. Клетки не отсчитывают число клеточных деленийи, следовательно, не хронометрируют свои внутренниепрограммы таким способомТак как шаги специализации клеток должны быть согласованы с делениямиклеток, часто высказывают предположение о том, что цикл деления клетки можетслужить хронометром, позволяющим управлять темпом других событий в процессеразвития.
По этому представлению изменения внутреннего состояния клетки должны быть тесно связаны с прохождением через каждый цикл деления: клетка переходила бы в следующее состояние при прохождении митоза. Хотя действительноизвестны некоторые случаи, где изменения состояния клетки связаны с событиямиклеточного цикла, но это далеко не общее правило. Клетки в развивающихся зародышах, будь это черви, мухи или позвоночные, обычно придерживаются своегостандартного расписания событий предопределения и дифференцировки, дажекогда прохождение через клеточный цикл искусственно блокируется. Конечно,возникают некоторые аномалии хотя бы потому, что одиночная неразделеннаяклетка не может дифференцироваться по двум путям сразу.
Но в большинствеиз всех изученных случаев видно, что клетка изменяет свое состояние по расписанию, более или менее независимо от событий ее деления, причем такие изменениясостояний управляют и решением делиться, и выбором в отношении того, когдаи как специализироваться.22.2.9. Избирательная гибель определенных клеток путем апоптозавходит в программу развития организмаРегулирование численности клеток в ходе развития может осуществлятьсяи посредством принудительной гибели клеток, а не только путем их поощренияк делению.
Гермафродит C. elegans в ходе своего развития производит 1 030 ядерсоматических клеток, но 131 клетка из их числа умирает. Эти запрограммированные смерти клеток происходят по абсолютно предсказуемой схеме. В отношенииC. elegans можно составить подробнейшую их хронику, потому что возможнопроследить путь дифференцировки каждой отдельно взятой клетки и увидеть,которые из них умирают, пронаблюдав за тем, как каждая жертва самоубийстваподвергается апоптозу и быстро поглощается и переваривается соседними клетками(рис.
22.23). У других организмов, где провести тщательное наблюдение гораздотруднее, такие случаи легко остаются незамеченными; но запрограммированнаясмерть путем апоптоза, вероятно, неизбежна для значительной части клеток, образующихся в организмах большинства животных. Поэтому апоптоз играет существенную роль в процессе развития индивидуума, у которого клетки нужного типаразрастаются до заданного числа и занимают надлежащие места в организме, какобсуждалось в главе 18.Генетические скрининги C.
elegans оказались критически важными для нахождения генов, регулирующих апоптоз, и еще раз показали его неоценимое значение22.2. Caenorhabditis elegans: развитие с точки зрения отдельной клетки 2029Рис. 22.23. Апоптическая смерть клетки C. elegans. Наступление смерти зависит от экспрессии генов Ced3 и Ced4при отсутствии экспрессии гена Ced9 в самой умирающейклетке. Следующие за ней акты поглощения и устраненияее останков зависят от экспрессии других генов в соседнихклетках.для развития. Как установлено, для наступлениянормальной смерти ста тридцати одной клеткинеобходимы три гена, названные Ced3, Ced4 иEgl1 (Ced образовано от cell death abnormal).Если эти гены инактивированы мутацией, то клетки, которые в норме обречены на смерть, вместоэтого выживают и дифференцируются на клеткиузнаваемых типов — например, на нейроны. Инаоборот, сверхэкспрессия этих генов или их экспрессия в ненадлежащем месте влечет за собойгибель большого числа клеток, которые в нормепродолжали бы жить, причем тот же эффектнаблюдали и при мутациях, инактивирующихдругой ген, Ced9, который обычно подавляетпрограмму смерти.Все эти гены кодируют консервативные компоненты механизмов умерщвленияклеток.
Как описывается в главе 18, ген Ced3 кодирует гомолог каспазы, тогда какгены Ced4, Ced9 и Egl1 суть соответственно гомологи генов Apaf1, Bcl2 и Bad. Беззнаний, полученных в ходе детального анализа развития прозрачной и удобной длягенетиков нематоды, было бы намного сложнее открыть эти гены и понять процессзапрограммированной смерти клеток у позвоночных.ЗаключениеРазвитие маленького, относительно простого, прозрачного червя Caenorhabditis elegans необычайно воспроизводимо и описано в виде подробной хроники,так что у всех особей одна и та же клетка в любом данном положении в телехарактеризуется одной и той же линией, и эта линия полностью известна. Такжеего геном полностью секвенирован.
Таким образом, для расшифровки механизмовразвития Caenorhabditis elegans могут быть объединены мощные генетическиеи микрохирургические подходы. Как и у других организмов, развитие данногочервя зависит от хитросплетения путей межклеточных взаимодействий и отавтономных внутриклеточных процессов. Развитие начинается с асимметричногоделения оплодотворенного яйца, в результате которого оно дробится на две меньшие клетки, содержащие разные детерминанты целей дифференцировки клеток.Потомки этих клеток взаимодействуют через пути передачи межклеточныхсигналов Notch и Wnt, за счет чего возникают группы клеток с более разнообразным множеством состояний.
Тем временем в ходе дальнейших асимметричныхделений одна клетка наследует от яйца материалы, которые еще на раннейстадии развития предопределяют ее как прародительницу половой линии.Генетические скрининги дают возможность найти группы генов, отвечающие за эти и более поздние стадии развития, а в их числе, например, гены2030Часть 5. Клетки в контексте их совокупностизапрограммированной смерти клеток, управляющие апоптозом определеннойподгруппы клеток в ходе нормальной программы развития.
Также обнаруженыгетерохронные гены, которые управляют временным контролем событий, связанных с развитием, хотя в общем и целом наше понимание управления развитием во времени все еще довольно приблизительно. Однако есть надежные данныео том, что темп развития не зависит от счетчика клеточных делений.22.3. Дрозофила и молекулярная генетика образованиятканевых структур: формирование общего планастроения телаИменно мушка Drosophila melanogaster (рис. 22.24), больше чем любой другойорганизм, изменила наши представления о том, как гены управляют созданием планастроения тела.
Анатомия дрозофилы сложнее таковой у C. elegans — при болеечем в 100 раз большем числе клеток она показывает более очевидные параллелисо структурой нашего собственного тела. Удивительно, но плодовая мушка имеетменьше генов, чем круглый червь C. elegans, — приблизительно 14 000 против20 000. С другой стороны, на один ген у нее приходится почти вдвое больше ДНК(в среднем примерно 10 000 нуклеотидов по сравнению с примерно 5 000), посколькубóльшая часть ее генома представляет собой некодирующие последовательности.Иными словами, в этом молекулярном конструкторе меньше деталей разных типов,но инструкции по сборке — по крайней мере прописанные в регуляторных последовательностях некодирующей ДНК, — описывают модель более пространно.Десятилетия генетических исследований, достигшие наивысшей точки в массовыхсистематических генетических скринингах, дали каталог управляющих развитиемгенов, которые определяют взаимное расположение клеток определенных типов и пространственную конфигурацию структур тела мухи, а молекулярная биология дала наминструменты, позволяющие наблюдать эти гены в действии.
С помощью гибридизацииin situ с применением ДНК- или РНК-зондов, проводимой на целых зародышах, илипри помощи окрашивания мечеными антителами с целью проявления картины распределения определенных белков, можно непосредственно наблюдать, как в ходе развитияРис. 22.24. Drosophila melanogaster. Нормальная взрослая муха, вид со спины.
а) Фотография. б) Помеченный подписями рисунок. (Фотоснимок любезно предоставлен E. B. Lewis.)22.3. Дрозофила и молекулярная генетика образования тканевых структур 2031внутренние состояния клеток задаются группами регуляторных генов, экспрессируемыхими в разное время. Более того, прибегнув к анализу животных, представляющихсобой мозаики мутантных и немутантных клеток, можно установить принцип работыкаждого гена как компонента системы, определяющей организацию всего тела.Оказалось, что в большинстве своем гены, управляющие строением теладрозофилы, имеют близкие аналоги у высших животных, включая и нас с вами.Фактически многие из основных механизмов, предназначенных для задания общего строения организма и формирования структур отдельных органов и тканей,на удивление, подобны друг другу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
