Том 3 (1129748), страница 87
Текст из файла (страница 87)
Наш разбор механизмов развитияплодовой мушки мы начнем с описания того, каким образом это общее строениеорганизма закладывается.22.3.3. Генетические исследования дают возможность установитьгруппы генов, востребованные для особых моментов начальногоформирования организмаПри помощи серии генетических исследований, основанных на мутагенезес насыщением (обсуждение в главе 8), собрана коллекция мутантов дрозофилы,2036Часть 5.
Клетки в контексте их совокупностикоторая содержит множество изменений в большом числе генов, затрагивающихразвитие. Независимые мутации в одном и том же гене можно отличить от мутаций в отдельных генах с помощью теста на комплементацию (см. приложение 8.1,стр. 852–853), что позволяет составить каталог генов, классифицированных пофенотипам мутаций в них. Тогда каждая выбранная в таком каталоге группа генов сочень похожими мутантными фенотипами нередко кодирует группу белков, которыеработают совместно для выполнения какой-нибудь специфической функции.Иногда относящиеся к развитию функции, обнаруживаемые благодаря мутантным фенотипам, вполне соответствуют ожиданиям; иногда это настоящий сюрприз.Масштабный генетический скрининг сосредоточенный на ранних стадиях развитиядрозофилы, показал, что ключевые гены попадают в относительно небольшойнабор функциональных классов, выделенных на основе характерных для нихмутантных фенотипов.
Некоторые из таких определяюще важных генов — геныполярности яйца (egg-polarity genes) (рис. 22.30) — необходимы для закладкипередне-задней и дорсо-вентральной осей зародыша, а также для предопределениядвух его концов к специальным целям дифференцировки; при помощи механизмовна основе взаимодействий между ооцитом и окружающими его клетками яичника.Другие, гены промежутков (gap genes), необходимы в отдельных широких областяхпо передне-задней оси раннего зародыша для обеспечения их надлежащего развития.Гены третьей категории — гены правила пар (pair-rule genes)— нужны, что болееудивительно, для развития чередующихся четных или нечетных сегментов тела.Четвертая категория, гены полярности сегментов (segment polarity genes), отвечаетза организацию передне-задней симметрии каждого отдельно взятого сегмента.Открытие этих четырех систем генов и последующий анализ их функций (онеще не завершен) явилось значительным успехом в области генетики развития. Оносообщило всей биологии развития мощный толчок, указав путь к систематическомуи всестороннему описанию генетического управления эмбриональным развитием.В следующем разделе мы лишь вкратце подытожим заключения, касающиеся самыхранних стадий развития дрозофилы, в силу их специфичности для насекомых;подробнее мы разберем те стороны данного процесса, которые иллюстрируют наиболее общие его принципы.22.3.4. Взаимодействие ооцита с окружающей его средойопределяет оси зародыша: роль генов полярности яйцаКак это ни удивительно, самые ранние шаги развития животных отличаютсягораздо больше последующих, даже в пределах одного типа.
Лягушка, курицаи млекопитающее, например, даже притом что позже они развиваются подобнымипутями, производят яйца, которые радикально отличаются по размеру и структуре,и начинают свое развитие с разных последовательностей делений клеток и разныхсобытий специализации клеток.Характер раннего развития, который мы описали на примере C. elegans,типичен для животных многих классов.
Напротив, раннее развитие дрозофилыпредставляет собой совсем уж исключительный вариант. Главные оси тела будущегонасекомого предопределяются еще до оплодотворения в ходе сложного обмена сигналами между неоплодотворенной яйцеклеткой, или ооцитом, и клетками фолликула,окружающими ее в яичнике (рис. 22.31). Позже, на стадии синцития, следующейза оплодотворением, и до первого разделения яйца на отдельные клетки, происходит22.3. Дрозофила и молекулярная генетика образования тканевых структур 2037Рис. 22.30. Области действия передней, задней и концевой систем генов полярности яйца. На верхних схемах представлены направления дифференцировки различных областей яйца (раннестадийногозародыша) и показаны (белым) те его части, которые не могут развиться, если передняя, задняя иликонцевая система дает сбой. В среднем ряду схематично изображен внешний вид нормальной личинкии облик мутантных личинок, дефектных по гену передней системы (например, Bicoid), задней системы(например, Nanos) или концевой системы (например, Torso).
В нижнем ряду рисунков приведен внешний вид личинок, у которых бездействуют все три системы генов или работает только одна из них. Набор букв под каждой личинкой отмечает, какие именно системы не повреждены (A P T — нормальнаяличинка, – P T — личинка, у которой передняя система дефектна, но задняя и концевая системы не повреждены, и так далее). Инактивация конкретной системы генов вызывает потерю соответствующегонабора структур организма; части тела, которые все-таки формируются, соответствуют системам генов,которые остаются функционально активными.
Обратите внимание, что личинки с дефектной переднейсистемой все же способны формировать концевые структуры на своем переднем конце, но последниеимеют тип, обычно обнаруживаемый на заднем конце тела, а не на головной стороне. (Немного переработано на основе D. St. Johnston and C. Nüsslein-Volhard, Cell 68: 201–219, 1992. С любезного разрешенияиздательства Elsevier.)2038Часть 5. Клетки в контексте их совокупностиРис. 22.31. Ооцит дрозофилы в своемфолликуле. Ооцит возникает из зародышевой клетки, которая делится четырераза и дает семейство из 16 клеток, которые остаются связанными друг с другом через цитоплазматические (серые)мостики.
Один член семейной группыстановится ооцитом, а другие становятсяклетками-кормилицами, которые производят многие из необходимых ооцитукомпонентов и снабжают его ими черезцитоплазматические мостики. Клеткифолликула, частично окружающие ооцит,имеют отдельную родословную. Как показано на рисунке, они служат источниками концевых и вентрального сигналовполяризации яйца.необычайное по своим масштабам образование массива быстро делящихся ядер.В таких условиях отпадает какая бы то ни было необходимость в обычных формахмежклеточного сообщения, основанных на трансмембранной передаче сигналов;соседние области раннего зародыша дрозофилы могут сообщаться посредствомрегулирующих гены белков и молекул мРНК, которые диффундируют или активнопереносятся через цитоплазму гигантской многоядерной клетки.На стадиях, предшествующих оплодотворению, передне-задняя ось будущегозародыша закладывается тремя системами молекул, которые устанавливают в ооците своего рода межевые знаки (рис.
22.32). После оплодотворения каждый такойориентир служит маяком, обеспечивая сигнал, в форме морфогенного градиента,который организует процесс развития в пределах своей вотчины. Два таких сигналавырабатываются в сосредоточенных запасниках определенных молекул мРНК. Будущий передний конец зародыша содержит высокую концентрацию мРНК для синтезарегуляторного белка Bicoid; далее эта мРНК транслируется, и образовавшийся белокРис. 22.32. Организация четырех градиентных систем полярности яйца.
Рецепторы Toll и Torso распределены на всем протяжении мембраны; окраска на расположенных справа схемах показывает, гдеименно они активируются внеклеточными лигандами.22.3. Дрозофила и молекулярная генетика образования тканевых структур 2039Bicoid диффундирует от своего источника, устанавливая градиент концентрациис максимумом в переднем конце яйца. Будущий задний конец зародыша содержитвысокую концентрацию мРНК регулятора трансляции белка Nanos, который подобным же образом устанавливает задний градиент.
Третий сигнал производитсясимметрично в обоих концах яйца путем локальной активации трансмембраннойрецепторной тирозинкиназы, названной Torso. Активированный рецептор оказываетэффект ближнего действия; он маркирует участки специализированных концевыхструктур, которые сформируются на головном и хвостовом концах будущей личинки, а также определяет зачатки будущего кишечного тракта. Эти три группыгенов, отвечающие за такие сосредоточенные детерминантов развития, называютпередней, задней и концевой системой генов полярности яйца.Четвертая система определяет дорсо-вентральную ось (см. рис.
22.32): белок,который производится клетками фолликула под будущей вентральной областьюзародыша, осуществляет местную активацию другого трансмембранного рецептора,называемого Toll и пребывающего в мембране ооцита. Отвечающие за отправлениеэтой функции гены называют дорсо-вентральными генами полярности яйца.Гены полярности яйца всех этих четырех классов представляют собой геныматеринского эффекта: ведь именно геном матери, а не геном зигот, являетсяопределяющим в данной сфере. Таким образом, муха, хромосомы которой мутантныв обеих копиях гена Bicoid, но которая рождена от матери, несущей одну нормальную копию гена Bicoid, развивается совершенно обычно, без каких-либо дефектовв строении головы.
Однако если эта муха-дочь — самка, то в передней части еесобственных яиц не будет никакой функционально активной мРНК гена Bicoid,и все они разовьются в безголовых зародышей независимо от генотипа отца.Каждый из четырех сигналов полярности яйца — представленных белкамиBicoid, Nanos, Torso и Toll, — оказывает свое действие путем регуляции (прямойили косвенной) экспрессии генов в ядрах бластодермы. Использование этих специфических молекул для организации структуры яйца не является общей особенностью развития животных на ранних его стадиях — в самом деле, только дрозофилаи близкородственные ей насекомые обладают геном Bicoid. Что касается белка Toll,то он был введен мухой в состав этих генов для обеспечения дорсо-вентральнойполярности; его более древняя и универсальная функция используется в иммунныхреакциях в системе врожденного иммунитета, о чем будет написано в главе 24.Тем не менее система полярности яйца показывает некоторые сильно консервативные особенности.
Например, локализация мРНК гена Nanos в одном конце яйцасвязана с локализацией в этом участке (и от нее зависит) детерминантов зародышевыхклеток точно так же, как это имеет место у C. elegans. На более поздних стадияхразвития, когда в игру включается геном зиготы под влиянием системы полярностияйца, начинает просматриваться больше подобий с животными других видов.
Этотмомент мы будем иллюстрировать на примере дорсо-вентральной системы.22.3.5. Дорсо-вентральные сигнальные гены создают градиентядерного регуляторного белкаМестная активация рецептора Toll на брюшной стороне яйца обусловливаетраспределение в яйце ядерного регуляторного белка Dorsal. Белок Dorsal принадлежит к тому же семейству, что и ядерный регуляторный белок NFκB позвоночных(см. главу 15). Его активность, регулируемая рецептором Toll, подобно таковой2040Часть 5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
