Том 3 (1129748), страница 88
Текст из файла (страница 88)
Клетки в контексте их совокупностиРис. 22.33. Градиент концентрации белка Dorsal в ядрах бластодермы, проявленный при помощи антител. На дорсальнойстороне этот белок присутствует в цитоплазме и отсутствуетв ядрах; на вентральной стороне он разрежен в цитоплазмеи сконцентрирован в ядрах. (Заимствовано из S. Roth, D. Steinand C. Nüsslein-Volhard, Cell 59: 1189–1202, 1989. С разрешенияиздательства Elsevier.)NFκB, зависит от его перемещения из цитоплазмы, где он пребывает в неактивной форме, в ядро,где он регулирует экспрессию генов. В недавноотложенном яйце как мРНК гена Dorsal (которую можно обнаружить гибридизацией in situ),так и кодируемый ею белок (обнаруживаемыйокрашиванием антителами) равномерно распределены по цитоплазме.
Однако после того какядра мигрируют к поверхности зародыша, чтобы сформировать бластодерму, происходит удивительное перераспределение белка Dorsal: на дорсальной стороне этотбелок остается в цитоплазме, а на брюшной стороне он концентрируется в ядрах,причем между этими двумя крайними точками устанавливается плавный градиентего концентрации в ядрах (рис.
22.33). Таким перераспределением белка Dorsalуправляет сигнал, передаваемый белком Toll через сигнальный путь, который посути тот же, что и зависимый от белка Toll путь, действующий в системе врожденного иммунитета.Попав в ядро, белок Dorsal, в зависимости от его концентрации, включает иливыключает экспрессию разных наборов генов. Экспрессия каждого реагирующего нанего гена зависит от его регуляторной ДНК, а именно от числа и сродства участковсвязывания, которыми эта ДНК располагает для взаимодействия с белком Dorsalи другими регуляторными белками.
Таким образом, регуляторная ДНК, можносказать, интерпретирует позиционный сигнал, обеспечиваемый градиентом белкаDorsal, с тем чтобы обозначить дорсо-вентральный ряд территорий — отличительныхполос клеток, которые тянутся по всей длине зародыша (рис. 22.34, а). Наиболееблизко к вентральному краю — где концентрация белка Dorsal наиболее высока, — он включает, например, экспрессию гена по имени Twist, специфичного длямезодермы (рис. 22.35). Наиболее близко к дорсальному краю, где концентрациябелка Dorsal наиболее низка, клетки включают экспрессию гена Decapentaplegic(Dpp).
А в промежуточной области, где концентрация белка Dorsal достаточновысока для подавления гена Dpp, но слишком низка для активации гена Twist,клетки включают другой набор генов, в том числе один под названием Short gastrulation (Sog).22.3.6. Установленный белками Dpp и Sog вторичный градиент морфогена детализируют формирование дорсальной части зародышаПродукты генов, непосредственно регулируемых белком Dorsal, в свою очередь, вырабатывают более локальные сигналы, которые управляют более тонкимподразделением дорсо-вентральной оси.
Эти сигналы работают после обособленияу зародыша клеток и имеют форму обычных внеклеточных сигнальных молекул.22.3. Дрозофила и молекулярная генетика образования тканевых структур 2041Рис. 22.34. Градиенты морфогенов, закладывающие дорсо-вентральную ось зародыша. а) Градиентбелка Dorsal определяет три широкие территории экспрессии генов, отмеченные на этом рисунке экспрессией трех представительных генов — Dpp, Sog и Twist. б) Немного позже клетки, экспрессирующиегены Dpp и Sog, выделяют соответственно сигнальные белки Dpp (член семейства TGFβ) и Sog (антагонист Dpp).
Эти два белка диффундируют и взаимодействуют друг с другом (и с некоторыми другимифакторами), в итоге чего устанавливают градиент активности белка Dpp, действие которого направляетболее детальный процесс дорсовентральной дифференциации.В частности, ген Dpp кодирует выделяемый белок Dpp, который формирует локальный градиент морфогена в дорсальной части зародыша. Ген Sog тем временемкодирует другой выделяемый белок, который производится в нейрогенной эктодермеи выступает в роли антагониста белка Dpp. Встречные градиенты этих двух белковсоздают крутой градиент активности белка Dpp. Самые высокие уровни активности белка Dpp, в комбинации с некоторыми другими факторами, обусловливаютразвитие наиболее дорсальной из всех тканей — внезародышевой оболочки, промежуточные уровни определяют развитие дорсальной эктодермы, а очень низкиеуровни задают развитие нейрогенной эктодермы (рис.
22.34, б).2042Часть 5. Клетки в контексте их совокупностиРис. 22.35. Происхождение мезодермы из клеток, экспрессирующих белок Twist. Зародыши зафиксировали параформальдегидом на последовательных стадиях развития, сделали поперечные срезыи окрасили антителом к белку Twist, регулирующему гены белку из семейства bHLH.
Как видно, клетки,экспрессирующие белок Twist, перемещаются внутрь зародыша и образуют мезодерму. (Заимствованоиз М. Leptin, J. Casal, B. Grunewald and R. Reuter, Development Suppl. 23–31, 1992. С любезного разрешенияThe Company of Biologists.)22.3.7. Дорсо-вентральная ось насекомого соответствуетвентро-дорсальной оси позвоночногоБелок Dpp относится к суперсемейству сигнальных молекул TGFβ, котороетакже весьма важно для позвоночных; белок Sog — гомолог белка позвоночныххордина. Поразительно, что у позвоночных гомолог Dpp, белок BMP4, и хординаналогичным образом работают совместно и выполняют равнозначные функции,что и белки Dpp и Sog у дрозофилы. Эти два белка управляют дорсо-вентральнойразметкой эктодермы, при этом высокие уровни хордина определяют область,которая является нейрогенной, а высокие уровни активности BMP4 определяютобласть, которая не является таковой.
Данная общность, наряду с прочими молекулярными параллелями, явно свидетельствует в пользу консервативности общегостроения этой оси организма у насекомых и позвоночных. Однако эта ось инвертирована так, что дорсальная сторона мухи соответствует вентральной позвоночного(рис. 22.36). По-видимому, в некоторый момент эволюции, предку одного из этихклассов животных стало удобнее жить вверх тормашками.122.3.8. Гены сегментации трех классов детализируют материнскоепередне-заднее разбиение и подразделяют зародыш на сегментыПосле установления первичных градиентов белков Bicoid и Nanos, определяющих передне-заднюю ось тела, на сцену выходят гены сегментации, уточняющиеэту начальную конфигурацию.
Мутации в любом из генов сегментации изменяютчисло сегментов или их основную внутреннюю организацию, не затрагивая общейполярности зародыша. Гены сегментации экспрессируются подгруппами клетокв зародыше, так что их продукты представляют собой первые компоненты, которыеуже собственный геном зародыша, а не материнский геном, вносит в эмбриональное развитие. В связи с этим их называют генами зиготического эффекта, дабыотличать их от более ранних генов материнского эффекта.1 Переворот по дорсо-вентральной оси произошел при переходе от первичноротых к вторичноротым.«Перевернутый» план строения большого числа беспозвоночных относительно позвоночных установилеще Кювье в начале XIX века.— Прим.
ред.22.3. Дрозофила и молекулярная генетика образования тканевых структур 2043Рис. 22.36. Общее строение организма позвоночного как дорсально-вентральная инверсия общегостроения тела насекомого. Механизм конфигурирования тела зародыша позвоночного относительно егодорсально-вентральной оси будет рассмотрен подробнее ближе к концу этой главы. Обратите вниманиена взаимное соответствие в отношении системы кровообращения, а также кишечного тракта и нервнойсистемы. У насекомых система кровообращения представлена сердцем в виде системы трубок и главнымспинным кровеносным сосудом, который выкачивает кровь в области тканей через одну группу отверстийи засасывает просачивающуюся сквозь ткани кровь обратно через вторую их группу. В отличие от позвоночных, у насекомых совершенно отсутствует система капиллярных судов для циркуляции крови по тканям.Тем не менее развитие сердца у позвоночных и у насекомых зависит от взаимно гомологичных генов, чтолишний раз свидетельствует о связи между строением организма первых и вторых.
(Переработано на основеE. L. Ferguson, Curr. Opin. Genet. Dev. 6: 424–431, 1996. С благосклонного разрешения издательства Elsevier.)Гены сегментации попадают в три группы согласно их мутантным фенотипам(рис. 22.37). Ради удобства принимают допущение о последовательном действии этихтрех групп, хотя в действительности их функции пересекаются во времени. Первойидет группа по крайней мере из шести gap-генов, продукты которых размечаютгрубые подразделения зародыша. Мутации в gap-гене приводят к исчезновениюодной или нескольких групп смежных сегментов, а мутации в разных заполняющихгенах вызывают разные, но частично накладывающиеся друг на друга дефекты...Например, мутантной по гену Kru ppel личинке недостает восьми сегментов, от T1до A5 включительно.Следующая категория генов сегментации — группа из восьми генов pairrule. Мутации в них вызывают ряд удалений, затрагивающих сегменты через один(все четные или все нечетные), в силу чего эмбрион остается только с половинойот обычного числа сегментов.
Хотя все мутанты pair-rule показывают такую периодичность через два сегмента, они отличаются по точному расположению удаленийотносительно сегментных или парасегментных границ. Например, у мутанта погену Even-skipped (Eve), которому мы уже дали оценку в главе 7, полностью отсутствуют все нечетные парасегменты, тогда как мутанту по гену Fushi tarazu (Ftz)очень недостает всех четных парасегментов, а мутант по гену правила пар Hairyстрадает от недостачи ряда областей, которые имеют подобную парасегментамширину, но смещены относительно парасегментных единиц.Наконец, известно по крайней мере 10 генов полярности сегментов.
Послемутаций в этих генах получаются личинки с нормальным числом сегментов, нотаких, что часть каждого сегмента удалена и заменена зеркальным дубликатомвсего сегмента или остальной его части. Например, у мутантов по гену Gooseberry2044Часть 5. Клетки в контексте их совокупностиРис. 22.37. Примеры фенотипов мутаций, затрагивающих гены сегментации трех типов. В каждом случаеобласти, затененные зеленым цветом на нормальной (слева) личинке, отсутствуют у мутанта или заменяютсязеркальными дубликатами незатронутых мутацией областей. (Переработано на основе C. Nüsslein-Volhardи E. Wieschaus, Nature 287: 795–801, 1980. С любезного разрешения издательства Macmillan Publishers Ltd.)задняя половина каждого сегмента (или, что то же, передняя половина каждогопарасегмента) заменена приблизительным зеркальным отображением смежногос ним впереди стоящего полусегмента (см. рис.
22.37).Позже мы увидим, что параллельно с процессом сегментации работает еще однагруппа генов (гомеозисные селекторные гены), которая нужна для сообщения последовательности сегментов взаимных различий и последующего их сохранения.Фенотипы различных мутантов по генам сегментации позволяют предположить,что гены сегментации формируют согласованную систему, которая последовательноподразделяет зародыш на все меньшие и меньшие области по передне-задней оси,отличающиеся между собой разными картинами экспрессии генов. Молекулярнаягенетика помогла показать, как эта система работает.22.3.9. Локализованная экспрессия генов сегментациирегулируется иерархией позиционных сигналовПримерно три четверти генов сегментации, включая все gap-гены и pair-rule гены,кодируют регуляторные белки.
Поэтому их действие друг на друга и на другие геныможно наблюдать, сравнивая экспрессию генов в нормальном и мутантном зародышах. Используя соответствующие зонды для обнаружения транскриптов генов или ихбелковых продуктов, можно, в сущности, сделать снимки того, как в изменяющихсякартинах экспрессии одни или другие гены включаются и выключаются. Повторяяэтот процесс с мутантами, у которых отсутствует тот или иной ген сегментации, можноначать разгадывать логику всей системы генетического управления.Продукты генов полярности яйца обеспечивают зародыш глобальными позиционными сигналами на ранних стадиях его развития. Они обусловливают22.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
