Том 3 (1129748), страница 90
Текст из файла (страница 90)
Хорошим примером служит ген полярности сегментов Engrailed. Его РНК-транскрипты наблюдаются в клеточной бластодермев виде последовательности из 14 полос (каждая шириной примерно в одну клетку),соответствующих самым передним частям будущих парасегментов (рис. 22.41).Гены полярности сегментов экспрессируются в виде картин, которые повторяются от одного парасегмента к другому, и их полосы экспрессии устойчивосоотносятся с полосами экспрессии генов pair rule, которые помогают их индуцировать. Однако создание такой картины в пределах каждого парасегмента зависит отвзаимодействий между самими генами полярности сегментов. Эти взаимодействияпроисходят на стадиях развития, когда бластодерма уже стала полностью раздробленной на отдельные клетки, так что в игру должна включиться система передачимежклеточных сигналов обычного вида.
Большая подгруппа генов полярностисегментов кодирует компоненты двух путей передачи сигналов, пути Wnt и путиHedgehog, в том числе секретируемые сигнальные белки Wingless (член семейства Wnt) и Hedgehog. Они экспрессируются в разных полосах клеток, которыеслужат сигнальными центрами в пределах каждого парасегмента, и их действиянаправлены на поддержание и уточнение картин экспрессии других генов полярности сегментов. Более того, хотя их начальная экспрессия определяется генамиpair rule, эти два сигнальных белка регулируют экспрессию друг друга способомвзаимной поддержки и вдобавок продолжают помогать запускать экспрессию геновтипа Engrailed в точно определенных участках.Рис.
22.40. Формирование полос экспрессии генов Ftz и Eve в бластодерме дрозофилы. Оба гена, и Ftzи Eve, относятся к генам pair rule. Картины их экспрессии (показаны коричневым для гена Ftz и серымдля гена Eve) сначала расплывчаты, но быстро распадаются на резко очерченные полосы. (Заимствованоиз P. A. Lawrence, The Making of a Fly. Oxford, UK: Blackwell, 1992.)22.3. Дрозофила и молекулярная генетика образования тканевых структур 2049Рис. 22.41. Картина экспрессии гена полярности сегментов Engrailed. Картина экспрессии гена Engrailedпоказана в 5-часовом зародыше (на стадии вытянутой зародышевой полоски), в 10-часовом зародыше иво взрослом насекомом (в данном препарате его крылья удалены).
Эта картина проявлена с помощьюантитела (коричневый цвет) к белку Engrailed (для 5- и 10-часовых зародышей) или (для взрослогонасекомого) при помощи конструирования линии дрозофилы, содержащей контролируемые последовательности гена Engrailed, сцепленные с кодирующими последовательностями гена-репортера LacZ,продукт которого обнаружим гистохимическими приемами по синему цвету продукта катализируемойим реакции. Обратите внимание, что картина экспрессии гена Engrailed, будучи однажды установлена,сохраняется на протяжении всей жизни животного.
(Заимствовано из C. Hama, Z. Ali and T. B. Kornberg,Genes Dev. 4: 1079–1093, 1990. С любезного разрешения Cold Spring Harbor Laboratory Press.)Картина экспрессии гена Engrailed будет сохраняться на протяжении всейжизни организма, спустя длительное время после исчезновения сигналов, которые изначально организовали его производство (см. рис. 22.41). Этот примериллюстрирует не только последовательное подразделение эмбриона посредствомвсе более и более узконаправленных сигналов, но также и переход от непостоянных (кратковременных) сигнальных событий периода раннего развития к болеепозднему устойчивому поддержанию (сохранению) относящейся к развитиюинформации.Помимо регулирования экспрессии генов полярности сегментов, продукты геновpair rule в сотрудничестве с продуктами gap генов, обусловливают точно локализованную активацию дальнейшего набора пространственных меток — гомеозисных селекторных генов.
Именно гомеозисные селекторные гены раз и навсегда устанавливаюти закрепляют отличия одного парасегмента от другого. В следующем параграфе мы подробно изучим эти самые селекторные гены и рассмотрим их роль в памяти клетки.ЗаключениеДля генетики развития животных дрозофила стала самым значимым ммодельным организмом. Как и у прочих насекомых, ее развитие начинается с рядаядерных делений, ведущего к образованию синцития, и в этой гигантской единоцельной многоядерной клетке происходит немалая часть первичной разметкиэмбриона. Структура эмбриона начинается с асимметрии яйца, организуемой2050Часть 5. Клетки в контексте их совокупностии сосредоточенными запасами мРНК в яйце, и сигналами от окружающих егоклеток фолликула.
Позиционная информация в многоядерном зародыше обеспечивается четырьмя внутриклеточными градиентами, которые устанавливаютпродукты четырех групп генов материнского эффекта, называемых генамиполярности яйца. Они контролируют четыре разграничения, принципиальныхдля общего строения организма животных: спина против брюха, эндодермапротив мезодермы и эктодермы, зародышевые клетки против соматическихклеток и голова против хвоста.Гены полярности яйца устанавливают градиенты распределения регуляторных белков в яйце и зародыше на ранних стадиях развития. Градиентыпо передне-задней оси инициируют упорядоченную экспрессию генов gap, геновpair rule, генов полярности сегментов и гомеозисных селекторных генов.
Они,через иерархию сложных взаимодействий, начинают экспрессироваться в однихобластях зародыша, не претендуя на другие, и последовательно подразделяютбластодерму на регулярный ряд повторяющихся модульных единиц, называемыхсегментами. Сложные картины экспрессии генов отражают модульную организацию регуляторной ДНК, то есть наличие у отдельно взятого гена различныхэнхансеров, отвечающих за отдельные участки его картины экспрессии.К концу процесса сегментации, вскоре после того как синцитий разделитсяна отдельные клетки, в игру входят гены полярности сегментов и принимаются за внутреннюю разметку каждого сегмента, при помощи сигнальных путейс участием белков Wnt (Wingless) и Hedgehog.
Это приводит к постояннойлокализованной активации таких генов, как Engrailed, что позволяет клеткезапомнить свой адрес по передне-задней оси в пределах данного сегмента. Темвременем по дорсо-вентральной оси устанавливается еще один градиент межклеточного сигнала, при этом в роли морфогенов выступают член семействаTGFβ Decapentaplegic (Dpp) и его антагонист Short gastrulation (Sog). Этотградиент помогает уточнить распределение различных признаков по клеткамна разных уровнях по дорсо-вентральной оси. Гомологичные им белки, как известно, управляют развитием вдоль вентро-дорсальной оси у позвоночных.22.4. Гомеозисные селекторные гены и формированиепередне-задней осиВ ходе своего развития тело становится все более и более сложным.
Однаково всей этой возрастающей сложности есть упрощающая особенность, благодарякоторой картина всего процесса развития вписывается в рамки нашего понимания.Снова и снова у каждого вида и на каждом уровне организации мы находим, чтосложные структуры создаются путем повторения нескольких основных тем с некоторыми вариациями. Так, в разных участках тела, практически в неизменномвиде, лишь с тонкими индивидуальными разновидностями, встречается ограниченноечисло основных типов дифференцированных клеток, таких как мышечные клеткиили фибробласты. Клетки этих типов организованы в ткани ограниченного числатипов, таких как мышцы или сухожилия, которые опять же встречаются в разныхобластях тела и имеют лишь тонкие отличия друг от друга.
Из различных тканейстроятся разные органы, скажем, зубы или пальцы — коренные и резцы, пальцырук, большой палец и пальцы ног, — по сути, структуры нескольких основныхвидов, повторяющиеся с некоторыми изменениями.22.4. Гомеозисные селекторные гены и формирование передне-задней оси 2051Везде, где бы мы ни встречали такое явление модулированного повторения,мы можем разделить задачу биологии развития на следующие два вопроса: каковосновной конструирующий механизм, общий для всех объектов данного класса?и как этот механизм видоизменяется, чтобы дать наблюдаемые разновидности? Зародыш использует комбинаторную стратегию для создания всей своей сложности,и мы можем прибегнуть к комбинаторной же стратегии для ее постижения.Сегменты тела насекомого служат весьма наглядным примером.
Мы ужесделали набросок схемы, по которой строится зачаток отдельно взятого типичногосегмента. Теперь нам надо посмотреть, за счет чего один сегмент начинает отличаться от другого.22.4.1. Комплекс Hox определяет различия в передне-задней осиВ генетике первый проблеск ответа на вопрос о том, как каждый сегмент приобретает свой индивидуальный характер, забрезжил более 80 лет назад, с открытиемпервой из целой серии мутаций дрозофилы, вызывающих причудливые аномалиив организации тела взрослой мухи. К примеру, у мутанта по гену Antennapediaвместо антенн на голове вырастают ноги (рис. 22.42), а у мутанта по гену Bithoraxпоявляются части дополнительной пары крыльев там, где обычно должны бытьнамного меньшие придатки, называемые жужжальцами.
Эти мутации преобразуютчасти тела в структуры, соответствующие другим положениям в (на) теле, и называются гомеозисными. Целая группа гомеозисных селекторных генов определяетхарактер сегментов мухи относительно передне-задней оси.Все гены этой группы — а у мухи их восемь, — связаны между собой эволюционным родством, являясь членами мультигенного семейства, и все они лежатв одной или другой из двух плотных групп генов, известных под названиями «ком‑плекс Bithorax» и «комплекс Antennapedia». Гены комплекса Bithorax определяютразличия между брюшными и грудными сегментами тела, тогда как гены комплексаAntennapedia определяют различия между грудными и головными сегментами.Сравнения с другими биологическими видами показывают, что те же самые геныприсутствуют практически у всех животных, включая людей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
