Том 3 (1129748), страница 93
Текст из файла (страница 93)
Комплексы Hox, гомологичныетаковым у дрозофилы, найдены у животных практически всех изученных типов,от кишечнополостных до человека, и они, по-видимому, играют эволюционноконсервативную роль в дифференцировке сегментов вдоль передне-задней оситела. Млекопитающие имеют четыре комплекса Hox, и каждый из них демонстрирует подобное соответствие между последовательным расположением геновна хромосоме и их последовательной картиной экспрессии вдоль оси тела.22.5. Органогенез и структурирование конечностейи придатков2Итак, мы узнали, что все сегменты личинки насекомого представляют собойразновидности одной и той же базовой структуры, при этом гены сегментацииопределяют основной повторный модуль, а гомеозисные селекторные гены придают каждому сегменту его индивидуальный характер.
То же самое относитсяи к основным придаткам тела взрослого насекомого — лапкам, крыльям, антеннам,частям ротового аппарата и наружным половым органам: они тоже являются разновидностями общей основной структуры. На более тонком уровне детализации мывстречаем все то же изумительное упрощение: придатки — и многие другие частитела — состоят из субструктурных элементов, которые сами являются разновидностями небольшого числа основных эволюционно консервативных узлов.В этом параграфе мы проследуем за ходом развития дрозофилы от началаи до конца, фокусируя наше внимание на каждой его стадии, чтобы исследоватьодин лишь пример многих родственных структур, которые развиваются параллельно.
По мере нашего продвижения мы укажем на параллели со структурамипозвоночных, которые развиваются подобным же образом, используя не только теже общие стратегии, но и многие из тех же специфических молекулярных механизмов. Но чтобы не прерывать наш рассказ позже, нам нужно сначала вкратцеобрисовать некоторые ключевые экспериментальные методы, позволяющие намсовладать с особой проблемой, которая возникает каждый раз, когда мы стараемсявыяснить, как гены управляют развитием на более поздних его стадиях.22.5.1. Условные и индуцированные соматические мутациипозволяют анализировать функции генов на поздних стадияхразвития организмаКак мы подчеркивали ранее, один и тот же ген может неоднократно использоваться во многих различных ситуациях — в разных областях тела и в разное2 В оригинале используется термин «appendage», который переводится как «придаток» и относится ко всем подвижным выростам тела насекомого.
В русскоязычной литературе по традиционнойзоологии беспозвоночных у насекомых различают конечности, т. е. подвижные трубчатые выросты тела,поделенные на членики, и собственно придатки (ложные ноги, трахейные жабры и особенно крылья).Далее в этой главе мы следуем оригиналу и используем термин «придаток», подразумевая под этим какпридатки, так и конечности.
— Прим. ред.2060Часть 5. Клетки в контексте их совокупностивремя. Часто мутации с потерей функции настолько сильно нарушают развитиена ранних его стадиях, что зародыш или личинка умирает, лишая нас возможностивидеть, как эта мутация затронула бы более поздние процессы.Один из обходных путей этой проблемы состоит в изучении кондиционныхмутаций. Если мы имеем, к примеру, температурочувствительную мутацию в интересующем нас гене, то мы можем поддерживать животное в течение всего раннегопериода развития при низкой температуре, когда продукт этого гена работает нормально, а затем, чтобы выявить поздние функции этого продукта, выводить его изстроя каждый раз, когда нам заблагорассудится, поднимая температуру.В число других методов входит фактическое видоизменение ДНК в подгруппах клеток на поздних стадиях развития — своего рода генетическая операция наотдельных клетках, которая позволяет в выбранное время в ходе развития производить группы мутантных клеток с заданным генотипом.
Эту искусную операциюможно претворить в жизнь путем индуцированной соматической рекомбинации,получающийся организм называют генетическим мозаиком. Используя генетическихмозаиков, мы можем не только обойти проблему летальности, когда функция генанарушается в организме в целом; мы можем также исследовать роль гена в межклеточных взаимодействиях, сопоставляя мутантные и немутантные клетки.
Мыможем проверить, например, используют ли клетки продукт гена, чтобы посылатьсигнал соседям, или чтобы получать от них сигнал, или ни то, ни другое. А вызываягенетическое изменение в разные моменты времени, мы можем точно узнать, когдаименно ген включается, чтобы произвести определенный эффект.Применяемый сегодня метод осуществления индуцированной соматическойрекомбинации основан на использовании трансгенных мух, которых скрещиваюттак, чтобы они содержали полученные из дрожжей генетические элементы двухтипов: ген сайтспецифической рекомбиназы FLP и последовательность-мишеньрекомбиназы FLP (FRT). Как правило, животное гомозиготно по вставке последовательности FRT вблизи центромеры на выбранном плече хромосомы, тогда какконструкция, состоящая из гена Flp под промотором теплового шока, вставляетсяв каком-либо другом месте генома.
Если такой трансгенный зародыш или личинкуподвергнуть тепловому шоку (то есть выдержать при высокой температуре в течениенескольких минут), то индуцируется экспрессия гена Flp и этот фермент катализирует соматический кроссинговер и рекомбинацию между материнскими и отцовымихромосомами на участке FRT. Если тепловой шок был достаточно умеренным, то этособытие произойдет только в одной или нескольких клетках, расположенных в случайном порядке.
Как объясняется на рис. 22.49, если животное было гетерозиготнопо интересующему нас гену в области, затрагиваемой кроссинговером, то данныйпроцесс может закончиться парой дочерних клеток, которые будут гомозиготными:одна получает две копии материнского аллеля этого гена, другая — две отцовскиекопии его аллеля. Каждая из таких дочерних клеток будет расти и делиться какобычно и даст клональные линии гомозиготного потомства.Соматический кроссинговер можно выявить, если животное выбрано так,чтобы быть гетерозиготным также и по генетическому маркеру, который лежитна том же плече хромосомы, что и интересующий нас ген, и поэтому подвергаетсясоматической рекомбинации вместе с ним. Таким образом, с помощью этой методики можно получать наглядно маркированные гомозиготные мутантные клоныклеток.
Как и пара FLP и FRT, аналогичная пара рекомбинационных элементов Creи Lox может быть использована также и в других конфигурациях для включения22.5. Органогенез и структурирование конечностей и придатков 2061Рис. 22.49. Создание мутантных клеток посредством индуцированной соматической рекомбинации.На схемах прослеживается путь дифференцировки одной пары гомологичных хромосом: одна от отца(затенена), другая от матери (не затенена). Поблизости от центромер этих хромосом вставлен элементFrt (зеленый), а дальше на том же плече хромосомы — локус интересующего нас гена X.
Отцовская хромосома (в этом примере) несет аллель дикого типа гена X (пустой красный прямоугольник), тогда какматеринская хромосома несет рецессивный мутантный аллель (заполненный красный прямоугольник).Рекомбинация путем обмена ДНК между материнской и отцовской хромосомами, катализируемаярекомбиназой FLP, может породить пару дочерних клеток, одна из которых будет содержать две копиидикого типа гена X, другая — две мутантные копии. Для облегчения опознавания клеток, в которыхрекомбинация произошла, могут быть выбраны материнская и отцовская хромосомы, несущие различные генетические маркеры (здесь не показаны), способные производить видимый продукт, и размещенные на хромосоме таким образом, чтобы рекомбинация, затрагивающая локус маркера, приводилак видимому изменению внешнего вида клеток и служила сигналом о том, что ген X также подвергсярекомбинации.или выключения экспрессии какого-нибудь гена (см.
рис. 5.79). Благодаря этимметодам можно, например, обнаружить, что происходит, когда клетки производят2062Часть 5. Клетки в контексте их совокупностизаданную сигнальную молекулу в непривычном участке или когда они лишаютсяопределенного рецептора.Вместо того чтобы использовать промотор теплового шока для осуществленияэкспрессии рекомбиназы FLP, можно употребить копию регуляторной последовательности каждого гена из нормального мушиного генома, который экспрессируется в некоторое интересующее нас время и в нужном нам месте. В таком случаесобытие рекомбинации будет запущено, а мутантные клетки созданы только на техучастках, где этот ген экспрессируется в норме. Вариант этого метода предлагаетприменять не механизм генетической рекомбинации, а заимствованный у дрожжеймеханизм транскрипционного управления, чтобы обратимо переключать экспрессиювыбранного гена мухи согласно нормальной картине экспрессии некоторого другоговыбранного мушиного гена (рис.
22.50).Выключая или включая функции гена в определенные моменты времении в нужных местах такими способами, ученые в области биологи развития могутприступить к расшифровке системы генетически задаваемых сигналов и ответов наних, которая управляет развитием всех органов тела.22.5.2. Части тела взрослой мухи развиваются из имагинальныхдисковВнешние структуры взрослой мухи формируются главным образом из зачатков, называемых имагинальными дисками (imaginal discs), — групп клеток,которые остаются явно недифференцированными, в каждом сегменте личинки.Диски представляют собой мешочки эпителия, по форме напоминающие сморщенные и сплюснутые воздушные шары и непрерывно перетекающие в эпидермис(поверхностный слой) личинки.
Всего их 19: 9 пар дисков, идущих по обе стороныличинки, и 1 диск на средней линии (рис. 22.51). Они растут и развивают своювнутреннюю структуру по мере роста личинки, и наконец, в процессе метаморфозаони выворачиваются наизнанку, вытягиваются, бурно дифференцируются и формируют эпидермальный слой взрослого насекомого. Глаза и антенны развиваютсяиз одной пары дисков, крылья и часть груди — из другой, первая пара лапок —из следующей и так далее.22.5.3. Гомеозисные селекторные гены необходимы для храненияпозиционной информации в клетках имагинальных дисковКлетки одного имагинального диска выглядят точно так же, как и другого,но эксперименты с пересадкой показывают, что фактически они уже региональнопредопределены и неэквивалентны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
