Том 3 (1129748), страница 94
Текст из файла (страница 94)
Если один имагинальный диск личинки пересаживают в положение другого и личинку затем оставляют спокойно проходитьметаморфоз, то оказывается, что пересаженный диск автономно дифференцируетсяв структуру, соответствующую его первоначальному местоположению: вне зависимости от своего нового участка диск крыла даст структуры крыла, диск жужжальца — структуры жужжальца и т. д.
Это наблюдение показывает, что клеткиимагинального диска управляются памятью об их первоначальном положении.При помощи более сложной процедуры последовательных пересадок, которая позволяет клеткам имагинального диска разрастаться в течение более длительногопромежутка времени перед дифференцировкой, можно показать, что данная памятьклетки устойчиво наследуется (с редкими огрехами) на протяжении сколь угоднобольшого числа клеточных поколений.22.5.
Органогенез и структурирование конечностей и придатков 2063Рис. 22.50. Метод Gal4/Uas для осуществления управляемой неправильной экспрессии генов у дрозофилы. Данный метод позволяет запускать экспрессию выбранного гена G в тех местах и в те моментывремени, где обычно экспрессируется некоторый другой ген дрозофилы H. а) Создается трансгенноеживотное с двумя отдельными конструкциями, вставленными в его геном.
Одна вставка состоит из специфической для дрожжей регуляторной последовательности, называемой элементом Uas (upstreamactivating sequence — вышележащая активирующая последовательность), сопряженной с копией кодирующей последовательности гена G. Другая вставка содержит кодирующую последовательность генаGal4 дрожжей, продукт которого представляет собой специфический для дрожжей регуляторный белок,который связывается с элементом Uas; такая вставка Gal4 помещена рядом с регуляторной областьюгена H, и управляется ею.
Везде, где обычно экспрессируется ген H, производится также и белок Gal4,который сразу же вызывает транскрипцию гена G. б) Хотя можно достигнуть того же результата, связываякопию регуляторной последовательности гена H непосредственно с кодирующей последовательностьюгена G, подход Gal4/Uas являет собой более эффективную в общем и целом стратегию. Тут строятсядве отдельные «библиотеки» трансгенных мух: одна содержит вставки Gal4, приводимые в действиеразнообразными регуляторными последовательностями разных генов A, B, C и т. д., другая содержитвставки Uas, побуждающие к действию разнообразные кодирующие последовательности X, Y, Z и т.
д.Путем скрещивания мухи из одной библиотеки с мухой из другой любая кодирующая последовательностьможет быть функционально сопряжена с любой регуляторной последовательностью по выбору. Чтобыполучить библиотеку мух с вставками гена Gal4 в полезных участках, сначала получают мух со вставкамигена Gal4 в случайных местоположениях в их геноме. Затем их скрещивают с мухами, содержащимиэлемент Uas, сцепленный с геном-репортером с легко обнаружимым продуктом. Экспрессия этого репортера показывает, вставлен ли ген Gal4 на участке, который подводит его экспрессию под контрольинтересующего нас энхансера; мухи, демонстрирующие интересную картину экспрессии репортера,сохраняются и изучаются.
Этот прием называют методом «ловушки энхансера», потому что он позволяетнайти и охарактеризовать скрытые в геноме любопытные регуляторные последовательности.Гомеозисные селекторные гены — существенные компоненты механизма такойпамяти. Если на любой стадии длительного промежутка времени, предшествующегодифференцировке во время метаморфоза, обе копии каждого гомеозисного селекторногогена удалить (путем индуцированной соматической рекомбинации) из клона клетокимагинального диска, которые в норме экспрессировали бы этот ген, то эти клеткибудут дифференцироваться в неправильные структуры, как если бы они принадлежали2064Часть 5.
Клетки в контексте их совокупностиРис. 22.51. Имагинальные диски в личинке дрозофилы и развивающиеся из них структуры взрослогонасекомого. (Переработано на основе J. W. Fristrom et al., in Problems in Biology: RNA in Development[E. W. Hanley, ed/.], p. 382. Salt Lake City: University of Utah Press, 1969.)иному сегменту тела. Это и другие наблюдения указывают на то, что память каждойклетки о позиционной информации зависит от непрерывного действия гомеозисныхселекторных генов.
Эта память, сверх того, проявляется функционально независимымдля клеток образом — каждая клетка, кажется, поддерживает свое состояние индивидуально, в зависимости от своей собственной истории и, конечно, своего генома.22.5.4. Специфические регуляторные гены определяют те клетки,которые сформируют придатокТеперь нам стоит взглянуть на то, как каждый придаток развивает свою внутреннюю структуру.
Наглядным примером нам послужит крыло насекомого.Процесс этот начинается с работы ранних механизмов конфигурирования,которые мы уже разобрали. Передне-задняя и дорсо-вентральная системы сигналовв молодом зародыше в действительности размечают ортогональную сетку в бластодерме — в форме границ экспрессии генов: дорсо-вентральной, передне-заднейи расположенных через определенные периоды сегментных. В некоторых точкахпересечения этих границ получается такая комбинация экспрессируемых генов, чтогруппа клеток встает на путь развития имагинального диска.На молекулярном уровне это соответствует включению экспрессии задающихимагинальный диск регуляторных генов. В большинстве дисков включается генDistal-less. Он кодирует регуляторный белок, который необходим для поддержанияроста, требуемого для создания удлиненного придатка с проксимально-дистальнойосью — скажем, лапки или антенны.
В случае его отсутствия такие придатки нев состоянии сформироваться, а когда он искусственно экспрессируется в неправильных участках, получаются буквально «неуместные» придатки. Ген Distal-lessэкспрессируется подобным же образом в развивающихся конечностях и прочих22.5. Органогенез и структурирование конечностей и придатков 2065придатках большинства доселе изученных видов беспозвоночных и позвоночных(рис.
22.52). В диске глаза соответствующую роль исполняет другой ген, Eyeless(наряду с двумя близкородственными генами); у него также есть функциональныегомологи — это гены Pax6, которые обеспечивают развитие глаза у других видов(см. главу 7).Рис. 22.52. Экспрессия гена Distal-less в развивающихся лапках и аналогичных придатках у разныхвидов. Личинки морского ежа (а) и моли (б). (Изображение а заимствовано из G. Panganiban et al., Proc.Natl. Acad. Sci. USA. 94: 5162–5166, 1997.
С любезного разрешения National Academy of Sciences; изображение б взято из G. Panganiban, L. Nagy and S. B. Caroll, Curr. Biol. 4: 671–675, 1994. С великодушногопозволения издательства Elsevier.)22.5.5. Диск крыла насекомого разделен на компартментыВ самом начале группа клеток, формирующая имагинальный диск, имеет зачатки элементов внутренней структуры, унаследованные от более раннего процессаразграничения отдельных частей организма. Например, клетки в задней половинезачатка диска крыла (и в большинстве других зачатков в имагинальных дисках)экспрессируют ген полярности сегментов Engrailed, тогда как таковые в переднейполовине диска не делают этого.
Начальные асимметрии закладывают основы дляпоследующего более детального развития структуры точно так же как в яйце и зародыше на ранних стадиях развития.Секторы диска крыла, заданные этими ранними различиями в экспрессии генов,соответствуют определенным частям будущего крыла. Задняя, экспрессирующаяген Engrailed область сформирует заднюю половину крыла, тогда как область,которая не экспрессирует ген Engrailed, сформирует его переднюю половину. Темвременем дорсальная часть диска крыла экспрессирует ген по имени Apterous,тогда как брюшная половина не делает этого.
В процессе метаморфоза диск складывается по линии, отделяющей эти области, и дает крыло, у которого дорсальныйслой клеток получен из области, экспрессирующей ген Apterous, а вентральныйслой — из области, не экспрессирующей ген Apte-rous. Кромка крыла, где этидва эпителиальных слоя сходятся, соответствует границе области экспрессии генаApterous в диске (рис. 22.53).Клетки диска, включив экспрессию генов, которые отмечают их как передниеили как задние, как дорсальные или как вентральные, сохраняют это предписание,пока диск растет и развивается. Поскольку клетки чувствительны к этим различиями избирательны в своем выборе соседей, формируются резко очерченные границымежду четырьмя получающимися в итоге группами клеток, без какого-либо смеше-2066Часть 5.
Клетки в контексте их совокупностиРис. 22.53. Области экспрессии генов в имагинальном дискекрыла, определяющие секторы будущего крыла. Собственнопластинка крыла развивается из овальной формы области вправо и, как показано на рисунке, разделяется на четыре сектора засчет экспрессии генов Apterous и Engrailed.ния на границах. Так как между этими группамине происходит никакого обмена клетками, четыресоответствующих сектора диска называют компар‑тментами (рис. 22.54).22.5.6. Диск крыла формируетсяобъединенными усилиями четырех ужезнакомых нам путей передачи сигналов:Wingless, Hedgehog, Dpp и NotchПо каждой из границ между компартментамикрыла — передне-задней границе, определяемойгеном Engrailed, и дорсо-вентральной границе,определяемой геном Apterous, клетки в разных состояниях противостоят друг другу и взаимодействуют, создавая узкие полоски специализированныхклеток.
Такие пограничные клетки вырабатываютновые сигналы, призванные организовать последующий рост и более тонкую структуру придатка.Клетки в заднем компартменте крыла экспрессируют сигнальный белок Hedgehog, но сами неспособны реагировать на него. Клетки в переднемкомпартменте могут реагировать на сигнал Hedgehog.Поскольку белок Hedgehog действует только на коротком расстоянии, путь приема сигнала активирован только в узкой полоске клеток,пролегающей непосредственно перед границей компартмента, где передние и задниеклетки стоят бок о бок. Данные пограничные клетки отвечают включением экспрессии другой сигнальной молекулы, белка Dpp, с которым мы уже сталкивались ранеепри рассмотрении процесса установления дорсо-вентральной оси раннего зародыша(рис. 22.55). В новом для него контексте белок Dpp действует почти таким же образом,как и прежде: он распространяет свои эффекты наружу от пограничных клеток (засчет диффузии через цитонемы либо путем переноса от клетки к клетке посредствомэкзоцитоза или эндоцитоза) и устанавливает градиент морфогена для управления последующей, более подробной, схемой роста и картиной экспрессии генов.На дорсо-вентральной границе компартментов происходят аналогичные события (см.
рис. 22.55). Здесь, на будущей кромке крыла, за счет взаимосвязиближнего действия, опосредствуемой сигнальным путем Notch, создается полоскапограничных клеток, которые производят другой морфоген, белок Wingless — тотже сигнальный фактор, принадлежащий к семейству Wnt, что действовал ранеепри установлении передне-задней оси каждого зародышевого сегмента. Градиентысигналов Dpp и Wingless, наряду с другими сигналами и с асимметриями экспрессии генов, которые мы уже обсуждали, совместными усилиями обеспечивают22.5. Органогенез и структурирование конечностей и придатков 2067Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
