Том 3 (1129748), страница 96
Текст из файла (страница 96)
В этойструктуре обнаруживается экспрессия гомологов почти всех генов, которые мыупоминали в нашем описании конфигурирования крыла дрозофилы, включая геныDistal-less, Wingless, Notch, Engrailed, Dpp и Hedgehog, главным образом выполняющие функции, которые кажутся более или менее подобными их функциямв диске крыла дрозофилы (рис. 22.57).Гены Hox аналогичным образом появляются в конечностях и насекомых, и позвоночных. В придатке насекомого передний и задний компартменты отличаютсяэкспрессией разных генов из комплекса Hox — результат картины последовательнойэкспрессии этих генов по передне-задней оси тела в целом.
В конечности позвоноч3 В настоящее время при помощи экспериментов на мышах установлены многие эволюционныеаналоги внутриклеточных компонентов сигнального пути Hippo. По-видимому, роль, аналогичную Hippo,у млекопитающих играют две протеинкиназы Mst1 and Mst2, контролирующие размер некоторых органови рост опухолей. Гены Mst1 and Mst2 отвечают за вырожденный набор функций, т.к. их одновременнаяинактивация у мышей приводит к гибели эмбрионов на ранней стадии развития. — Прим.
ред.22.5. Органогенез и структурирование конечностей и придатков 2071Рис. 22.57. Молекулы, ответственные за построения плана почки конечности позвоночного. а) Почкакрыла зародыша курицы после 4-х дней инкубации. Растровый микрофотоснимок сделан в дорсальнойпроекции, слева видны сомиты (сегменты нервного ствола зародыша). На дальнем краю зачатка крыламожно разглядеть только утолщенный гребень — апикальный эктодермальный гребень. б) Картиныэкспрессии ключевых сигнальных белков и регулирующих гены факторов в почке конечности курицы.Картины изображены схематично в двух воображаемых плоскостях сечения через зачаток конечности:одна (горизонтальная) показывает дорсо-вентральную систему, а другая (вертикальная) показываетпередне-заднюю и ближне-дальнюю системы. В мезодермальной сердцевине почки конечности экспрессируются гены Sonic hedgehog, Bmp2 и Lmx1; другие молекулы на схеме экспрессируются в ееэпителиальном покрове.
Почти у всех показанных молекул есть гомологи, которые участвуют в структурировании диска крыла дрозофилы. (Изображение а любезно предоставлено Paul Martin.)ного гены из пары комплексов Hox позвоночных (HoxA и HoxD) экспрессируютсяв виде регулярной картины, подчиняющейся обычным правилам последовательнойэкспрессии генов в этих комплексах (всего их, как помним, четыре). Они помогают, в сочетании с другими факторами, например, упоминавшимися ранее белкамиTbx (см. рис.
22.9), регулировать различия поведения клеток по проксимальнодистальной оси конечности.Согласно одному из возможных представлений, данные молекулярные подобия между развивающимися конечностями у животных разных типов отражают ихпроисхождение от общего предка, который, хотя и не имел конечностей, обладалпридатками некоторого вида, построенными на подобных принципах, — антеннами,возможно, или выдающимися наружу ротовыми частями для захватывания пищи.В таком случае современные подобные конечностям придатки, от крыльев и лапокмухи до рук и ног человека, могли эволюционировать за счет активации генов,служащих для формирования придатков, на новых участках тела в результате изменений в регуляции генов.22.5.9. Локализованная экспрессия регулирующих гены белковопределенных классов предшествует дифференцировке клетокТеперь мы вновь продолжим разговор о развитии имагинального диска дрозофилы и дойдем до его заключительного шага, на котором клетки становятсяокончательно дифференцированными.
Далее сфокусируем наше внимание на диф-2072Часть 5. Клетки в контексте их совокупностиференцировки маленькой структуры одного только типа, которая появляется в эпителии имагинального диска: сенсорный волосок (сенсилла).Волоски (щетинки), покрывающие поверхность тела насекомого, суть миниатюрные органы чувств. Некоторые реагируют на химические раздражения, другиена механические раздражения, но все они построены одинаковым образом. В наиболеепростой форме структура таких волосков просматривается в механочувствительныхщетинках. Каждая из них состоит из четырех клеток: стержневой клетки, гнездовойклетки, шванновской клетки и нейрона (рис.
22.58). Движение стержня щетинкивозбуждает нейрон, который посылает сигнал центральной нервной системе.Клетки щетинки взрослой мухи возникают из эпителия имагинального диска,и все четыре из них — внучки или правнучки (см. рис. 22.58) отдельной сенсорнойматеринской клетки, которая обособляется от соседних предполагаемых эпидермальных клеток во время стадии личинки последнего возраста (рис. 22.59). (Пятыйпотомок умирает или, в некоторых тканях, становится глиальной клеткой.) Чтобыописать схему дифференцировки сенсиллы, нам нужно сперва объяснить, как осуществляется управление возникновением сенсорных материнских клеток, а затем — какпять потомков каждой такой клетки начинают отличаться друг от друга.Определяюще важными в зачинании формирования щетинок в эпителии имагинального диска являются два гена, названные Achaete и Scute.
Эти гены выполняютподобные и частично перекрывающиеся функции и кодируют близкородственныерегуляторные белки относящиеся к классу транскрипционных факторов с основнымдоменом типа спираль–петля–спираль (обсуждается в главе 7). В результате работыконфигурирующих диск механизмов уже рассмотренного нами типа, гены Achaeteи Scute экспрессируются в имагинальном диске в тех областях, в пределах которых сформируются щетинки. Мутации, которые устраняют экспрессию этих геновв некоторых из их обычных участков, блокируют развитие щетинок только на этихучастках, а мутации, которые вызывают экспрессию в дополнительных, неправиль-Рис.
22.58. Основная структура механорецепторной щетинки Слева показана клеточная линия из четырехобразующих щетинку клеток — все они потомки одной сенсорной материнской клетки.22.5. Органогенез и структурирование конечностей и придатков 2073Рис. 22.59. Сенсорные материнские клетки в имагинальномдиске крыла.
Сенсорные материнские клетки (здесь обозначены синим) легко наблюдать в этой специальной линиидрозофилы, содержащей искусственный ген-репортер LacZ,который случайныи образом попал в геном рядом с управляющей областью, побуждающей его экспрессироваться избирательно в сенсорных материнских клетках. Фиолетовыепятна показывают картину экспрессии гена Scute; он предшествует появлению сенсорных материнских клеток и исчезает,по мере того как они развиваются.
(Заимствовано из P. Cubaset al. Genes Dev. 5: 996–1008, 1991. С любезного разрешенияиздательства Cold Spring Harbor Laboratory Press.)ных участках, обусловливают развитие на нихволосков. Но экспрессия генов Achaete и Scuteявляется временной, и только меньшинство клеток, первоначально экспрессировавших эти гены,становится сенсорными материнскими клетками;другие становятся обычным эпидермисом. Состояние, которое задается экспрессией генов Achaeteи Scute, называют пронейронным, а сами геныAchaete и Scute называют пронейральными ге‑нами. Пронейральные клетки направляются нанейросенсорный путь дифференцировки, но, как мы увидим, кто из них фактическипойдет по нему, зависит от конкурентных взаимодействий между ними.22.5.10. Латеральное ингибирование отбирает сенсорныематеринские клетки из кластеров пронейральных клетокКлетки, экспрессирующие пронейральные гены, расположены в эпителииимагинального диска группами — маленькая, обособленная группка из менее чем30-ти клеток для большого обособленного волоска и широкая сплошная областьиз сотен или тысяч клеток для поля маленьких волосков.
В первом случае толькоодин член группы становится сенсорной материнской клеткой; во втором случаемножество клеток, рассредоточенных по всей пронейральной области, делает это.В обоих случаях каждая сенсорная материнская клетка оказывается окруженнойклетками, которые выключают экспрессию пронейральных генов и становятся,вместо этого коммитированными к дифференцировке в эпидермис. Экспериментыс генетическими мозаиками показывают, что это связано с тем, что клетка, котораянаправляется на путь дифференцировки в сенсорную материнскую клетку, посылаетсвоим соседям сигнал не делать того же самого: она осуществляет латеральноеторможение. Если клетка, которая в норме стала бы материнской сенсорной клеткой, генетически лишается такой возможности, то соседняя пронейронная клетка,освободившись от гнета латерального ингибирования, станет чувствительной материнской клеткой вместо нее.Латеральное торможение опосредствуется сигнальным путем Notch.
Первоначально все клетки группы экспрессируют и трансмембранный рецептор Notchи его трансмембранный лиганд Delta. Везде, где лиганд Delta активирует рецептор Notch, в экспрессирующую Notch клетку посылается тормозящий сигнал;2074Часть 5. Клетки в контексте их совокупностиследовательно, все клетки в группе первоначально тормозят друг друга.
Однакополучение такого сигнала в данной клетке, как полагают, уменьшает не толькостремление этой клетки специализироваться в сенсорную материнскую клетку,но также и снижает ее способность сопротивляться, посылая тормозящий сигнал Delta в ответ. Это создает состояние конкуренции, из которого в каждойРис. 22.60. Латеральное ингибирование. а) Основной механизм опосредствуемого белком Notch конкурентного латерального ингибирования, показанный на примере пары взаимодействующих клеток.На этой схеме отсутствие цвета на белках или на линиях эффектора означает их бездействие. б) Исходтого же процесса, происходящего в более многочисленной группе клеток.
Сначала все клетки в группеэквивалентны и экспрессируют и трансмембранный рецептор Notch, и его трансмембранный лигандDelta. Все клетки стремятся специализироваться (как сенсорные материнские клетки) и каждая из нихпосылает тормозящий сигнал своим соседкам, дабы воспрепятствовать их специализации в том же направлении.
В итоге возникает конкурентная ситуация. Как только отдельная клетка получает какое-либопреимущество в таком соревновании, это преимущество начинает усиливаться. Выигрывающая клетка,по мере того как она становится все более и более дифференцированной в сенсорную материнскуюклетку, тормозит своих соседей все сильнее. И наоборот, по мере того как эти соседи теряют способностьдифференцироваться в сенсорные материнские клетки, они теряют также и способность удерживатьостальные клетки от этого шага.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
