Генетический контроль сегментации у дрозофилы

1. Еще до оплодотворения включаются гены материнского эффекта, определяющие передне-заднюю полярность яйца (градиент цитоплазмы). Уже описано около 25 таких генов. У мыши они расположены в третьей хромосоме. Наиболее хорошо изучены гены:

bicoid – определяет дифференцировку головных (передних) структур;

hunchback – ротовых структур и груди;

caudal и nanos – задних брюшных сегментов.

Мутации по этим генам приводят к появлению эмбрионов без головы или брюшка. Например, возможен такой сегментарный состав: голова – грудь – голова: брюшко – грудь – брюшко. При мутации hunchback сразу за передней частью головы начинается брюшко.

2. На стадии формирования бластодермы различия в цитоплазме запускают группу генов следующего уровня регуляции – GAP - гены или гены пробела (от англ. gap – брешь, пролом, щель). Пока таких генов обнаружено 8 – (3 материнских и 5 активируются после оплодотворения; 3 из них – зиготические). Ключевым является hunchback, запускаемый белковым продуктом bicoid. Каждый ген контролирует полосу в два-три сегмента (диаметром примерно в 10 клеток). В целом деятельность этих генов определяет четыре широких области эмбриона.

3. На стадии синцитиальной бластодермы активируются гены pair rule – гены правила парности или просто парности. Экспрессируются в виде семи более узких полос. При этом каждая полоса приходится на заднюю область одного и переднюю область другого соседних будущих сегментов. Эти полосы – парасегменты. Мутации этих генов нарушают формирование половины сегментов: либо четных, либо нечетных.

Запускаются GAP-генами. Один и тот же ген в разных частях зародыша может активироваться разными GAP-генами.

4. На стадии клеточной бластоцисты экспрессируются гены segment polarity – сегментарной полярности (пока обнаружено 8 ). Они определяют передне-задний градиент и границы сегментов. Экспрессия происходит в виде четырнадцати полос шириной в один диаметр клетки. Мутации по этим генам инвертируют полярность какого-либо одного сегмента.

Все эти Нох-гены являются генами сегментации и относятся к кардинальным: их мутации приводят к гибели зародыша.

5. Последними начинают работать гены гомеозиса. Их обнаружено около 50. Они контролируют признаки сегментов, прежде всего, их придатков. Активируются совместным действием GAP-генов и генов segment polarity. Мутации этих генов изменяют структуру придатков, но не затрагивают полярность или количество сегментов. Например, вместо антенны может образоваться нога или ротовой придаток или наоборот. Они совместимы с жизнью.

Гоме(й)озис – трансформация одного сегмента в другой или в более широком смысле – трансформация одной части зародыша в другую. Мутация гомеозисного гена приводит к превращению данного сегмента в двойника впереди лежащего сегмента (или его передней или задней части). Термин был введен в 1894 г. У. Бэйтсоном, который обнаружил это явление у растений (у них в результате мутаций могут появиться, например, тычинки вместо лепестков). Позже обнаружилось, что у дрозофил встречаются четырехкрылые особи, а также особи с «неправильными» органами: ногами вместо усов, крыльями вместо ног и т.п. Изучение причин этого явления привело к открытию Нох-генов.

1. Гены материнского эффекта

2. Гены пробела

3. Геныпарности

4. Гены сегментарной

полярности

5. Гены гомеозиса

У дрозофилы гомеозисные гены подразделены на два комплекса: Antennapedia, контролирующий развитие головных и переднегрудных сегментов и Bithorax, контролирующий развитие грудных и брюшных сегментов.

У млекопитающих (человека и мыши) пока обнаружено 38 Нох-генов, собранных в четыре кластера. Их расположение в основном соответствует расположению гомологичных генов у дрозофилы (у мыши они располагаются в третьей хромосоме). Как и у дрозофилы, выполняется принцип коллинеарности: положение генов в кластере коррелирует с расположением зон их экспрессии. Так, у мыши гены на правом конце третьей хромосомы управляют развитием передней, а на левом конце – задней части тела.

Мутации по этим генам превращают одну часть нервной системы в другую (например, участок спинного мозга в задний мозг). У позвоночных под контролем гомеозисных генов также развиваются конечности, лево-правая асимметрия, глаза (то, что пока точно доказано). Из хирургической практики известен случай развития на голове пациента полового органа: это тоже, вероятнее всего, вариант гомеозисной мутации.

NB! Ген Рах-6 мыши способен обеспечить развитие фоторецепторов глаза дрозофилы. Это универсальный клеточный фактор развития глаз для всех животных. Экспериментально также показано, что эмбриональное развитие дрозофилы может нормально протекать под контролем гомеозисных генов курицы.

Суммируя результаты изучения Нох-генов у разных групп животных, можно выявить следующие закономерности:

· Нох-гены – группа генов раннего эмбрионального развития, чье функционирование реализуется в определенной иерархической последовательности. Активность генов предыдущего уровня определяет работу следующего.

· Их эволюция прослеживается от прокариот.

· Их функция – обеспечение клеточных ядер зародыша начальными сигналами дифференцировки (позиционной информацией).

· В ходе эволюции их функции могут меняться. Например, у дрозофилы экспрессия генов Нох связана с формированием сегментов или их внутренней структуры, а у позвоночных (лягушка, мышь, курица, человек), гомологичные гены контролируют сегментацию нервной системы.

· Степень гомологии генов, занимающих сходное положение в кластере у филогенетически отдаленных видов выше, чем у генов из одного и того же кластера данного вида.

· Механизмы развития отдаленных групп животных более универсальны, чем это представлялось ранее.

Предполагается, что гомеозисные гены – то звено, которое связывает биологию развития, генетику и эволюцию.К Уоддинтон (1940) считал их эмбриональными переключателями направления дифференцировки. Р. Гольдшмит(1938) высказал гипотезу, что эволюционные планы строения могут возникать путем соответствующих мутаций генов Нох. Современные исследования подтверждают эту точку зрения:

· Усоногие раки (Cirripedia) полностью лишенные брюшка утратили один из Нох-генов (Mouchel-Vielh et al.,1998).

· Отряд Strepsiptera (Веерокрылые) – насекомые, близкие к жукам, имеют лишь одну пару крыльев, но, в отличие от двукрылых, не переднюю, а заднюю. Доказано, что они являются результатом гомейотической мутации, поменявшей местами второй и третий грудные сегменты (Whiting, 1998).

· У дрозофил, если в клетках третьего грудного сегмента не работает один из генов, то сегмент развивается под действием белка лежащего впереди гена и получается четырехкрылый мутант.

· Возможно, крылатые насекомые произошли от первичнобескрылых в результате делеции гомеозисного гена из группы Antennapedia, который трансформирует все грудные сегменты в первый грудной, не имеющий крыльев.

· Что касается первичнобескрылых насекомых, то они могли произойти из многоножкообразных членистоногих в результате делеции Вithorax- комплекса и соответствующей трансформации брюшных сегментов в грудные.

ФАКТОРЫ КЛЕТОЧНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ

Непосредственной причиной развития дифференциальной активности генов является конформация (изменение пространственной структуры) ДНК. Этот процесс зависит от ДНК-связывающих (негистоновых) белков.

Рис 1. Схема включения гена при конформации ДНК

Дата добавления: 2014-01-20