4. Генетика раннего эмбрионального развития дрозофилы

Еще в 1950-х гг. предположили, что клетки вырабатывают некие вещества – морфогены, которые индуцируют образование определенных частей тела. Предполагали, что эти вещества диффундируют через ткань и их распределение диктует тот или иной путь развития клетки.

По современным представлениям, морфоген – это белок (или его информационная РНК), который выделяется в определенном месте организма клеткой или группой клеток, и во время последующей диффузии в ткани образуется градиент его концентрации. В каждой клетке или ткани существует свой набор и концентрация морфогенов, т. е. своя информация о последующем развитии.

Лучше всего изучены градиенты морфогенов в развивающемся яйце дрозофилы. Известно, что у дрозофил яйцо созревает в особой камере — фолликуле. Эта камера содержит ооцит — созревающее яйцо и 15 огромных питающих клеток, которые синтезируют продукцию и перекачивают ее в ооцит. В них активны гены с материнским эффектом, т. е. такие гены, которые функционируют в организме матери еще до оплодотворения яйца сперматозоидом, и их продукты поступают в ооцит. Один из таких генов — bicoid (bcd). Весь продукт этого гена (и-РНК и белок) синтезируется только у матери и откладывается в яйце.

Этот и ему подобные белки (и-РНК) транспортируются в яйцо из питающих клеток, распределяются по оси яйца, образуя градиенты, характерные для продуктов каждого гена. Продукт гена bсd в пределах яйца занимает строго определенный участок.

При созревании яйца в организме матери формируются четыре независимых градиента:

1) передне-задний градиент белков (РНК) гена bсd;

2) градиент белка nanos, расположенного в задней части яйца и необходимого для развития брюшка мухи;

3) градиент белка torso, расположенного на обоих полюсах яйца и необходимого для определения головной и хвостовой частей тела;

4) градиент белков дорзо-вентральной системы.

После того как градиенты в яйце созданы, происходит оплодотворение и начинается дробление зародыша, в результате чего образуется бластула (однослойная бластодерма). Каждая клетка в ней занимает определенное положение по отношению к градиентам морфогенов. Морфогены начинают взаимодействовать с регуляторными участками генов клеток бластулы.

Понятно, что клетка, находящаяся в области локализации морфогена bсd, будет испытывать его влияние, и развитие пойдет в определенном направлении. Если же клетка расположена в задней части эмбриона, где этого морфогена нет, но есть другой, она будет развиваться иначе. Таким образом, набор определенных белков, накопленных цитоплазмой к данной стадии развития, активирует определенный набор генов, благодаря чему развитие идет дальше.

Каким образом белковый продукт одного гена может взаимодействовать с другим геном? Как известно, регуляторные части генов содержат специфические группы нуклеотидов (мотивы), имеющие сродство к определенным сочетаниям аминокислот (доменам) в молекулах белков. Посадка белков на соответствующие мотивы в регуляторных областях генов приводит к транскрипции структурной части гена (если белок является активатором) или блокированию транскрипции (если белок является репрессором).

После образования бластодермы и включения генов ее клеток начинается формирование сегментального плана строения тела. Дело в том, что тело взрослой мухи (имаго) состоит из ясно выраженных сегментов. В бластодерме сегменты еще четко не выражены и носят название парасегментов, которые и дают начало сегментам взрослой мухи.

Сегментный тип организации свойствен не только двукрылым насекомым, но и многим другим животным. Даже у человека на некоторых этапах развития выявляются сомиты — первичные сегменты тела, на которые разделяется в ходе зародышевого развития мезодерма.

Сегменты у дрозофилы формируются в результате действия 25 генов сегментации. В результате мутаций этих генов изменяется число и расположение сегментов.

После того как завершена сегментация, вступают в действие гомеозисные гены — большой класс генов, которые контролируют развитие какой-то части тела из определенного сегмента. Если произойдет гомеозисная мутация, из данного сегмента развивается какая-то другая часть тела. Среди гомеозисных генов наиболее известны bithorax-complex (BX-C) и Antennapedia-complex (Ant-C).

Термин «гомейозис» предложил в 1894 г. У. Бэтсон еще до переоткрытия законов Г. Менделя. Он назвал этим словом такое изменение признаков, в результате которого «нечто изменяется в похожесть на что-то другое». У особи вместо одних частей тела появляются другие, которые в норме должны быть расположены в другом сегменте тела. Первую гомеозисную мутацию — bithorax у дрозофилы открыл К. Бриджес в 1915 г. В 1926 г. Е. И. Балкашина открыла вторую мутацию — Aristapedia, и еще через 5 лет вновь К. Бриджес открыл proboscipedia.

У дрозофилы личинки и имаго имеют ярко выраженные сегменты: один головной, три грудных и восемь брюшных. Каждый сегмент имаго содержит уникальный набор дифференцированных структур. Например, мезоторакальный сегмент несет пару крыльев и пару ног, метаторакальный — пару ног и пару гальтеров — особых булавовидных образований, помогающих удерживать равновесие в полете. Характерный набор можно найти и на сегментах личинки.

Американский ученый Эдвард Льюис показал, что мухи эволюционировали из насекомых, имевших четыре крыла, а все насекомые, в свою очередь, произошли от членистоногих, имевших множество ног. В ходе эволюции у мух должны были сформироваться гены, подавляющие развитие ног на брюшных сегментах многоножкоподобных предков, а также подавляющие развитие второй пары крыльев. Должна была также появиться группа генов, отвечающих за формирование новых структур: гальтеров и брюшных сегментов.

Одним из таких генов оказался ВХ-С. В ходе своих экспериментов Э. Льюис полностью удалил ген ВХ-С с помощью небольшой делеции. Без этого гена эмбрион развивается до определенной стадии и затем гибнет.

Погибший эмбрион можно было рассмотреть. Результаты оказались поразительными: у него был один проторакальный сегмент, а все остальные — мезоторакальные. Если бы этот организм остался жить и вырос во взрослую муху, то она бы имела 10 пар крыльев и 10 пар ног. Э. Льюис сделал вывод о том, что функция комплекса генов ВХ-С заключается в инактивации генов, формирующих ноги и крылья, и в развитии новых структур на брюшных сегментах.

В молекулярно-генетических экспериментах выяснили, что все три гена комплекса ВХ-С, а также ген Antp имеют гомологичные друг другу участки, т. е. последовательности нуклеотидов в них фактически одинаковы (более 90 % сходства). Последовательность длиной 180 пн, которая была наиболее консервативна, назвали гомеобоксом, а соответствующий ему фрагмент белковой молекулы длиной 60 аминокислотных остатков — гомеодоменом.

К настоящему времени найдены сотни генов, обладающих гомеобоксом: у человека, мышей, птиц, лягушек, червей, жуков. Фактически все представители животного мира, проходящие хотя бы на некоторых этапах развития стадию сегментированного зародыша, имеют гены, обладающие гомеобоксом. А у дрозофилы обнаружено свыше 20 генов, содержащих в своем составе гомеобокс. 180 пн гомеобокса кодируют фрагмент полипептида длиной в 60 аминокислот, который скручен в 4 α-спирали. Одна из них помещается в большую бороздку ДНК, опознает последовательность нуклеотидов и связывается с ней. Такими структурными особенностями обладают все белки — факторы транскрипции.

Еще один пример гомеозисного гена.

Как мы уже с вами говорили, в развитие глаз у разных животных вовлечено около 2500 генов, и весь каскад генов прямо или опосредованно контролируется одним главным, или мастер-геном. Вышеназванные гены развития глаз являются мастер – генами и имеют максимальную гомологию.

Итак, развитие — это процесс последовательного включения (и выключения) усложняющихся генных систем, или каскадов генов. При этом продукты одних генов находят специальные посадочные площадки в регуляторных районах других генов, садятся на них и включают (или выключают) эти гены. И так — сплошная последовательность включений и выключений генов.

Нобелевская премия 1995 г. была присуждена Э. Льюису с соавторами за открытие генетического контроля раннего эмбрионального развития.