Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция
Брайант и его сотрудники обнаружили, что позиционная информация, содержащаяся в имагинальных дисках, по-видимому, одинакова во всех дисках. У тех фрагментов дисков крыла, которые при нормальных условиях дуплицируются, можно индуцировать регенерацию, культивируя их совместно с реципрокными фрагментами, убитыми облучением. Убитые фрагменты не поставляют в регенерирующую структуру живые клетки, но, по-видимому, могут поставлять ей позиционную информацию. Информация эта может поступать, очевидно, не только от данного, но и от любого другого диска.
Рис. 9-4. Объяснение результатов регенерации и дупликации диска крыла у Drosophila melanogaster с помощью модели полярных координат. А. Примерная карта зачатков диска крыла. Б и В. Слева - два вида разреза этого диска. В обоих случаях меньший фрагмент дуплицируется, а в большем происходит регенерация недостающих элементов. Результат представлен справа от каждого разрезанного диска в терминах модели полярных координат. Новообразованные секторы показаны точками. Правила регенерации, соответствующие этой модели, изложены в тексте. (French, Bryant, Bryant, 1976.)
Приведем конкретный пример: проксимальный дуплицирующийся фрагмент диска крыла, подобный изображенному на рис. 9-4, А, можно индуцировать к регенерации дистальных структур крыла, выращивая его в присутствии убитых дистальных фрагментов диска крыла или диска жужжальца. Этот результат согласуется с данными о том, что гомеозисные мутации вызывают трансформации, которые сериально гомологичны, т.е. дистальные части антенны превращаются в дистальные части ноги. Отсюда следует, что позиционная информация во всех имагинальных дисках одинакова; различие состоит в том, как она интерпретируется. Было показано, что эта очевидная универсальность позиционной информации выходит даже за видовые границы. Тикле (Tickle) и его сотрудники показали, что ЗПА, взятая из задней части почки конечности мыши, способна передать информацию, необходимую для установления положения передне-задней оси конечности у цыпленка. Пересадив ЗПА мыши на передний край почки конечности цыпленка, можно индуцировать развитие у цыпленка добавочных пальцев. Сходный результат получили Фаллон и Кросби (Fallon, Crosby), используя ЗПА из зародышей черепахи. Поэтому создается впечатление, что информация, специфицирующая поле развивающейся конечности у позвоночных, в процессе эволюции оставалась неизменной, а изменения коснулись реакции клеток на эту информацию. Характер этой реакции почти наверное определяется различиями в генной экспрессии или, если говорить прямо, во включении генетических переключателей.
Роль двоичных переключателей в интерпретации позиционной информации
Возможный характер генетической реакции на позиционную информацию был описан в некотором формальном смысле Кауфманом (Kauffmann). Согласно его модели, гены, реагирующие на позиционную информацию, представляют собой набор двоичных переключателей, образующих каскады или сети. Эта модель схематически изображена на рис. 9-5. Первый ген этого пути, или каскада, дерепрессируется поступающей позиционной информацией. Эту активацию легче всего представить себе как простую реакцию на концентрацию. Если относительная концентрация морфогена достаточно высока, то переключатель приводится в соответствующее положение. Продукт первого гена в сети вызывает последующие переключения, активирующие другие гены, а продукты этих генов в свою очередь могут активировать новые локусы, что приводит к образованию каскада. Первоначальный ввод информации в систему не обязательно должен быть единичным; в модель вполне можно заложить множественные вводы, создавая избыточность и тем самым наделяя систему гомеостатическими свойствами. Если подходить к этой модели с позиций эпигенетического ландшафта Уоддингтона, то можно представить себе, что клетка проходит через ряд развилок, ведущих в долины, где на каждой развилке приводится в действие переключатель и принимается некое решение. Таким образом, на стадии выхода в каждой клетке запечатлен иерархический набор решений, связанных с выбором положений переключателей и представляющих собой уникальное отражение ее онтогенеза. Модель эта достаточно точно отражает реальное положение вещей, в чем можно убедиться на примере развития имагинального диска крыла у дрозофилы.
Гарсиа-Беллидо (Garcia-Bellido) и его сотрудники показали, что развитие диска слагается из ряда процессов компартментализации; иначе говоря, подобно тому как это происходит с полем конечности амфибии, оси данного имагинального диска определяются в результате ряда последовательных событий. Так же как и в случае поля конечности, сначала устанавливается передне-задняя ось, а за ней следуют дорсо-вентральная ось и три последовательных ограничения вдоль проксимально-дистальной оси. Каждый из образующихся при этом компартментов отделен от других, и клетки, находящиеся в одном из них, при нормальном течении развития неспособны преодолевать границы между компартментами. В крыле и груди имаго каждая клетка имеет единственное место назначения, связанное с рядом канализирующих событий, через которые она проходит в течение развития. Кауфман рассматривает эти события как отражающие ряд принятых двоичных решений. Так, клетку, находящуюся на переднем дистальном кончике крыла, следует пометить как передняя/не задняя, дорсальная/не вентральная, крыловая/не грудная, дистально-крыловая/не проксимально-крыловая. Используя модель химической волны, первоначально постулированную Тьюрингом (Turing), можно математически показать, что исходное эмбриональное поле можно последовательно подразделить серией узловых линий, положение которых зависит от первоначальной формы этого поля и от динамики роста, могущей изменить его форму или размеры. Диск крыла приближенно имеет форму эллипса. Рассмотрев особенности роста этого диска, можно предсказать местоположение узловых линий. Как показано на рис. 9-6, сходство между спроектированными на имагинальный диск действительными границами компартментов и расположением и последовательностью узловых линий очень велико. Кауфман, Шимко и Треберт (Kauffman, Shymko, Trabert) провели сходное сопоставление, спроектировав узловые линии на зародыш, находящийся на стадии клеточной бластодермы. В этом случае различные участки зародыша специфицируются в результате ряда последовательных двоичных решений. Как схематически показано на рис. 9-7, эта модель предсказывает, что зародыш делится поперек сначала надвое, затем на четыре части, далее на восемь и наконец делится в дорсо-вентральной плоскости. В пределах каждой ограниченной таким образом области клеткам можно приписать двоичный адрес при помощи четырех гипотетических переключателей, которые могут находиться в состоянии либо 0, либо 1. Так, первый переключатель находится в состоянии 1 в передней половине и в состоянии 0 - в задней. В следующем наборе зон, определяемых узловыми линиями, второй переключатель находится в состоянии 0 в передних и задних четвертях и в состоянии 1 - в двух центральных четвертях. В результате продолжения такого комбинаторного кодирования каждая область получает свое особое обозначение.
Рис. 9-5. Схема гипотетического набора генных переключателей, образующих замкнутый контур. Внешний индуктор или индукторы (морфогены) активируют ген А, который в свою очередь активирует ген В, ген В - ген С, а ген С - снова ген А, так что образуется замкнутый контур. Затем внешний индуктор можно удалить, но система остается при этом «включенной». В данной системе гены В и С действуют также и за пределами контура, активируя другие локусы (Kauffman, 1972; с изменениями).
Рис. 9-6. Схема реальных и теоретических пограничных линий между компартментами в имагинальном диске крыла Drosophila melanogaster. А. Линии наложены на карту презумптивных зачатков диска. Цифры возле каждой линии указывают на последовательность, в которой, согласно наблюдениям, границы между компартментами ограничивают потенции клеток в этом диске (пунктирная линия 4 на самом деле не наблюдалась). Б. Линии, предсказанные моделью Тьюринга для эллипса. Сходство между двумя схемами поразительно (Kauffman, Shymko. Trabert, 1978; с изменениями).
Аналогичная система обозначений была привлечена для того, чтобы объяснить, каким образом детерминируется индивидуальность каждой имагинальной структуры, образующейся в различных сегментах. Так, различным имагинальным дискам можно дать обозначения, используя коды с комплектом из пяти переключателей. Конечно, этой модели внутренне присуща известная иерархия, причем некоторые сегменты и диски в этой иерархии более тесно связаны между собой, чем другие. Этот аспект данной модели хорошо согласуется с замечаниями Хадорна (Hadorn) относительно трансдетерминационных событий между имагинальными дисками: когда фрагменты дисков, выращиваемых в культуре, переходят из одного детерминированного состояния в другое, это происходит совсем случайным образом. Как и в комбинаторном коде, при этом выявляется некая иерархия. Кроме того, некоторые трансдетерминации никогда не происходят, например диск крыла никогда не превращается в хоботок. Кауфман объясняет это тем, что в дифференцировке этих двух структур участвуют два набора переключателей, и для такого превращения оба они должны вступить в действие, что представляется в высшей степени маловероятным. Помимо того что комбинаторный код позволяет объяснить трансдетерминационные взаимоотношения, он согласуется также с гомеозисными превращениями, наблюдаемыми у дрозофилы. Используя кодовые обозначения, примененные для различных областей бластодермы (рис. 9-7), и наложив на эту карту положение имагинальных дисков, развившимся из них имагинальным структурам можно дать обозначения в соответствии с комбинаторным кодом.
