Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция
Как уже отмечалось в гл. 7, Нюсслейн-Фольгард охарактеризовал два гена, наследуемые по материнскому типу, которые резко нарушают полярность зародыша. Мутации в этих двух локусах, bc (bicaudal) и dl (dorsal), приводят к тому, что гомозиготные мутантные самки продуцируют соответственно зародышей с двумя задними концами или с двумя дорсальными сторонами тела. Возможно, что эти два локуса содержат гены, продукты которых создают исходную позиционную информацию, детерминирующую основные передне-заднюю и дорсовентральную оси зародыша. Кодируют ли эти локусы саму информацию или же они необходимы для ее переработки - не известно. Однако, поскольку эти гены наследуются по материнскому типу, предполагается, что эта информация встраивается в яйцо во время оогенеза. На основе результатов экспериментов с наложением лигатуры можно думать, что окончательное становление сегментов происходит в результате дальнейшего уточнения информации об этих основных осях. Вместе с тем дело не ограничивается простым механическим распределением информации, поставляемой материнским организмом. Число сегментов, их местоположение, полярность и индивидуализация - все это должно быть определено (специфицировано). В одном из аспектов такой спецификации участвуют гомеозисные локусы, обсуждавшиеся в гл. 8. Эти локусы принимают участие в спецификации индивидуальных особенностей отдельных сегментов; они, по-видимому, действуют главным образом после оплодотворения и не проявляют материнского эффекта. Другие гены определяют число сегментов и их полярность. Недавно Нюсслейн-Фольгард и Вейсхауз обнаружили гены, детерминирующие все более детальное расчленение основных осей зародыша на определенное число сегментов. Подобно гомеозисным генам, определяющим индивидуальные особенности отдельных сегментов, эти гены экспрессируются в течение зародышевого развития. При помощи генетических и эмбриологических тестов была идентифицирована группа из 20 таких локусов, определяющих характер сегментации и особенности отдельных сегментов. Мутации в этих локусах не имеют материнского эффекта; они приводят к образованию фенотипов, у которых нарушено формирование сегментов, и являются летальными. Эти мутации не охарактеризованы полностью в генетическом и морфологическом отношении, поэтому неясно, все ли 20 генов специфически участвуют в сегментации или некоторые из них оказывают на этот процесс плейотропное воздействие. Однако 20 идентифицированных локусов, по-видимому, близки к общему числу таких генов в геноме дрозофилы.
Несмотря на предварительный характер анализа этих локусов, дефинитивные фенотипы мутантов дают некоторые указания о характере участия генов в становлении сегментации у зародыша. Более того, благодаря этим мутантам возникли интересные предположения об участии гомеозисных генов в вероятной интеграции процесса сегментации и в спецификации индивидуальных особенностей отдельных сегментов. Гены, определяющие сегментацию, можно разбить на основании создаваемых ими дефинитивных фенотипов на три широкие категории. Во-первых, это gap-локусы, приводящие к потере групп смежных сегментов; во-вторых, pair-rule-локусы, обусловливающие попарное слияние соседних сегментов, что приводит к уменьшению числа сегментов вдвое; и в-третьих, это локусы, изменяющие полярность сегментов; при этом зародыш содержит нормальное число сегментов, но каждый из них состоит из двух передних половинок, зеркально обращенных друг к другу.
Мутанты по двум из gap-локусов имеют фенотипы, представляющие интерес для обсуждаемой нами темы. Это мутации knirps и Rg (pbx) (Regulator of postbithorax). В результате мутации в локусе knirps развиваются зародыши с нормальным передним и задним концами тела, но с единственным большим брюшным сегментом там, где в норме должны находиться брюшные сегменты 1-7. Этот фенотип схематически изображен на рис. 9-8. Делеции локуса Rg (pbx) приводят как бы к реципрокному «выпадению» сегментов по отношению к выпадению, вызываемому делецией knirps. Вместо трех грудных и части гнатоцефалических сегментов образуется один большой сегмент, сходный с брюшным. Кроме того, седьмой и восьмой брюшные сегменты не разделяются. В обоих случаях из больших участков клеточной бластодермы и зародышевой полоски, которые в норме образуют несколько сегментов, формируется только по одному крупному структурному элементу. В широком смысле такое нарушение можно интерпретировать как результат какого-то дефекта в генетической программе клеток, находящихся в специфичных участках зародыша; этот дефект обусловливает неспособность клеток реагировать на информацию, поставляемую материнским организмом через яйцо. В пользу такого утверждения свидетельствует фенотип зародышей с делецией как локуса Rg (pbx), так и комплекса генов bithorax (BX-C). Делеция комплекса ВХ-С приводит к превращению брюшных сегментов в грудь. У зародышей с двойной делецией число сегментов такое же, как у зародышей Rg (pbx)- , но все эти сегменты грудные. Поэтому выпадение, наблюдаемое у зародышей Rg (pbx), приводит к нехватке некоторого участка тела у раннего зародыша и не зависит от наличия сегментов, обладающих особенностями грудных. Другими словами, ген Rg (pbx)+ определяет способность передней части зародыша к образованию сегментов и действует до индивидуализации сегментов или независимо от этого. В связи с этим последним соображением интересно отметить, что выпадающие у зародыша Rg (pbx) передние сегменты-это именно те сегменты, индивидуализация которых детерминируется комплексом ANT-C (Antennapedia). Поэтому правильное функционирование этого gap-локуса - необходимая предпосылка для экспрессии комплекса ANT-C.
Среди pair-rule-генов обнаружены мутанты двух типов. Примером одних служит локус prd (paired), примером других - локус ftz (fushi tarazu). Мутация prd приводит к «слиянию» задней части одного сегмента с передней частью другого в норме следующего за ним сегмента. Зародышевая полоска мутантного зародыша образует только половину нормального числа сегментов, каждый из которых вдвое шире нормального. Эти двойные сегменты схематически изображены на рис. 9-8; они состоят из средне- и заднегруди, первого и второго брюшного сегментов, третьего и четвертого брюшного и т.д. Возможно также слияние нижнегубного сегмента и переднегруди. Другой локус, ftz, входит в состав комплекса ANT-C (см. рис. 9-8), занимая на генетической карте место между гомеозисными локусами pb (proboscipedia) и Scr (Sex combs reduced). Так же как и локус prd, он приводит к «слиянию» сегментов, однако это слияние сдвинуто относительно того, которое вызывается локусом prd. Как видно на рис. 9-8, сливаются максиллярный и губной сегменты, первый и второй грудные, третий грудной и первый брюшной, второй и третий брюшные и т. д. Наблюдения над ранними зародышами показали, что это нарушение сегментации выявляется даже на начальных ее стадиях. Зародышевая полоска делится на вдвое меньшее число сегментов, чем в норме, причем все сегменты вдвое шире обычных. Исследование температурочувствительных аллелей локусов prd и ftz показало, что их температурочувствительные периоды (ТЧП) приходятся на очень раннюю стадию развития. Для аллеля ftz ТЧП наступает примерно через 2 ч после начала развития, что соответствует стадии клеточной бластодермы. Кончается ТЧП примерно спустя 4 ч после начала развития, прежде чем зародышевая полоска физически сегментируется. Таким образом, на стадии раннего зародыша происходит генетически регулируемое событие, необходимое для правильного осуществления сегментации.
Рис. 9-8. Гипотетическая последовательность решений, принимаемых в зародыше дрозофилы на ранних стадиях развития для того, чтобы детерминировать индивидуализацию сегментов. Расшифровку буквенных обозначений см. рис. 8-9. Скобки над и под квадратиками указывают домены действия соответствующих генов. Штриховкой обозначены участки зародыша, в которых при мутациях gap и pair-rule нарушена нормальная сегментация. На нижней схеме указаны предполагаемые участки действия гомеозисных локусов; гены приведены в качестве примеров и не могут дать представления об огромном перечне известных генов, оказывающих влияние на характер сегментации. Данная модель описывает в упрощенном виде генетическую регуляцию сложного процесса, который в настоящее время интенсивно изучается.
Отсутствие этой генетической активности также показывает, что в какой-то момент детерминации характера сегментации зародышевая полоска расчленяется на ряд единиц шириной в два сегмента. Подобно локусу Rg (pbx), функция локуса ftz необходима для правильной экспрессии гомеозисных локусов. При попарном «слиянии» сегментов, наблюдаемом у зародышей ftz -, у широкого сегмента, образованного путем слияния двух соседних, проявляются только индивидуальные особенности переднего сегмента. Это наиболее ясно видно на примере слившихся третьего грудного и первого брюшного сегментов. У мутантных зародышей этот большой сегмент обладает только структурами, типичными для грудных сегментов; никаких признаков брюшных сегментов в нем не остается. Поскольку функция локуса bxd (bithoraxoid) заключается в спецификации индивидуальных особенностей первого брюшного сегмента, можно сделать вывод, что отсутствие функции ftz+ препятствует экспрессии локуса bxd. Однако активность ftz не связана с индивидуализацией сегментов. Зародыши, у которых отсутствуют локус ftz и комплекс ВХ-С, содержат половину нормального числа сегментов, но все это грудные сегменты. Этого фенотипа следовало ожидать, если локус ftz+, подобно Rg (pbx), вступает в действие раньше гомеозисных локусов, которые в свою очередь функционируют в пределах сегмента того типа, который установился путем спецификации, определяемой gap- и pair-rule-локусами.
