|
|
Статьи Соросовского Образовательного журнала в текстовом формате
Зависимость клеточной дифференцировки от активности генов установлена в самых разнообразных опытах. В современных молекулярно-генетических экспериментах выявлены гены, осуществляющие контроль развития многих органов. Функционально эти гены организованы в каскады.
ДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ В РАННЕМ РАЗВИТИИ ДРОЗОФИЛЫИ. Ф. ЖИМУЛЕВ
Новосибирский государственный университет
В ходе развития организма формируются многочисленные органы и ткани, совершенно непохожие друг на друга. Они приспособлены для выполнения определенных функций, и каждая ткань поразительно отличается от остальных. В исследовании дифференцировки органов и тканей необходимо решить две проблемы: каким образом ткани становятся непохожими друг на друга и каким образом дифференцированное состояние, характерное для каждой клетки, наследуется в ряду клеточных поколений. В последние годы благодаря использованию в исследованиях недавно разработанных методов молекулярной биологии и клонирования ДНК достигнуты огромные успехи в понимании того, как развивается организм и как происходит дифференциация клеток. Наиболее важные успехи достигнуты в области изучения действия генов в самом раннем эмбриональном развитии дрозофилы. Генетики, добившиеся выдающихся успехов в этой области, Эдвард Льюис, Кристина Нюссляйн-Волхард и Эрик Вишаус получили в 1995 году Нобелевскую премию.
Еще в 50-е годы сформировалось представление о морфогенах как о веществах, индуцирующих образование определенных частей тела. Предполагали, что эти вещества диффундируют через ткань и их распределение диктует тот или иной путь развития клетки. Позднее теория морфогенов получила значительное развитие. По современным представлениям, морфоген выделяется из локального источника и во время последующей диффузии в ткани образуется градиент его концентрации. В каждой группе клеток свой набор и концентрация морфогенов, то есть своя информация о последующем развитии, - то, что генетики называют позиционной информацией.
Лучше всего изучены градиенты морфогенов, образующиеся 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, функция которых состоит в том, чтобы синтезировать продукцию и перекачивать ее в ооцит. В них функционируют так называемые гены с материнским эффектом, то есть такие гены, которые функционируют в питающих клетках ооцитов - в организме матери еще до оплодотворения яйца сперматозоидом, и информация, считанная с них, передается в ооцит.
Оказывается, что белки, кодируемые генами, функционирующими в ходе созревания яйца и транспортируемые туда из питающих клеток, распределяются по оси яйца, образуя градиент. На рис. 1 показано распределение в пределах яйца продукта гена bicoid. Он занимает строго определенный участок яйца. Чтобы продукт занял это место, нужно, чтобы поработали и другие гены. Если гены мутируют, продукт распределяется неправильно. Так, в нормальном яйце РНК гена bicoid (bcd) располагается в узколокальном участке (рис. 1). Однако у некоторых мутантов распределение этой РНК в яйце сильно изменено: в результате мутации гена exuperantia РНК bcd более или менее равномерно распределена по всему яйцу с небольшим градиентом от переднего полюса к заднему. У мутантов swallow градиент этого морфогена выражен сильнее, то есть распределение его ближе к нормальному: в передней части яйца выявлено большое скопление РНК bcd и некоторое ее количество распределено в остальной цитоплазме (рис. 1). Совсем близкое к норме, но все еще ненормальное распределение продукта bcd обнаружено у мутантов staufen (рис. 1): у них РНК bcd вообще не переходит в заднюю часть эмбриона.
Таким образом РНК считывается с гена bicoid еще в питающих клетках ооцитов в материнском организме и поступает в яйцеклетки. Затем с помощью продуктов других генов (в данном случае это гены exuperantia, swallow и staufen) эта РНК занимает определенное положение в цитоплазме яйца, то есть создается определенный градиент в распределении этого морфогена. В случае мутации любого из трех перечисленных генов распределение РНК bcd изменяется, что приводит к серьезнейшим нарушениям развития.
Известно, что в яйцо поступает РНК, считанная с огромного числа генов. Поскольку каждая из этих РНК еще и распределяется по своим местам в яйце в результате активности других генов, совершенно очевидно сколь огромно число генов, участвующих в формировании яйца. В свою очередь, после занятия правильного положения в яйце продукты таких генов, как bicoid, вступают во взаимодействие с другими генами, которые активируются после оплодотворения и образования зиготы (зиготические гены). Белки гена bicoid связываются с контролирующими районами зиготических генов и активируют их. Понятно, что клетка, возникающая в области локализации морфогена bcd, будет испытывать его влияние и развитие пойдет в одном направлении; если клетка расположена в задней части эмбриона, где морфогена bcd нет (см. рис. 1), она будет развиваться в другом направлении. Таким образом, набор определенных белков, накопленных цитоплазмой к данной стадии развития, способен активировать определенный набор генов, благодаря чему либо поддерживается данное дифференцированное состояние, либо развитие продвигается дальше.
Каким образом белковый продукт одного гена может взаимодействовать с другим геном? Установлено, что любой ген состоит из трех элементов: некодирующей и нетранскрибируемой (регуляторной) части, расположенной в начале любого гена, а также кодирующих фрагментов - экзонов, перемежаемых некодирующими, но транскрибируемыми участками - интронами. Оказалось, что регуляторные части генов содержат специфические группы нуклеотидов (мотивы), имеющие сродство к определенным сочетаниям аминокислот (доменам) в молекулах белков. Посадка различных белковых факторов на соответствующие мотивы в нити ДНК приводит к изменениям ее пространственной организации и началу транскрипции кодирующей части гена (если белок является активатором) или блокированию транскрипции (если белок является инактиватором).
На рис. 2 изображен фрагмент (около 700 пар нуклеотидов) регуляторной части гена eve (even-skipped), который контролирует развитие правильной сегментации тела дрозофилы. Видно, что мотивы нуклеотидов, связывающих активирующие белки генов bcd и hb, часто перекрываются с мотивами, на которые садятся белки, подавляющие транскрипцию (гены Kr и gt). Эти данные свидетельствуют о том, что расположение белков, синтезированных в материнском организме, в определенной части яйца (см. рис. 1) имеет первостепенное значение для процесса активирования генов в уже начавшем развитие эмбрионе. Ясно, что ген eve будет функционировать в той части эмбриона, в которой содержится много материнских белков bcd и hb и не будет функционировать в клетках, содержащих избыток белков Kr и gt.
Одним из генов, осуществляющих важнейшую функцию на ранних этапах эмбрионального развития, является BX-C (комплекс bithorax). Известно, что большинство представителей животного мира (исключая круглых червей) имеют сегментальное строение (рис. 3), то есть тело состоит из серии члеников или сегментов. У млекопитающих сегментальное строение наблюдается на самых ранних этапах эмбриогенеза, и эти сегменты носят название сомитов. У дрозофилы личинки имеют ярко выраженные сегменты, у взрослых мух сегментацию, особенно брюшка, легко заметить даже невооруженным глазом (рис. 3). Можно выделить всего 12 сегментов: один головной, три грудных и восемь брюшных. Каждый сегмент имеет уникальный набор дифференцированных морфологических 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 (см. рис. 3).
По мнению выдающегося американского ученого Эдварда Льюиса, мухи эволюционировали из насекомых, имевших четыре крыла, а насекомые, в свою очередь, произошли из членистоногих, имевших множество ног. В ходе эволюции мух у них должны формироваться несколько групп генов: тех, которые подавляют развитие ног на брюшных сегментах многоножкоподобных предков, а также генов, подавляющих развитие второй пары крыльев. Должна также была появиться группа генов, формирующих новые структуры: гальтеры и брюшные сегменты.
Одним из генов, влияющих на эти процессы, является BX-C. В ходе экспериментов Э. Льюис удалил ген BX-C с помощью небольшой нехватки хромосомного материала в том районе, где этот ген локализован. Организм без этого гена развивается до конца периода эмбрионального развития и затем гибнет. Результаты изучения погибшего эмбриона оказались поразительными. Этот организм имел характерную морфологию: у него были только вторые торакальные сегменты (или мезоторакальные на рис. 3). Если бы этот организм остался жить и вырос во взрослую муху, то она имела бы 10 пар крыльев и 10 пар ног. Э. Льюис сделал вывод о том, что функция гена BX-C заключается в инактивации генов, формирующих ноги и крылья во всех последующих сегментах после второго торакального и в формировании всех структур на брюшных сегментах.
В дальнейших экспериментах оказалось, что BX-C содержит три различных гена: Ubx, abd-A и Abd-B (рис. 4). Каждый из них контролирует формирование определенной группы сегментов. Мутации этих генов заставляют последующие сегменты развиваться в предыдущие, и генетический порядок мутантов грубо соответствует пространственному порядку органов по оси тела (рис. 5). Так, если все три гена удалены (Ubx-, abd-A -, Abd-B - на рис. 5), нормально развиваются только первый торакальный (T1) и девятый брюшной (A9) сегменты, контролируемые другими генами. Все остальные сегменты (T3 и все последующие брюшные) развиваются как более ранние T2. Если ген Ubx сохраняется, но повреждаются abd-A и Abd-B, нормально развиваются все грудные сегменты, а все брюшные представлены самым первым A1 (рис. 5). При повреждении гена Abd-B нормально развиваются все грудные сегменты, затем брюшные A1, A2 и A3, все остальные представлены сегментом A4 (см. рис. 5).
В молекулярно-генетических экспериментах выяснили, что все три гена комплекса BX-C имеют гомологичные друг другу участки, то есть последовательности нуклеотидов в них одинаковы (более 90% сходства). Последовательность длиной 180 пар нуклеотидов, которая имела наибольшую гомологию, назвали гомеодоменом. К настоящему времени найдены сотни генов, обладающих гомеодоменом: 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 гомеодоменом. А у дрозофилы найдено около 100 генов, содержащих в своем составе гомеодомен. 180 пар нуклеотидов гомеодомена кодируют полипептид длиной 60 аминокислот. Эти 60 аминокислот скручены в четыре a-спирали, каждая из которых отделена от другой наклоном оси вращения. Третья из этих спиралей помещается в большую бороздку ДНК, опознает последовательность нуклеотидов и связывается с ними.
Такими свойствами структуры обладают связывающиеся с ДНК белки - факторы транскрипции. Взаимодействие нуклеотидов в ДНК и аминокислот белка - фактора транскрипции происходит так, что определенная последовательность нуклеотидов связывается только с определенной последовательностью аминокислот. Поэтому нуклеотиды в гомеодомене и расположены в такой консервативной последовательности у представителей разных типов, классов, родов и видов животных. Например, из 60 аминокислот в гомеодомене мухи дрозофилы и лягушки ксенопуса 55 оказались одинаковыми.
Рассмотренные данные, несомненно, свидетельствуют о том, что развитие - это процесс последовательного включения все более и более усложняющихся генных систем. При этом продукты одних генов находят специальные посадочные площадки в регуляторных районах других генов, садятся на них и включают эти гены в активное функционирование. И так в ходе всего развития - непрерывающаяся последовательность включений и выключений генов.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Гердон Дж. // Молекулы и клетки. М.: Мир, 1970. Вып. 5. С. 19-37.
2. Хадорн Э. // Там же. С. 54-61.
3. Корочкин Л.И. Взаимодействие генов в развитии. М.: Наука, 1977. 200 с.
4. Lawrence P.A. The Making of a Fly: The Genetics of Animal Design. Oxford: Blackwell Sci. Publ., 1992. 232 p.
5. Lawrence P.A., Morata G. // Cell. 1994. Vol. 78. P. 181-189.
6. Lawrence P.A., Struhl G. // Cell. 1996. Vol. 85. P. 951-961.
7. Lewis E.B. // Nature. 1978. Vol. 276. P. 565-570.
8. Martin C.H. et al. // Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 1995. Vol. 92. P. 8398-8402.
* * *
Игорь Федорович Жимулев, доктор биологических наук, зав. лабораторией молекулярной цитогенетики Института цитологии и генетики СО РАН, профессор кафедры цитологии и генетики Новосибирского государственного университета, академик Европейской академии наук, член-корреспондент Российской академии естественных наук. Автор около 180 научных статей, в том числе четырех монографий.
