Гены, отвечающие за становление плана строения у насекомых
Наибольший интерес для эмбриологов представляют гены, которые "специально" отвечают за развитие. У таких генов есть несколько признаков. Во-первых, их продукты должны обнаруживаться только на определенных стадиях и (или) в определенных участках зародыша. Во- вторых, их мутации должны приводить к остановке развития на строго определенной стадии или к специфическим изменениям хода развития.
Интенсивное изучение таких мутаций началось уже в начале ХХ века, но прогресс в этой области был связан с успехами молекулярной биологии за последние 25 лет. Благодаря им удалось найти гены, отвечающие за становление пространственной организации - плана строения животных, и многое понять в механизмах их работы. Это было одним из главных достижений в биологии за последние годы, отмеченных Нобелевской премией в области физиологии и медицины за 1995 г. Главным объектом генетиков служили немногие виды животных - нематода Caenorhabditis , плодовая мушка дрозофила и мышь. На дрозофиле были получены наиболее полные результаты, позволяющие понять, как гены регулируют план строения организма. Первыми в действие вступают гены с материнским эффектом (см. " ДРОБЛЕНИЕ ЗИГОТЫ "). Их продукты начинают накапливаться в яйцеклетке еще до оплодотворения, и именно они определяют передне-заднюю и спинно- брюшную полярность зародыша. Таких генов у дрозофилы известно более 20-ти.
Разберем механизм их действия на примере гена bicoid . Его мутация вызывает развитие у гомозиготных самок личинок, у которых отсутствует голова и грудь, а на их месте развивается задний конец брюшка. иРНК этого гена локализована только в самой передней части яйца. Однако его белковый продукт образует на стадии ранней бластулы (когда еще нет клеточных границ) устойчивый градиент с наибольшей концентрацией в передней трети и ее падением в направлении назад. Этот белок вскоре проникает внутрь ядер зародыша. Продукты нескольких других генов отвечают за правильный градиент белка bicoid. Их мутации делают градиент более пологим, и тогда у личинок отсутствуют передние части головы, а челюстной и грудной отделы удлиняются.
Следующая группа генов, которые активируются ходе развития - так называемые gap-гены (от англ. gap - щель, промежуток), один из них - ген hunchback . Его активность необходима для развития ротовых структур и груди. У мутантов по этому гену сразу за передней частью головы начинается брюшко, т.е. на месте большого участка зародыша имеется "щель". Было показано, что продукт гена bicoid связывается с промотором гена hunchback и активирует его на стадии поздней бластулы.
В задней части зародыша другие гены, напротив, ингибируют трансляцию белка гена hunchback. Этот белок, необходимый для развития передних структур, сам подавляет проявление генов, необходимых для развития брюшного отдела.
Следующими вступают в действие гены, которые называются pair-rule-гены . Для их включения необходима нормальная работа генов с материнским эффектом (см. " ДРОБЛЕНИЕ ЗИГОТЫ ") и gap-генов . Картина работы pair-rule-генов наиболее подробно изучена на примере гена fushi tarazu (ftz) . Продукт этого гена выявляется на стадии, когда еще нет клеточных границ, в виде семи полосок, причем ширина каждой из них соответствует всего трем клеточным диаметрам ( рис. 177 ). Эти полоски соответствуют зачаткам задней половины одного сегмента и передней половины другого (во всех сегментах, начиная с нижнечелюстного). Такие участки из половин двух сегментов, важные для развития сегментации, назвали парасегментами. Если из-за мутации продукт гена ftz не образуется, то клетки, лишенные его, гибнут и у зародыша отсутствуют соответствующие участки сегментов.
Еще одна группа - гены segment-polarity . Продукт одного из этих генов - engrailed - на стадии бластулы обнаруживается в виде 14-ти полосок шириной в диаметр одной клетки. Оказывается, этот ген необходим для развития задней половины каждого сегмента.
Последними, уже после установления границ сегментов, вступают в действие гомеозисные гены, мутации которых приводят к превращению одних сегментов (и расположенных на них структур) в другие. Наиболее известны две таких мутации. В результате доминантной мутации antennapedia вместо сегмента первых антенн (усиков) формируется второй грудной сегмент. При полном выражении этой мутации на месте коротких усиков у мухи вырастают на голове ноги ( рис. 178 ). Другая мутация - tetraptera - вызывает превращение третьего грудного сегмента во второй, причем из жужжалец развивается вторая пара крыльев, и муха становится четырехкрылой ( рис. 179 ). Гомеозисные гены определяют специфичность сегментов - их уникальные особенности. Многие из них имеют весьма сложные строение и систему регуляции. Для описания работы этих генов существует простая модель ( рис. 180 ). Как оказалось, все гомеозисные гены дрозофилы находятся в хромосомах третьей пары и расположены двумя группами. При полном выпадении (делеции) генов одной из этих групп все сегменты, следующие за вторым грудным, превращаются во второй грудной. Модель предполагает, что работа генов этой группы приводит к "превращению" сегментов из второго грудного в следующие, расположенные сзади. При этом в каждом следующем сегменте работает на один ген больше, а в последнем активны они все. Можно представить себе, что работа этих генов регулируется белком-репрессором, концентрация которого достигает наибольшей величины в передних сегментах, а в задних она более низкая.
Если предположить, что промоторы гомеозисных генов обладают разным сродством к репрессору, то в передних сегментах окажутся активированными только гены с наименьшим сродством, а в более задних будут активироваться гены с большим сродством. Известен ген, продукт которого предположительно является таким репрессором. Значит, и здесь активность генов может регулироваться простым градиентом вещества-морфогена. Морфоген обеспечивает уникальность сегментов, включая в них разные пары генов.
Итак, в развитии дрозофилы очень рано, еще до появления границ между клетками, закладываются оси тела и наносится "разметка" будущих границ сегментов и даже их частей. Развитие плана строения регулируется несколькими группами генов, которые последовательно включают друг друга.
