Генетичний контроль розвитку
Очевидно, що генетичний контроль розвитку існує, так як набір генів, одержуваний організмом при заплідненні, забезпечує розвиток з зиготи особини абсолютно конкретного виду. Яким чином гени визначають процес розвитку? Це центральний і дуже складне питання, деякі аспекти якого вже вдалося прояснити, але для всеосяжного і переконливої відповіді на нього даних явно недостатньо. Головний прийом вивчення генетики індивідуального розвитку – використання мутацій. Виявивши мутації, які змінюють онтогенез, проводять порівняння фенотипів мутантних особин з нормальними. Це допомагає зрозуміти, як цей ген впливає на розвиток. В даний час в біології розвитку використовується ряд нових методик, серед яких, наприклад, техніки knock out (делеции гена) або knock down (селективного придушення експресії гена за допомогою мРНК-антагоніста), метод FISH (застосування мічених фрагментів ДНК для виявлення певних молекул мРНК та їх розподілу в клітці і зародку). Використання цих та низки інших підходів дозволяє з’ясувати крім функції генів у розвитку, час і місце їх дії, визначити наявність взаємодії між генами і його характер.
Диференціація клітин і опосередкована нею поступова прогресуюча послідовна і закономірна диференціація частин зародка здійснюється, як було сказано раніше, завдяки диференціальної активності генів (див. П. 8.2.5). Так як в еукаріот регуляція експресії генів носить багаторівневий характер, то “включення” того чи іншого гена і його транскрипція ще не означають виходу кодованого їм ознаки в клітинний фенотип. Процес формування більшості ознак дуже складний і залежить від активності продуктів не одного, а багатьох генів, градієнта розподілу генних продуктів в розвивається зародку, а також від особливостей їх взаємодії один з одним.
Аналіз генетичного контролю утруднюється кількома моментами. Перш за все, тим, що роль генів неоднакова. Частина їх експрес-сіруется практично у всіх клітинах, визначаючи життєво важливі функції і відповідаючи, наприклад, за синтез тРНК або ДНК-полімерази, без яких неможливе функціонування жодної клітини – гени “домашнього господарства”. Інша частина – гени “розкоші” – безпосередньо бере участь у детермінації, диференціювання і морфогенезе, тобто функція їх більш специфічна, і їх активність проявляється в певних клітинних популяціях (див. п. 3.1.3).
Для аналізу генетичного контролю необхідно, крім того, знати місце первинного дії конкретного гена, що дозволяє розрізняти випадки відносної, або залежною, плейотропії від прямої, або істинною, плейотропії. У разі відносної плейотропії, як, наприклад, при серповидноклеточной анемії, існує одне первинне місце дії мутантного гена – гемоглобін в еритроцитах, а всі інші спостережувані при ній симптоми, такі як порушення розумової та фізичної діяльності, серцева недостатність, місцеві порушення кровообігу, збільшення і фіброз селезінки і багато інших, виникають як наслідок аномального гемоглобіну. При прямій плейотропії всі різноманітні дефекти, що виникають в різних тканинах або органах, викликає безпосередню дію продукту одного і того ж гена саме в цих різних місцях.
Якщо розглядати розвиток з точки зору реалізації генетичної інформації, то воно представляється як багатоступінчастий динамічний процес з постійно мінливими спектрами експрессірующіх-ся генів залежно від стадії онтогенетической диференціювання. Важливо розуміти, що в кожен момент розвитку число залучених до цього процесу генів дуже велике – багато сотень і навіть тисячі, які розташовуються на різних хромосомах або / і в межах однієї хромосоми. Це передбачає дуже чітку координацію їх експресії протягом усього онтогенетичного розвитку та існування вже сформованого диференційованого організму. Таким чином, стає зрозумілим застосування терміна “програма розвитку”, що передбачає наявність строго впорядкованої і скоординованої в часі і просторі експресії величезного числа генів. Все більше експериментальних підтверджень отримує концепція, згідно з якою продукти генів передували стадій розвитку активують нові генні набори та / або репресують окремі гени в наступні стадії. Такий тип взаємодії генів визначають як каскадний, що підкреслює спадкоємність в експресії генів ранніх і більш пізніх стадій (рис. 8.39).
Наступність генів у розвитку може бути продемонстрована на прикладі ембріогенезу плодової мушки дрозофіли. Її ембріональний розвиток регулюється ієрархічною системою з трьох класів генів: генів з материнським ефектом, генів сегментації і Гомі-базисних генів.
Гени з материнським ефектом активні в організмі самки. Їх продукти запасаються в яйці і вже після запліднення визначають просторові осі ембріона: подовжню (передньо-задню) і дорсально-вентральную осі. До цього класу генів відносяться bicoid і nanos, про які йшлося в розділі 8.2.6. Продукти генів з материнським ефектом, як правило, є ДНК-зв’язуючими білками, які в якості факторів транскрипції активують або блокують експресію генів зародка, в тому числі генів сегментації.
Продукти генів сегментації – також транскрипційні фактори, вони контролюють утворення сегментів, з яких складається комаха. Їх поділяють на кілька груп: gap-гени, pair-rule гени і гени сегментарной полярності (табл. 8.3), що утворюють узгоджену систему, завдяки активності якої ембріон поділяється на все більш дрібні сегменти. Сегментаційного гени послідовно активуються в процесі індивідуального розвитку (рис. 8.40).
Вони експрессируются до 11-го поділу зиготи і “ділять” зародок на широкі смуги. Їх транскрипція стимулюється продуктами генів з материнським ефектом. Мутації генів групи gap призводять до втрати кількох прилеглих один до одного сегментів тіла, в результаті чого в малюнку сегментації утворюється порожнеча, або пролом. На тлі специфічного розподілу продуктів gaр-генів і під їх впливом активуються pair-rule гени (або гени “правила парності”), які “дроблять” зародок на так звані парасегменти – кожен з них по ширині дорівнює двом виникають пізніше сегментам тіла личинки. Мутації в групі генів pair-rule, експрессіруе-мих в період 11-12-го поділу, призводять до втрати кожного другого сегмента. Продукти pair-rule генів, у свою чергу, запускають експресію генів сегментарной полярності. Їх активність в зародку дрозофіли виявляється в період 13-го поділу. Ці гени детермінують кордону конкретних сегментів зародка і створюють просторову диференціацію всередині кожного сегмента. У мутантів по генам сегментной полярності певні частини сегментів замінені структурами, що представляють дзеркальні відображення прилеглих половин сегментів.
Всі гени сегментації, послідовно активуються в ході ембріогенезу, надають один на одного взаємні впливи через закодовані ними продукти (рис. 8.41). Наслідком їхньої експресії є активація гомеозісних генів. Це великий клас генів, які вважаються ключовими в розвитку і забезпечують якісну специфікацію сегментів, тобто визначають, який конкретно сегмент – голови, грудей або черевця – і з якими структурами має бути сформований.
Назва цієї групи генів походить від терміна “го-меозіс” який ввів в 1894 р один з класиків генетики У. Бетсон. Під “гомеозісом” він розумів перетворення однієї частини тіла в іншу. Мутації за гомеозісним генам можуть змінити структуру якого-небудь сегмента або його придатків, наприклад викликати утворення на голові мухи кінцівок замість антени або Аріста (рис. 8.42), але не змінюють кількість або полярність сегментів.
Гомеозісние гени ставляться до селекторним генам, тобто таким, які активують або, навпаки, пригнічують інші гени, продукти яких вже прямо залучені до процесу формування різних органів. Гомеозісние гени кодують білки – фактори транскрипції, скоординовано регулюють транскрипцію генів початкових ланок генетичних формообразовательних програм. Їх білки-продукти, в свою чергу, впливають на експресію великого числа нижчестоящих генів-мішеней, що беруть участь в реалізації генетичної програми утворення конкретної структури або органу. Таким чином, гомеозісние гени визначають вибір диференціювання цілої ділянки тіла, що розвивається.
Білкові продукти гомеозісних генів містять специфічну послідовність з 60 залишків амінокислот – гомеодомен, що володіє високою спорідненістю до деяких послідовностям нуклеотидів ДНК, за допомогою якої вони зв’язуються з цими сайтами ДНК і таким чином впливають на експресію інших генів. Так, у дрозофіли білковий продукт гомеозісного гена Antennapedia активує гени, які визначають структуру другого грудного сегмента, що містить ноги і крила, і репресує гени, залучені у формування очей і антен.
Гомеобокс вперше був виявлений у складі генів, що контролюють розвиток, зокрема, у складі гомеозісних генів, у дрозофіли. Однак багато гени, що містять гомеобокс, не є гомеозіснимі. Таким чином, гомеобокс – це особлива послідовність нуклеотидів, а гомеозісность – це потенційна можливість утворення гомеозісной мутації.
Гомеозісние гени дрозофіли утворюють два комплекси, локалізовані на третій хромосомі. Гени кожного комплексу в хромосомі розташовані дуже близько один до одного, формуючи кластери. Комплекс Antennapedia (ANT-C), містить 5 генів (labial (lab), Deformed (Dfd), Sex comb reduced (Scr) і Antennapedia (Antp)) і визначає розвиток голови і передніх грудних сегментів мухи. Другий комплекс – Bithorax, що включає 3 гена (Ultrabithorax (Ubx), AbdominalA (abdA) і Abdominal’s (abdB)), контролює розвиток задніх грудних (торакальних) і черевних сегментів (рис. 8.43).
(1 votes, average: 5.00 out of 5)