Чтение онлайн

Рис. 8-3. Нормальная (А) и мутантная (Б) взрослые особи дрозофилы. Гомеозисные мутации (bx3pbx/Ubx) вызьшают превращение обычно небольшой спинки заднегруди и жужжалец в хорошо заметную среднегрудь и вторую пару крыльев.

У дрозофилы встречается также ряд мутаций, превращающих ротовые части в другие структуры. Эти гены составляют другой генный комплекс ANT-C (Antennapedia Complex). При мутации pb (proboscipedia) у дрозофилы, так же как и при мутации labiopedia у хрущака, лабиальные щупики превращаются в ходильные ноги. Однако некоторые аллели proboscipedia вызывают превращение щупиков в антенны (рис. 8-4). Другая доминантная мутация Antp (Antennapedia) вызывает превращение, которое упоминается в первоначальном бэтсоновском определении гомеозиса. При этом антенны у взрослой мухи превращаются в полностью сформированные ноги, отходящие от головы мухи в стороны (рис. 8-4). Задача, конечно, состоит в том, чтобы, не ограничиваясь простым перечислением этих дефектов, попытаться объяснить, как возникают эти кажущиеся магическими изменения.

Рис. 8-4. Микрофотографии головы и ротовых частей нормальных и мутантных особей Drosophila melanogaster, сделанные при помощи сканирующего электронного микроскопа. А. Голова нормальной особи. Б. Ротовые части нормальной особи. В. Особь, гетерозиготная по мутации Antennapedia, у которой в результате гомеозисного превращения члеников антенн на голове образовались ноги, содержащие большую часть члеников нормальной ноги; однако дистальные элементы этой структуры все еще сохраняют сходство с концевыми члениками антенны. Г. Ротовые части особи, гомозиготной по мутантному аллелю proboscipedia. Обычные псевдотрахеальные ряды микрощетинок нижней губы замещены структурами, напоминающими аристы, или концевые членики нормальной антенны. Другие мутантные аллели в этом локусе вызывают превращение нижнегубных лопастей в ноги. (Фотографии любезно предоставлены д-ром Turner.)

Самые обширные генетические исследования по гомеозисным дефектам проводятся на Drosophila melanogaster. У этого насекомого имеется широкий набор мутаций, вызывающих более или менее значительные изменения характера сегментов, и ряд работ, в которых изучались влияния этих мутаций на развитие, помогли выявить генетические механизмы, участвующие в определении общего плана строения тела и индивидуальности отдельных сегментов, поскольку они регулируются гомеозисными локусами. В целом экспрессия класса гомеозисных мутаций заключается в изменении направления детерминации. Поэтому их считали мутациями, нарушающими интерпретацию позиционной информации, определяемой материнским геномом в яйце и раннем зародыше. Кроме того, их рассматривали как морфогенетические двоичные переключатели, транслирующие позиционную информацию по типу «или-или». Однако группа гомеозисных мутаций довольно неоднородна как по своим генетическим свойствам, так и по своему влиянию на развитие. Распределение гомеозисных локусов, идентифицированных у Drosophila melanogaster, по ее четырем хромосомам схематически показано на рис. 8-5. Гомеозисные локусы имеются во всех ее хромосомах и содержат как доминантные, так и рецессивные аллели.

Рис. 8-5. Схема распределения большинства известных гомеозисных мутаций между четырьмя хромосомами Drosophila melanogaster. Черными кружками показано положение центромеры в Х-хромосоме и во 2-й, 3-й и 4-й хромосомах. На правом плече 3-й хромосомы имеются два кластера гомеозисных локусов: ANTC-C (Antennapedia) и BX-C (bithorax). Остальные сокращения означают (в порядке их расположения на карте): sa - sparse arista; opht - ophtalmoptera; rdp - reduplicated; Ubl - Ultrabithoraxlike; ds - dachsous; oph - ophtalmopedia; esc - extra sex comb; awu - augenwulst; en - engarailed; OptG – Ophtalmoptera of Goldschmidt; Pc - Polycomb; tet - tetraltera; ssa– spineless aristapedia; tuh - tumorous head; Pw - Pointed wing; eyr - eyes-reduced; 1(4)29 - lethal 29 (в 4-й хромосоме).

Разнообразие свойств, наблюдаемых при этих генетических дефектах, заставляет думать, что они, возможно, различаются по механизмам, участвующим в реализации каждого отдельного превращения. Иными словами, некоторые из них могут быть связаны с генами-переключателями, непосредственно участвующими в процессах детерминации, тогда как другие не связаны с ними. На это указывает тот факт, что мутантные аллели нескольких из этих локусов обладают плейотропным действием, вызывая не только гомеозисные, но и другие неспецифические аномалии фенотипа. Хорошим примером служит мутация ssa (spineless-aristapedia), которая вызывает превращение антенны в ногу, сходное с описанным для доминантной и неаллельной к ней мутации Antp. Помимо этих гомеозисных превращений мутанты ssa отличаются опущенными крыльями, тонкими щетинками и слиянием члеников лапки; таких эффектов нельзя было ожидать от гена-переключателя, определяющего выбор между двумя альтернативными типами развития. Поэтому мы можем сделать вывод, что аллель ssa детерминирует гомеозис косвенным путем, быть может, через какой-то дефект, затрагивающий метаболизм. Возможную природу этого косвенного воздействия вскрывает анализ группы диск-специфичных летальных мутаций дрозофилы, проведенный Ширном (Shearn) и его сотрудниками. Эти нарушения не оказывают прямого действия на эмбриогенез в той мере, в какой это относится к развитию нормальной личинки. Однако имагинальные диски, из которых при нормальном развитии во время метаморфоза образуется интегумент взрослой особи, у мутантов не пролиферируют или же вообще не формируются. Обнаружены температурочувствительные аллели для нескольких из этих локусов. Перенос мутантных личинок в условия непермиссивной температуры в разные сроки на стадии пролиферации имагинальных дисков приводит не к элиминации соответствующих дисков, а к гомеозисным трансформациям у взрослых особей, получающихся из этих личинок. Поскольку было показано, что ко времени изменения температуры диски уже были детерминированы, мутация, очевидно, вызывает изменение детерминации после ее первоначального возникновения. Такого же рода изменение наблюдали Е. Хадорн (Е. Hadorn) и его ученики при выращивании имагинальных дисков in vitro. Диски, эксплантированные в брюшную полость взрослых самок, растут, а если разрезать их на части, то у них продолжается клеточное деление. Если ввести такие фрагменты в метаморфизирующих личинок, то они сами метаморфизируют. В большинстве случаев из такого выращенного диска образуется структура, соответствующая диску, первоначально взятому в культуру; т.е. из диска крыла получаются структуры крыла, даже если он выращивался в культуре в течение нескольких лет. Именно такого рода эксперименты позволили показать, что детерминация ткани диска происходит рано и ее дифференцировка завершается на стадии куколки. Однако из полученных таким образом дисков после метаморфоза не всегда развиваются ожидаемые структуры, а иногда получаются производные других дисков. Это явление было названо трансдетерминацией. Такое изменение детерминации вызывается у этих клеток не единичным мутационным событием, как в случае гомеозиса, а, скорее, изменением характера генной экспрессии. Дальнейшее изучение этого явления, проведенное Стребом (Strub), показало, что не все клетки данного диска (в частности, диска ноги) способны к трансдетерминации. Для того чтобы данная группа клеток могла реализовать свою потенциальную способность к трансдетерминации, она должна находиться по соседству с разрезанным или повержденным участком диска и в ней должно происходить деление клеток. Возможно, что мутации discless, изучавшиеся Ширном, и мутации ssa вызывают гомеозисные нарушения, стимулируя эти события (т.е. локальные повреждения клеток или их гибель, за которыми следует компенсаторная пролиферация за счет соседних клеток) in situ. Таким образом, изменение судьбы клеток вызывается изменением направления их детерминации, как это происходит при трансдетерминации, а не воздействием на первоначальное детерминирующее событие.

Другую косвенную причину гомеозиса можно продемонстрировать на примере мутаций в локусе Ubl (Ultrabithoraxlike), упоминавшихся в гл. 7. Мортен и Лефевр (Mortin, Lefevre) показали, что эта сцепленная с полом доминантная мутация имитирует аутосомную мутацию Ubx (Ultrabitorax), которая близка к упоминавшимся выше мутациям bx и pbx. Мутация Ubx, подобно bx и pbx, вызывает превращение жужжалец взрослых особей в крылья и некомплементарна ни мутации bx, ни мутации pbx (см. рис. 8-3). Мутация Ubl вызывает аналогичную трансформацию и взаимодействует с мутацией Ubx, вместе с которой они вызывают более выраженную трансформацию, чем каждая из них по отдельности. Гомозиготные особи Ubl/Ubl гибнут; выделены также другие летальные аллели Ubl, которые не вызывают никаких гомеозисных превращений и не взаимодействуют с мутацией Ubx. Гринлиф (Greenleaf) и его сотрудники провели биохимические исследования гена Ubl и показали, что аллель Ubl+ кодирует одну из субъединиц РНК-полимеразы II, необходимой для транскрипции генов, определяющих синтез матричных РНК (мРНК). Поскольку гомеозисным эффектом обладает лишь один аллель гена Ubl, а нуль-аллели им не обладают, можно заключить, что этот единственный гомеозисный аллель обусловливает синтез какого-то измененного фермента, который в свою очередь оказывает влияние на транскрипцию гена Ubx. Заключение о таком опосредованном эффекте недавно подтвердил Мортен, показав, что аллель Ubl оказывает действие на несколько других негомеозисных локусов по всему геному: просто локус Ubx обладает наибольшей чувствительностью к этому изменению фермента.

Все предшествующее обсуждение показывает, что необходимо провести исчерпывающий анализ генетических и морфогенетических свойств каждого локуса, прежде чем делать какие-либо общие выводы о механизме гомеозисных превращений, а следовательно, и о роли каждого отдельного гена в нормальном развитии. Такого рода обширное исследование было проведено на двух группах локусов; оно привело к заключению, что обе группы оказывают свое действие, участвуя в первоначальных детерминирующих событиях, контролирующих индивидуальность сегментов, т. е. специфическую дифференцировку каждого из них. Прежде чем обсуждать возможные механизмы, с помощью которых эти локусы вызывают трансформации, необходимо рассмотреть нормальный процесс сегментации у дрозофилы.

После оплодотворения и слияния гамет у зародыша дрозофилы наблюдается ряд синцитиальных делений дробления, т.е. деления ядер, не сопровождающиеся образованием клеток зародыша. Первые девять таких делений происходят по всей цитоплазме яйца, и после девятого деления большая часть ядер мигрирует в кортикальную цитоплазму. За этим следуют еще четыре деления ядер, и после завершения 13-го деления происходит целлюляризация, приводящая к образованию бластодермы, состоящей примерно из 6000 клеток. Эта стадия изображена на рис. 8-6, на котором соматические клетки бластодермы можно отличить по их морфологии от сферических полярных клеток (презумптивные клетки зародышевого пути), расположенных на заднем конце зародыша. Именно на этой стадии развития детерминируется судьба клеток, т.е. определяется их назначение как в личиночных, так и в имагинальных структурах. Кроме того, именно в этот момент геном зиготы впервые начинает проявлять заметную транскрипционную активность. Во время гаструляции на переднем конце зародыша образуется латеральная складка, называемая головной бороздой. Эта борозда отделяет большую часть головы от туловища. Одновременно происходит перенос полярных клеток с заднего конца зародыша на его дорсальную поверхность путем удлинения зародышевой полоски. В результате образования трех отдельных выпячиваний - вентральной борозды, заднего и переднего зачатков средней кишки - мезодерма и передняя и задняя энтодерма перемещаются внутрь зародыша. Вслед за этим, примерно на 8-й час развития, поверхность зародышевой полоски покрывается рядом латеральных складок, которые физически разделяют зародыш на сегменты. Сегменты зародыша можно видеть на рис. 8-6; они соответствуют метамерным сегментам личинки и имаго. Таким образом, после развития в течение 10 ч зародыш состоит из трех зародышевых листков и разделен на голову, грудь и брюшко. Голова состоит из клипеолабрального, процефалического, мандибулярного, максиллярного и нижнегубного сегментов. Три последних сегмента объединяют под названием гнатоцефалических. Грудь состоит из трех сегментов: переднегруди, среднегруди и заднегруди. Остальные девять сегментов делятся на восемь брюшных и один концевой хвостовой сегмент.

Эмбриогенез завершается созданием этого основного метамерного типа строения, образованием кутикулярных покровов и внутренних органов личинки. Личинка вылупляется через 24 ч после оплодотворения яйца. Передний вентральный край каждого из трех грудных и восьми брюшных сегментов окаймлен рядами зубчиков, форма которых позволяет отличать брюшные сегменты личинки от грудных. Сегменты головы инвертированы таким образом, что голова оказывается внутри личинки, где гнатоцефалические сегменты дают начало ротовым частям личинки. Зачатки имагинальных структур, или имагинальные диски, которые детерминируются и на стадии клеточной бластодермы отделяются от клеток, дающих начало тканям личинки, растут на протяжении трех личиночных стадий, а затем достигают своего взрослого дифференцированного состояния во время метаморфоза на стадии куколки.

Взрослая особь подобно зародышу и личинке, имеет метамерное строение. Различные имагинальные диски, очевидно, происходят из клеток, распределенных по разным метамерам зародыша. На рис. 8-7 схематически показано происхождение разных частей имаго из метамеров зародыша.

Рис. 8-6. Бластодерма (A), стадия сегментированной зародышевой полости (Б) и личинка первого возраста (В) Drosophila melanogaster. Микрофотографии, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Линиями соединены соответствующие друг другу сегменты 8-часового зародыша и сформировавшейся личинки. Головы зародыша и личинки показаны прерывистой скобой. Обозначения сегментов: CL - клипеолабральный; РС - процефалический; Ма - мандибулярный, Мх - максиллярный; Lb - нижнегубной; О - глазной; T1– Т3– первый, второй и третий грудные; A1– A8– от первого до восьмого брюшные; D - дорсальный валик. (Фотография любезно предоставлена д-ром F. R. Turner.)

Рис. 8-7. Схема, показывающая соответствие между сегментами 8-часового зародыша и имаго Drosophila melanogaster (обозначения те же, что на рис. 8-6).

Голова взрослой особи несет глаза, антенны, клипеолабрум и максиллярные и нижнегубные щупики. Три последних элемента ротовых частей имаго, вероятно, происходят из соответствующих сегментов зародыша. У высших двукрылых, к которым относится и дрозофила, на имагинальной стадии мандибулярный элемент отсутствует. Глаза и антенны, по всей вероятности, происходят из процефалической лопасти зародыша. Вся голова имаго развивается из трех дисков, причем большая часть головной капсулы формируется из глазо-антеннального диска, который дает также начало максиллярным щупикам, т. е. этот диск происходит из нескольких сегментов. Два других диска происходят каждый из одного сегмента. Все три грудных сегмента несут по паре ходильных ног, причем каждая пара происходит из одного диска. Диски ног имеются на каждом из трех грудных сегментов зародыша. Дорсальная сторона груди имаго образована в основном мезотораксом и происходит из крылового диска. Дорсальные части как про-, так и метаторакса сильно редуцированы. На метатораксе расположены уже упоминавшиеся жужжальца. Наконец, восемь брюшных сегментов и концевые половые структуры имаго происходят из соответствующих сегментов личинки. Происходят ли половые железы из хвостового сегмента, не известно.