Чтение онлайн

Все границы между сегментами появляются одновременно во время гаструляции. Установлено, однако, что процесс сегментации не абсолютно мозаичен по своему характеру. Эксперименты Шубигера и Вуда (Schubiger, Wood), а также Херта и Сандера (Herth, Sander) с наложением лигатуры на зародышей, находящихся на разных стадиях дробления, показали, что становление структуры сегментов с течением процесса дробления постепенно усиливается. Полный набор сегментов образуется лишь по достижении стадии бластодермы, когда настает время детерминации судьбы разных клеток. Очевидно, для нормальной сегментации зародыша необходимо взаимодействие между его различными участками. Дальнейшие сведения о природе факторов, определяющих характер сегментации, дали эксперименты, в которых клетки и их потомков метили, вызывая в них путем рентгеновского облучения соматические рекомбинации. Используя клеточные маркеры, экспрессирующиеся независимо друг от друга и затрагивающие пигментацию и морфологию кутикулярных элементов взрослой особи, Гарсиа-Беллидо (Garcia-Bellido) и его сотрудники создавали на стадии клеточной бластодермы клоны рекомбинантных клеток в зачатках, дающих грудные структуры взрослых особей. Проследив за взаимоотношениями между клеточными линиями, они сумели показать, что все потомки первоначально помеченной клетки оказываются только в одном сегменте. Более того, клетки, происходящие от одной гомозиготной дочерней клетки, обычно остаются друг подле друга, образуя пятно меченых клеток. Как показали дальнейшие эксперименты с использованием (Minute)-мутаций, границы между такими участками отражают ограниченность клеточных потенций, и сегменты в самом деле делятся на два таких ограниченных участка. Клетки, гетерозиготные по доминантной мутации (/+), растут медленнее, чем гомозиготные клетки дикого типа (+/+), а гомозиготные клетки по мутации М (М/М) гибнут. Если клоны клеток М+/М+ индуцировать при помощи соматической рекомбинации на фоне клеток /+, то эти нормальные клетки обгоняют в росте своих гетерозиготных соседей. В больших клонах клеток М+/М+ проявляются те же ограничения потенций, которые наблюдались в предыдущих экспериментах. Итак, три сегмента, из которых состоит грудь имаго, разделены на переднюю и заднюю области («компартменты»). Все эти эксперименты с клонированием проводились на кутикулярных элементах взрослых мух. Перенесение полученных при этом результатов на зародышей и личинок до некоторой степени произвольно. Однако проведенный Корнбергом (Kornberg) анализ мутантных аллелей локуса еп (engrailed) подтверждает такую возможность. Leaky– мутации локуса еп вызывают превращение элементов задних компартментов грудных сегментов в структуры передних компартментов. Это особенно ясно выражено в случае имагинальной пластинки крыла, которая у мутанта состоит из двух передних половинок, зеркально-симметричных одна другой. Другие аллели вызывают гибель зародыша на поздних стадиях развития. У этих мертвых особей обнаружены сходные зеркально-симметричные дупликации всех грудных и брюшных сегментов. Поэтому создается впечатление, что компартментализация происходит уже у зародыша и что это распределение клеточных потенций внутри сегмента имеет место как у личинки, так и у взрослой особи.

В детерминации индивидуальности сегментов, по-видимому, непосредственно участвуют две группы гомеозисных локусов. Интересно указать, что эти два набора генов представляют собой два кластера тесно сцепленных между собой локусов, находящихся в правом плече третьей хромосомы. О членах группы, расположенной дистальнее, мы уже говорили. Она известна под общим названием Bithorax Complex, и в нее входит не менее 10 комплементарных локусов. В другую, более проксимальную группу входит не менее 6 членов, и она известна под названием Antennapedia Complex. Связи этих двух комплексов друг с другом и с другими гомеозисными локусами приведены на рис. 8-5. На рис. 8-8 показан состав каждого комплекса и его местоположение в политенных хромосомах. Члены группы ВХ-С ответственны за детерминирование индивидуальности каждого из сегментов, расположенных кзади от сред-негрудного сегмента у личинки и у имаго. Как мы уже видели, в отсутствие локусов bx и pbx заднегрудь имаго превращается в среднегрудь. Мутация bxd (bithoraxoid) вызывает сходное превращение первого брюшного сегмента в среднегрудной. В этом случае трансформация наблюдается также и у личинки. Эти три рецессивные мутации комплементарны друг другу (т. е. особи с генотипом bx/pbx или bx/bxd, например, обладают нормальным фенотипом, но ни одна из трех не комплементарна доминантной мутации Ubx (Ultrabithorax). Льюис (Lewis) пришел к выводу, что дефекты, вызываемые мутацией Ubx, соответствуют мутациям в той части комплекса ВХ-С, которая ответственна за регуляцию локусов bx, pbx и bxd. Особи, гомозиготные по какой-либо мутации Ubx, гибнут на поздних стадиях зародышевого развития; при этом у них происходит превращение третьего грудного и первого брюшного сегментов во вторую грудь - результат, соответствующий представлениям Льюиса о функции локуса Ubx. Чем больше дистальных локусов комплекса ВХ-С подвергается делеции (рис. 8-8, Б), тем больше брюшных сегментов превращается в грудные сегменты. Так делеция локусов iab-2, iab-3 и iab-8 (рис. 8-8, Б) приводит к превращению брюшных сегментов в среднегрудь. При делеции всего комплекса ВХ-С все сегменты от заднегрудного до 8-го брюшного превращаются в среднегрудь, как это схематически показано на рис. 8-9. Все эти превращения - результат отсутствия функции генов. Однако у комплекса ВХ-С есть и другие доминантные варианты, приводящие к аномальной активации функций в пределах этого комплекса. Доминантная мутация Cbx (Contrabithorax) приводит к развитию мух, крылья которых превращены в жужжальца. Как показала генетическая проверка, это вызвано дерепрессией функций локусов bx+ и pbx+ в среднегруди, где они обычно не проявляют активности. Такого рода мутации существуют по крайней мере в трех точках комплекса ВХ-С и, согласно предположениям, оказывают воздействие на cis– регуляторный участок, контролирующий действие входящих в этот комплекс локусов, которое в норме ограничено отдельными сегментами.

Комплекс гомеозисных локусов, расположенный более проксимально (ANT-C, рис. 8-8, A), вызывает сходные превращения сегментов в передних частях зародыша и имаго. Локус pb (proboscipedia) необходим для нормального развития нижнегубного сегмента взрослой особи. В отсутствие функции pb+ нижнегубные щупики имаго превращаются в переднегрудные ноги. Делеция локуса Scr (Sex combs reduced) приводит к превращению переднегруди в среднегрудь. Это лучше всего видно на взрослых самцах дрозофилы, у которых половой гребешок (структура, обычно имеющаяся только на переднегрудных ногах) отсутствует. Кроме того, о превращении первой пары ног во вторую свидетельствует общая картина распределения щетинок на переднегрудных ногах как у самцов, так и у самок. Такое же превращение можно наблюдать у личинок, у которых типичная для переднегруди морфология изменяется, так что переднегрудь становится похожей на среднегрудь. Наконец, некоторые аллели локуса Antp обусловливают превращение среднегруди и заднегруди в переднегрудь как у личинок, так и у имаго. Это можно наблюдать у взрослых самцов, у которых при этом появляются половые гребешки на всех шести ногах. При делеции всего комплекса ANT-C зародыш гибнет на поздней стадии развития, перед самым вылуплением личинки первого возраста. Изучение этих особей, а также более ранних стадий до наступления гибели показало, что все их сегменты от максиллярного до заднегрудного похожи на переднегрудные сегменты. Проявление этих двух последних нарушений у зародыша представлено на рис. 8-9.

Рис. 8-8. Схематическое изображение участков политенных хромосом Drosophila melanogaster, в которых локализованы комплексы ANT-C(A) и ВХ-С(Б). Над каждым участком указаны локусы, входящие в эти комплексы, pb - proboscipedia; zen - zerknult; Dfd - Deformed; ftz - fushitarazu; Scr - Sex combs reduced; Antp - Antennapedia; abx - anteriobithorax; bx - bithorax; Cbx - Contrabithorax; Ubx - Ultrabithorax; bxd - bithoraxoid; pbx - postbithorax; Hab - Hyperabdominal; Uab - Ultraabdominal; Мер - Miscadestral pigmentation; tuh - tumorous head; iab - infraabdominal.

Рис. 8-9. Схема превращений сегментов, наблюдаемых после частичных или полных делеций комплексов ANT-C и ВХ-С. Трансформированные сегменты отмечены пунктиром, и на них указано, в какие сегменты они превратились. Слева, над каждой схемой-различные генотипы. Показанные здесь трансформации представляют собой упрощенную компиляцию эффектов, оказываемых этими мутациями на взрослых особей, личинок и зародышей. Однако в большинстве случаев лишь предполагается, что эти трансформации имеются у зародыша в начальный момент, когда отдельные сегменты приобретают свою индивидуальность. Еу - глаз; An - антенна; остальные обозначения, те же что на рис. 8-6.

Подобно комплексу ВХ-С, доминантное усиление функции происходит также в результате мутаций, относящихся к комплексу ANT-C. Наиболее очевидное из них - нарушение функции локуса Antp, вызывающее превращение антенны в ногу. Функция аллеля Antp+, установленная на основе фенотипа, получающегося при делеции этого локуса, заключается в обеспечении надлежащего развития средне- и заднегруди. При доминантных мутациях в локусе Antp эта функция проявляется в передних члениках антенны и в ее зачатках. Аллель Antp+ не участвует в нормальном развитии антенны, о чем свидетельствует нормальная морфология антенны, даже в том случае, если в этом органе с помощью соматического кроссинговера создаются гомозиготные клоны клеток Antp– . Если же создать такие клоны во второй и третьей паре ног, то развитие пойдет по типу переднегруди или антенны. Таким образом, функция аллеля Antp+, очевидно, необходима для нормального развития вентральных частей средне- и заднегруди, а превращение антенны в ногу происходит в результате аномальной активации этой функции в зачатке антенны.

При делеции как комплекса ВХ-С, так и комплекса ANT-C получается картина сегментации, изображенная в нижнем ряду рис. 8-9: голова зародышей образована тремя сегментами, за которыми следует ряд одинаковых сегментов, похожих на переднегрудные. Такие зародыши гибнут. Следовательно, гены, входящие в эти два комплекса, необходимы для определения особой судьбы большинства различных гнатоцефалических, грудных и брюшных сегментов. Отдельные локусы функционируют в определенных сегментах, причем эта функция не выходит за пределы отдельных сегментов. Трансформации сегментов, вызываемые делецией генов, входящих в комплексы ВХ-С или ANT-C, или мутациями этих генов, не сводятся лишь к поверхностному изменению внешних кутикулярных структур. Если извлечь из личинок имагинальные диски, диссоциировать их и допустить реагрегацию клеток, то клетки одинаковых дисков соединяются друг с другом, а клетки из разных дисков отделяются одни от других. Если, однако, антенны трансформированы в результате гомеозиса в ногу, то эти клетки антенны-ноги воссоединяются и совместно образуют нормальные бластемы ноги. Эти результаты указывают на то, что поверхностные свойства клеток и их способности к распознаванию друг друга изменились под действием мутации.

С помощью метода соматической рекомбинации была сделана попытка оценить число клеток, из которых на стадии клеточной бластодермы состоят различные имагинальные диски в момент их детерминации. Для диска, из которого образуются жужжальца, их число равно примерно 10, а для диска крыла - около 20. Кроме того, удалось проследить за динамикой пролиферации этих двух дисков, получая рекомбинантные клоны их клеток на более поздних стадиях развития. С помощью этого метода Гарсиа-Беллидо (Garcia-Bellido) и его сотрудникам удалось показать, что у двойных мутантов bx pbx изменяется как динамика роста, так и число клеток, вовлеченных в диск жужжальца на стадии клеточной бластодермы. Оба этих свойства, подобно морфологии диска, изменяются, и жужжальца становятся похожими на крыло, т.е. на производное среднегруди. То обстоятельство, что программа развития как личинки, так и имагинальных дисков при гомеозисе изменяется на очень ранней стадии (для зачатков, по-видимому, на стадии клеточной бластодермы), можно считать указанием на важную роль гомеозисных генов в фактической детерминации судьбы клеток. В пользу такого утверждения свидетельствует возможность получить фенокопии трансформаций, типичных для мутантов bithorax, путем нагревания зародышей, находящихся на стадии клеточной бластодермы. У зародышей в возрасте 2 ч, подвергнутых температурному шоку, возникают ненаследственные изменения развития, сходные с изменениями, наблюдаемыми у мутантов bx. Как показал Гарсиа-Беллидо, к таким же результатам приводит обработка зародышей того же возраста эфиром. Эффективность такой обработки значительно возрастает, если изменить дозу генов комплекса ВХ-С посредством гетерозиготных делеций bx и pbx; при этом частота фенокопии повышается. Эти наблюдения являются убедительным доводом в пользу того, что мишенью, на которую направлено действие гомеозисных локусов, служат ранние процессы детерминации. Эти локусы необходимы, однако, и для поддержания такого состояния. Температурочувствительные мутации в локусах bx и pbx обладают температурочувствительным периодом, соответствующим третьей личиночной стадии (спустя 4-5 дней после детерминации клеток имагинальных дисков). Таким образом, характер детерминации этих клеток можно изменить после его первоначального формирования, но до дифференцировки, происходящей в процессе метаморфоза.

Результаты генетических и эмбриологических исследований гомеозисных генных комплексов Antennapedia и bithorax показывают, что эти локусы действительно играют роль переключателей, определяющих судьбу отдельных сегментов. Переключение происходит в период детерминации и, по-видимому, представляет собой результат позитивного действия названных локусов этих комплексов на батареи других генов. Следует отметить, что альтернативный путь развития, происходящий в отсутствие этих генов, не бывает хаотическим; в норме он наблюдается у некоторых других частей животного, так что эти гены можно в самом деле рассматривать как переключатели, производящие выбор из нескольких альтернативных состояний. Изменение реакции, вызванное гомеозисной мутацией, не приводит, как хотелось бы Гольдшмидту, к появлению «перспективных монстров», обладающих потенциальными возможностями для макроэволюционных событий. На самом деле изменения эти носят атавистический характер и могут дать сведения об истории генетических регуляторных механизмов, приобретенных в процессе эволюции. Вероятно, особенно ясно это можно продемонстрировать на примере эволюционной истории насекомых.

Филогенетические взаимоотношения крупных групп членистоногих представлены на рис. 8-10. Эта филогения построена на основании данных палеонтологических, эмбриологических, сравнительно-анатомических и различных других исследований.

Членистоногие возникли от некого предка, сходного с кольчецами, по всей вероятности, в конце докембрия, а первая значительная радиация этой группы началась в кембрии. Среди ископаемых остатков, найденных в нижнепалеозойских отложениях, обнаружены представители всех групп членистоногих, за исключением насекомых. Насекомые появляются в верхнем палеозое, т. е. примерно 350 млн. лет назад. Если в отношении происхождения членистоногих от кольчецов (или от какой-то сходной с ними группы) существует известное единодушие, то по вопросу о том, являются ли главные группы членистоногих моно- или полифилетическими, единого мнения нет. Мы не собираемся вступать в эту дискуссию, а сконцентрируем внимание на той части филогении, которая относится к группе членистоногих Uniramia и от которой в конечном счете произошли насекомые. Изменения в характере сегментации у этой группы членистоногих можно проанализировать в свете гомеозисных мутаций дрозофилы.

К признакам, позволяющим считать кольчецов предками членистоногих, относятся лежащая в основе их строения метаметрия, расположение нервной системы на вентральной стороне, а сердца - на дорсальной стороне тела; это признаки, которыми обладают все членистоногие. Несмотря на эти общие для обеих групп признаки взрослых особей, они сильно различаются по ранним стадиям развития. Для кольчецов, так же как для моллюсков, характерно спиральное дробление, тогда как у членистоногих дробление в общем центролецитальное, описанное выше для дрозофилы. Поэтому одним из крупнейших событий в возникновении членистоногих было резкое изменение раннего развития при сохранении взрослыми особями основного плана строения.