Чтение онлайн

Гарсиа-Беллидо (Garcia-Bellido) и его сотрудники показали, что развитие диска слагается из ряда процессов компартментализации; иначе говоря, подобно тому как это происходит с полем конечности амфибии, оси данного имагинального диска определяются в результате ряда последовательных событий. Так же как и в случае поля конечности, сначала устанавливается передне-задняя ось, а за ней следуют дорсо-вентральная ось и три последовательных ограничения вдоль проксимально-дистальной оси. Каждый из образующихся при этом компартментов отделен от других, и клетки, находящиеся в одном из них, при нормальном течении развития неспособны преодолевать границы между компартментами. В крыле и груди имаго каждая клетка имеет единственное место назначения, связанное с рядом канализирующих событий, через которые она проходит в течение развития. Кауфман рассматривает эти события как отражающие ряд принятых двоичных решений. Так, клетку, находящуюся на переднем дистальном кончике крыла, следует пометить как передняя/не задняя, дорсальная/не вентральная, крыловая/не грудная, дистально-крыловая/не проксимально-крыловая. Используя модель химической волны, первоначально постулированную Тьюрингом (Turing), можно математически показать, что исходное эмбриональное поле можно последовательно подразделить серией узловых линий, положение которых зависит от первоначальной формы этого поля и от динамики роста, могущей изменить его форму или размеры. Диск крыла приближенно имеет форму эллипса. Рассмотрев особенности роста этого диска, можно предсказать местоположение узловых линий. Как показано на рис. 9-6, сходство между спроектированными на имагинальный диск действительными границами компартментов и расположением и последовательностью узловых линий очень велико. Кауфман, Шимко и Треберт (Kauffman, Shymko, Trabert) провели сходное сопоставление, спроектировав узловые линии на зародыш, находящийся на стадии клеточной бластодермы. В этом случае различные участки зародыша специфицируются в результате ряда последовательных двоичных решений. Как схематически показано на рис. 9-7, эта модель предсказывает, что зародыш делится поперек сначала надвое, затем на четыре части, далее на восемь и наконец делится в дорсо-вентральной плоскости. В пределах каждой ограниченной таким образом области клеткам можно приписать двоичный адрес при помощи четырех гипотетических переключателей, которые могут находиться в состоянии либо 0, либо 1. Так, первый переключатель находится в состоянии 1 в передней половине и в состоянии 0 - в задней. В следующем наборе зон, определяемых узловыми линиями, второй переключатель находится в состоянии 0 в передних и задних четвертях и в состоянии 1 - в двух центральных четвертях. В результате продолжения такого комбинаторного кодирования каждая область получает свое особое обозначение.

Рис. 9-5. Схема гипотетического набора генных переключателей, образующих замкнутый контур. Внешний индуктор или индукторы (морфогены) активируют ген А, который в свою очередь активирует ген В, ген В - ген С, а ген С - снова ген А, так что образуется замкнутый контур. Затем внешний индуктор можно удалить, но система остается при этом «включенной». В данной системе гены В и С действуют также и за пределами контура, активируя другие локусы (Kauffman, 1972; с изменениями).

Рис. 9-6. Схема реальных и теоретических пограничных линий между компартментами в имагинальном диске крыла Drosophila melanogaster. А. Линии наложены на карту презумптивных зачатков диска. Цифры возле каждой линии указывают на последовательность, в которой, согласно наблюдениям, границы между компартментами ограничивают потенции клеток в этом диске (пунктирная линия 4 на самом деле не наблюдалась). Б. Линии, предсказанные моделью Тьюринга для эллипса. Сходство между двумя схемами поразительно (Kauffman, Shymko. Trabert, 1978; с изменениями).

Аналогичная система обозначений была привлечена для того, чтобы объяснить, каким образом детерминируется индивидуальность каждой имагинальной структуры, образующейся в различных сегментах. Так, различным имагинальным дискам можно дать обозначения, используя коды с комплектом из пяти переключателей. Конечно, этой модели внутренне присуща известная иерархия, причем некоторые сегменты и диски в этой иерархии более тесно связаны между собой, чем другие. Этот аспект данной модели хорошо согласуется с замечаниями Хадорна (Hadorn) относительно трансдетерминационных событий между имагинальными дисками: когда фрагменты дисков, выращиваемых в культуре, переходят из одного детерминированного состояния в другое, это происходит совсем случайным образом. Как и в комбинаторном коде, при этом выявляется некая иерархия. Кроме того, некоторые трансдетерминации никогда не происходят, например диск крыла никогда не превращается в хоботок. Кауфман объясняет это тем, что в дифференцировке этих двух структур участвуют два набора переключателей, и для такого превращения оба они должны вступить в действие, что представляется в высшей степени маловероятным. Помимо того что комбинаторный код позволяет объяснить трансдетерминационные взаимоотношения, он согласуется также с гомеозисными превращениями, наблюдаемыми у дрозофилы. Используя кодовые обозначения, примененные для различных областей бластодермы (рис. 9-7), и наложив на эту карту положение имагинальных дисков, развившимся из них имагинальным структурам можно дать обозначения в соответствии с комбинаторным кодом.

Рис. 9-7. А. Ряд пограничных линий, разделяющих компартменты, наложенные на зародыш дрозофилы на стадии клеточной бластодермы. Каждый компартмент несет предложенные Кауфманом метки по двоичному коду, специфицирующие индивидуальность каждого сегмента. - глаз; А - антенна; Pb - хоботок; Р - переднегрудь; L1, L2 и L3 – 1-я, 2-я и 3-я ноги; W - крыло; Н - жужжалъце; Abd - брюшко; G - половые органы (Kauffman, Shymko, Trabert, 1978). Б. Микрофотография сегментированного зародыша дрозофилы, сделанная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Обозначения на микрофотографии указывают сегменты, из которых, как предполагается, развиваются имагинальные структуры, указанные на рис. А. (Фотография любезно предоставлена д-ром F. R. Turner.)

Большую часть гомеозисных превращений, наблюдаемых среди этих структур, можно объяснить изменениями в одном переключателе. Так, для того чтобы антенна (1010) превратилась во вторую ногу (1110), достаточно одного переключения 0 —> 1. Это, в сущности, и проделывает мутация Antennapedia, и Кауфман высказывает мнение, что некоторые гомеозисные локусы, возможно, представляют собой гены-переключатели, необходимые для расшифровки позиционной информации. Переключатели эти обладают еще одним свойством, которое также исследовал Кауфман. После того как ген включен или активирован, он остается в таком состоянии. Гены, очевидно, обладают памятью. Предполагается, что эта память существует в форме ряда «замкнутых контуров». Согласно этой модели, после того как под действием какого-либо внешнего сигнала (например, позиционной информации) первый ген контура приходит в активное состояние, он активирует второй локус, который в свою очередь активирует третий. Как второй, так и третий локусы сами могут функционировать как активаторы, дерепрессирующие другие локусы. Как показано на рис. 9-5, в этом простом варианте одним из локусов, дерепрессируемых третьим геном, является первый ген. В таком случае ген 3 участвует в создании петли обратной связи, которая будет усиливать первоначальную активацию гена 1. Кроме того, можно представить себе, что гены 2 и 3 сами поддерживаются в активном состоянии другими локусами, еще больше усиливая действие контура. Простым конкретным примером системы этого типа служит лактозный оперон Escherichia coli. Снабжая клетки Е. coli лактозой, можно индуцировать у них синтез фермента -галактозидазы. Однако, для того чтобы стала возможной индукция, в клетку должно проникнуть некоторое количество субстрата. Это происходит следующим образом. Вначале в бактерию просто просачивается лактоза, индуцируя синтез соответствующего катаболического фермента и пермеазы. Синтезированная пермеаза включается в плазматическую мембрану клетки, облегчая перенос в клетку лактозы. Первоначальная активация данной системы зависит, таким образом, от проникновения в нее лактозы, что в свою очередь зависит от концентрации. При субоптимальных концентрациях синтез ферментов не индуцируется и клетки не смогут использовать лактозу в качестве источника углерода. Если популяцию Е. coli выращивать при такой концентрации лактозы, которая чуть выше индуцирующего уровня, то клетки постепенно приобретают способность использовать этот сахар. При этом одни клетки индуцируются, а другие нет. Если, в то время когда примерно половина составляющих популяцию клеток индуцирована, концентрацию лактозы понизить путем разведения до субоптимального уровня, то клетки, которые уже были индуцированы, остаются в этом состоянии, а неиндуцированные остаются неиндуцированными. Эти свои состояния клетки сохраняют даже после деления, т.е. дочерние клетки «помнят». Такую «память» обеспечивает пермеаза, включающаяся в мембраны индуцированных клеток. Пермеаза облегчает перенос лактозы через клеточные мембраны, даже если концентрация ее невелика. Это в свою очередь индуцирует дальнейшее образование пермеазы, усиливающей состояние индуцированности. Следовательно, составляющие популяцию клетки находятся в двух альтернативных состояниях - активированном и неактивированном. Однако, для того чтобы приблизить эту ситуацию к гипотетической ситуации Кауфмана, необходимо наличие внутреннего индуктора для лактозного оперона, который поддерживал бы его активность даже в отсутствие внешнего индуктора. Как и в случае теории позиционной информации, эти идеи о генных переключателях и комбинаторном кодировании создают теоретическую основу, в рамках которой можно рассматривать генетическую регуляцию развития. На самом деле недавние данные о генетической регуляции основного типа сегментации у зародыша дрозофилы показали, что в деталях модель комбинаторного кодирования неверна; однако идея о последовательной компартментализации вполне оправданна.

Сегментация зародыша дрозофилы в своей основе выглядит как ряд латеральных впячиваний зародышевой полоски, образующихся почти одновременно на стадии гаструляции. Несмотря на кажущийся мозаичный характер этого процесса, можно показать, что индивидуализация каждого сегмента происходит постепенно, начиная с дробления, до того как отдельные сегменты окончательно обособятся. Наложение на зародышей лигатур на стадии дробления, произведенное в нескольких лабораториях (Vogel; Herth, Sander; Schubiger, Wood), показало, что становление специфических особенностей каждого отдельного сегмента можно нарушить в разной степени, в зависимости от возраста дробящегося зародыша. Чем раньше накладывается лигатура, тем серьезнее нарушение. Полный набор сегментов детерминируется не раньше, чем будет достигнута стадия клеточной бластодермы. Во время дробления, по-видимому, должно происходить взаимодействие между различными участками зародыша, необходимое для возникновения нормальной сегментации. Возможная природа этого взаимодействия и генетическая регуляция процесса сегментации рассмотрены в ряде изящных морфогенетических и генетических исследований, проведенных Нюсслейн-Фольгардом и Вейсхаузом (Niisslein-Volhard, Weischaus).

Как уже отмечалось в гл. 7, Нюсслейн-Фольгард охарактеризовал два гена, наследуемые по материнскому типу, которые резко нарушают полярность зародыша. Мутации в этих двух локусах, bc (bicaudal) и dl (dorsal), приводят к тому, что гомозиготные мутантные самки продуцируют соответственно зародышей с двумя задними концами или с двумя дорсальными сторонами тела. Возможно, что эти два локуса содержат гены, продукты которых создают исходную позиционную информацию, детерминирующую основные передне-заднюю и дорсовентральную оси зародыша. Кодируют ли эти локусы саму информацию или же они необходимы для ее переработки - не известно. Однако, поскольку эти гены наследуются по материнскому типу, предполагается, что эта информация встраивается в яйцо во время оогенеза. На основе результатов экспериментов с наложением лигатуры можно думать, что окончательное становление сегментов происходит в результате дальнейшего уточнения информации об этих основных осях. Вместе с тем дело не ограничивается простым механическим распределением информации, поставляемой материнским организмом. Число сегментов, их местоположение, полярность и индивидуализация - все это должно быть определено (специфицировано). В одном из аспектов такой спецификации участвуют гомеозисные локусы, обсуждавшиеся в гл. 8. Эти локусы принимают участие в спецификации индивидуальных особенностей отдельных сегментов; они, по-видимому, действуют главным образом после оплодотворения и не проявляют материнского эффекта. Другие гены определяют число сегментов и их полярность. Недавно Нюсслейн-Фольгард и Вейсхауз обнаружили гены, детерминирующие все более детальное расчленение основных осей зародыша на определенное число сегментов. Подобно гомеозисным генам, определяющим индивидуальные особенности отдельных сегментов, эти гены экспрессируются в течение зародышевого развития. При помощи генетических и эмбриологических тестов была идентифицирована группа из 20 таких локусов, определяющих характер сегментации и особенности отдельных сегментов. Мутации в этих локусах не имеют материнского эффекта; они приводят к образованию фенотипов, у которых нарушено формирование сегментов, и являются летальными. Эти мутации не охарактеризованы полностью в генетическом и морфологическом отношении, поэтому неясно, все ли 20 генов специфически участвуют в сегментации или некоторые из них оказывают на этот процесс плейотропное воздействие. Однако 20 идентифицированных локусов, по-видимому, близки к общему числу таких генов в геноме дрозофилы.

Несмотря на предварительный характер анализа этих локусов, дефинитивные фенотипы мутантов дают некоторые указания о характере участия генов в становлении сегментации у зародыша. Более того, благодаря этим мутантам возникли интересные предположения об участии гомеозисных генов в вероятной интеграции процесса сегментации и в спецификации индивидуальных особенностей отдельных сегментов. Гены, определяющие сегментацию, можно разбить на основании создаваемых ими дефинитивных фенотипов на три широкие категории. Во-первых, это gap– локусы, приводящие к потере групп смежных сегментов; во-вторых, pair-rule– локусы, обусловливающие попарное слияние соседних сегментов, что приводит к уменьшению числа сегментов вдвое; и в-третьих, это локусы, изменяющие полярность сегментов; при этом зародыш содержит нормальное число сегментов, но каждый из них состоит из двух передних половинок, зеркально обращенных друг к другу.

Мутанты по двум из gap– локусов имеют фенотипы, представляющие интерес для обсуждаемой нами темы. Это мутации knirps и Rg (pbx) (Regulator of postbithorax). В результате мутации в локусе knirps развиваются зародыши с нормальным передним и задним концами тела, но с единственным большим брюшным сегментом там, где в норме должны находиться брюшные сегменты 1-7. Этот фенотип схематически изображен на рис. 9-8. Делеции локуса Rg (pbx) приводят как бы к реципрокному «выпадению» сегментов по отношению к выпадению, вызываемому делецией knirps. Вместо трех грудных и части гнатоцефалических сегментов образуется один большой сегмент, сходный с брюшным. Кроме того, седьмой и восьмой брюшные сегменты не разделяются. В обоих случаях из больших участков клеточной бластодермы и зародышевой полоски, которые в норме образуют несколько сегментов, формируется только по одному крупному структурному элементу. В широком смысле такое нарушение можно интерпретировать как результат какого-то дефекта в генетической программе клеток, находящихся в специфичных участках зародыша; этот дефект обусловливает неспособность клеток реагировать на информацию, поставляемую материнским организмом через яйцо. В пользу такого утверждения свидетельствует фенотип зародышей с делецией как локуса Rg (pbx), так и комплекса генов bithorax (BX-C). Делеция комплекса ВХ-С приводит к превращению брюшных сегментов в грудь. У зародышей с двойной делецией число сегментов такое же, как у зародышей Rg (pbx)– , но все эти сегменты грудные. Поэтому выпадение, наблюдаемое у зародышей Rg (pbx), приводит к нехватке некоторого участка тела у раннего зародыша и не зависит от наличия сегментов, обладающих особенностями грудных. Другими словами, ген Rg (pbx)+ определяет способность передней части зародыша к образованию сегментов и действует до индивидуализации сегментов или независимо от этого. В связи с этим последним соображением интересно отметить, что выпадающие у зародыша Rg (pbx) передние сегменты-это именно те сегменты, индивидуализация которых детерминируется комплексом ANT-C (Antennapedia). Поэтому правильное функционирование этого gap– локуса - необходимая предпосылка для экспрессии комплекса ANT-C.

Среди pair-rule– генов обнаружены мутанты двух типов. Примером одних служит локус prd (paired), примером других - локус ftz (fushi tarazu). Мутация prd приводит к «слиянию» задней части одного сегмента с передней частью другого в норме следующего за ним сегмента. Зародышевая полоска мутантного зародыша образует только половину нормального числа сегментов, каждый из которых вдвое шире нормального. Эти двойные сегменты схематически изображены на рис. 9-8; они состоят из средне- и заднегруди, первого и второго брюшного сегментов, третьего и четвертого брюшного и т.д. Возможно также слияние нижнегубного сегмента и переднегруди. Другой локус, ftz, входит в состав комплекса ANT-C (см. рис. 9-8), занимая на генетической карте место между гомеозисными локусами pb (proboscipedia) и Scr (Sex combs reduced). Так же как и локус prd, он приводит к «слиянию» сегментов, однако это слияние сдвинуто относительно того, которое вызывается локусом prd. Как видно на рис. 9-8, сливаются максиллярный и губной сегменты, первый и второй грудные, третий грудной и первый брюшной, второй и третий брюшные и т. д. Наблюдения над ранними зародышами показали, что это нарушение сегментации выявляется даже на начальных ее стадиях. Зародышевая полоска делится на вдвое меньшее число сегментов, чем в норме, причем все сегменты вдвое шире обычных. Исследование температурочувствительных аллелей локусов prd и ftz показало, что их температурочувствительные периоды (ТЧП) приходятся на очень раннюю стадию развития. Для аллеля ftz ТЧП наступает примерно через 2 ч после начала развития, что соответствует стадии клеточной бластодермы. Кончается ТЧП примерно спустя 4 ч после начала развития, прежде чем зародышевая полоска физически сегментируется. Таким образом, на стадии раннего зародыша происходит генетически регулируемое событие, необходимое для правильного осуществления сегментации.