Чтение онлайн

Рис. 9-8. Гипотетическая последовательность решений, принимаемых в зародыше дрозофилы на ранних стадиях развития для того, чтобы детерминировать индивидуализацию сегментов. Расшифровку буквенных обозначений см. рис. 8-9. Скобки над и под квадратиками указывают домены действия соответствующих генов. Штриховкой обозначены участки зародыша, в которых при мутациях gap и pair-rule нарушена нормальная сегментация. На нижней схеме указаны предполагаемые участки действия гомеозисных локусов; гены приведены в качестве примеров и не могут дать представления об огромном перечне известных генов, оказывающих влияние на характер сегментации. Данная модель описывает в упрощенном виде генетическую регуляцию сложного процесса, который в настоящее время интенсивно изучается.

Отсутствие этой генетической активности также показывает, что в какой-то момент детерминации характера сегментации зародышевая полоска расчленяется на ряд единиц шириной в два сегмента. Подобно локусу Rg (pbx), функция локуса ftz необходима для правильной экспрессии гомеозисных локусов. При попарном «слиянии» сегментов, наблюдаемом у зародышей ftz – , у широкого сегмента, образованного путем слияния двух соседних, проявляются только индивидуальные особенности переднего сегмента. Это наиболее ясно видно на примере слившихся третьего грудного и первого брюшного сегментов. У мутантных зародышей этот большой сегмент обладает только структурами, типичными для грудных сегментов; никаких признаков брюшных сегментов в нем не остается. Поскольку функция локуса bxd (bithoraxoid) заключается в спецификации индивидуальных особенностей первого брюшного сегмента, можно сделать вывод, что отсутствие функции ftz+ препятствует экспрессии локуса bxd. Однако активность ftz не связана с индивидуализацией сегментов. Зародыши, у которых отсутствуют локус ftz и комплекс ВХ-С, содержат половину нормального числа сегментов, но все это грудные сегменты. Этого фенотипа следовало ожидать, если локус ftz+, подобно Rg (pbx), вступает в действие раньше гомеозисных локусов, которые в свою очередь функционируют в пределах сегмента того типа, который установился путем спецификации, определяемой gap- и pair-rule– локусами.

В свете этого последнего момента следует также заметить, что слившиеся сегменты позволяют определить ассоциированные функции в пределах комплексов ANT-C и ВХ-С. Как схематически показано на рис. 9-8, областью третьего грудного - первого брюшного сегментов определяются границы территории, на которой действуют локусы bx+, pbx+ и bxd+. Все вместе эти гены не могут комплементировать доминантную мутацию Ubx. Сходные территории для действия других сайтов комплекса ВХ-С можно усмотреть в остальных задних спаренных сегментах. Если говорить о комплексе ANT-С, то мутации в локусе pb воздействуют на максиллярный и нижнегубной сегменты. Мутации Scr вызывают трансформации нижнегубного и первого грудного сегментов, а нуль-аллели гена Antp указывают, что для нормального развития второго и третьего грудных сегментов необходим аллель Antp+. Следовательно, эффекты генов, входящих в комплексы ВХ-С и ANT-С, показывают, что эти локусы действуют в области шириной в два метамера. Некоторые из этих областей можно определить по фенотипу ftz; другие выявляются по альтернативным типам слияния сегментов, наблюдаемым у мутантов prd. Подобно gap– локусам, pair-rule– локусы также определяют домены действия гомеозисных локусов, и именно эта их функция связывает между собой данные два вида генов, регулирующие сегментацию. Мутации по локусам, определяющим полярность сегментов, оставляют нормальными число сегментов и их индивидуальные особенности, но вызывают дупликации структур. Эти локусы, вероятно, наиболее близки по своим функциям к гомеозисным генам в том смысле, что они как бы расшифровывают позиционную информацию, которая в свою очередь определяет индивидуальные особенности, а не число метамерных элементов. На основе высказанных выше соображений можно построить связную и не чисто воображаемую картину способа становления сегментарной организации у зародышей насекомых.

Схематическая картина наших представлений о процессе сегментации изображена на рис. 9-8. Основные оси зародыша детерминируются еще в материнском организме позиционной информацией, которая определяет передний и задний концы яйца и его дорсальную и вентральную стороны. Эти основные координаты затем детализируются различными локусами, контролирующими сегментацию. Первое событие в этом направлении заключается в разделении презумптивной зародышевой полоски на ряд крупных доменов; некоторые из них определяются gap– локусами и содержат по нескольку зачатков сегментов. Вслед за этим вступают в действие pair-rule– гены, подразделяющие эти большие области на меньшие - домены, соответствующие по ширине зачаткам двух сегментов. Эти двухсегментные домены встречаются в виде двух отдельных, но перекрывающихся блоков. Следует заметить, что такое же перекрывание наблюдается между двумя доменами, контролируемыми gap-локусами (см. рис. 9-8). Перекрывание может служить нескольким целям. Во-первых, оно, возможно, усиливает границу между двумя соседними доменами, потому что клетки в этой пограничной области обладают уникальной особенностью: в них активны оба гена. Во-вторых, перекрывание, возможно, действительно разграничивает сегменты, поскольку при этом каждый сегмент ограничивается перекрывающимися спаренными рамками, как это можно видеть у мутантов prd и ftz. Наконец, в-третьих, эти решения, определяющие сегментацию, усиливаются благодаря активности локусов, контролирующих полярность сегментов и поддерживающих соответствующие передне-задние различия в пределах каждого сегмента, первоначально детерминированные для зародыша в целом информацией, полученной от материнского организма. Эти ограничивающие во времени эмбриональные поля в свою очередь служат доменами активации для гомеозисных локусов комплексов ANT-С и ВХ-С.

В настоящее время представляется наиболее вероятным, что гены, входящие в комплексы ВХ-С и ANT-C, обеспечивают расшифровку позиционной информации. Механизм, с помощью которого может происходить расшифровка этой информации, подробно описал Гарсиа-Беллидо. Согласно его гипотезе, гомеозисные локусы, особенно входящие в комплекс ВХ-С, действуют как селекторы или переключатели. Позиционная информация, специфицированная во время оогенеза и уточненная в течение эмбриогенеза, активирует или инактивирует эти локусы в определенной последовательности. В активном состоянии гомеозисные гены вырабатывают продукты, которые избирательно активируют или подавляют батареи других генов. В каждом отдельном сегменте активность как гомеозисных генов, так и тех генов, которые, они в свою очередь регулируют, носит особый характер, свойственный только данному сегменту. Льюис (Е. Lewis) предложил модель, в которой активация комплекса ВХ-С поляризована в хромосоме в проксимально-дистальном направлении; т.е. гены комплекса ВХ-С активируются в определенной последовательности, соответствующей последовательности тех сегментов, в которых они действуют, от переднего конца зародыша к заднему.

Далее Льюис полагает, что проксимально-дистальному порядку расположения локусов в данном комплексе соответствует градиент связывания репрессора, идущий вдоль хромосомы. Чем ближе к переднему концу зародыша лежит данный сегмент, тем выше концентрация репрессора, а следовательно, меньше число активных генов. Результаты недавних анализов локуса Pc (Polycomb), проведенного Льюисом, и локуса esc (extra sex combs), проведенного Стралем (Struhl), служат некоторым подтверждением этой модели активации комплекса ВХ-С. Обе эти мутации вызывают превращение второй и третьей пары грудных ног в первую пару. Это хорошо видно на самцах, у которых половые гребешки имеются на всех трех парах ног - фенотип, сходный с возникающим при некоторых мутациях в локусе Antp. Однако зародыши, несущие летальные аллели в любом из этих двух локусов, фенотипически резко отличаются от мутантов Antp. Все грудные сегменты и брюшные сегменты 1-7 превращены у них в восьмые брюшные сегменты. Эти данные в сочетании с тем фактом, что эффект как мутации Рс, так и мутации esc зависит от числа копий комплекса ВХ-С (т.е. чем больше число имеющихся в наличии генов ВХ-С, тем сильнее выражена трансформация всего зародыша в восьмой брюшной сегмент), позволяют предположить, что продукты генов Ру+ и esc могут служить репрессорами комплекса ВХ-С.

Изучение таких локусов, как Рс и esc, а также мутаций в gap- и pair-rule– локусах, показывает, что индивидуализация сегментов регулируется по крайней мере на двух отдельных уровнях. Прямая регуляция гомеозисных генов происходит на уровне транскрипции, но, для того чтобы дерепрессия гомеозисных генов могла проявиться в индивидуализации сегментов, должны совершиться события, определяющие общий план сегментации зародыша.

Модель, представленная на рис. 9-8, удивительно хорошо согласуется с теоретическими рассуждениями Кауфмана. Кауфман рассматривал процесс сегментации как ряд двоичных решении, последовательно подразделяющих яйцо на ряд участков и приписывающих тем самым определенные адреса разным частям зародыша (рис. 9-7). Согласно формальной модели Кауфмана, зародыш делится сначала на две части, затем на четыре, на восемь и т. д. Подобные представления, основанные на выявленных до настоящего времени мутантных фенотипах, слишком упрощают реальные события. Это не означает, однако, что мы отбрасываем самую основу модели Кауфмана, потому что, судя по всему, последовательное подразделение раннего зародыша в самом деле имеет место и это разделение интегрировано с функцией локусов, определяющих индивидуализацию сегментов.

При формальном применении модели можно допустить, что двоичный набор переключателей, подобно уоддингтоновскому эпигенетическому ландшафту, должен быть линейно-упорядоченным и зависимым, т. е. перевод переключателя в одно из двух возможных положений зависит от предшествующего события на этом пути. В некоторых случаях это действительно так и есть. Однако данное условие не является непременным. Известны примеры, когда функции генов, регулирующих фундаментальные морфогенетические события, разобщены. Это было проиллюстрировано в гл. 5 на примере разобщенности процессов морфогенеза и клеточной дифференцировки в развивающейся поджелудочной железе. То же самое относится к сегментации зародыша дрозофилы. Несмотря на то что гены, контролирующие число и индивидуальные особенности сегментов, пространственно интегрированы, у мутантных особей эти две функции могут быть разобщены; т. е. действие gap– локусов не зависит от действия гомеозисных локусов, точно так же как гомеозисные локусы не нуждаются в активности gap-локусов. Именно эта разобщенность или диссоциация и допускает «мелкие переделки» онтогенетического развития в процессе эволюции. Это ясно видно в эволюции насекомых (см. гл. 8). Наблюдаемые у них изменения затрагивают индивидуальные особенности сегментов, но не их число.

В регуляции развития со стороны генома есть еще один важный аспект. Фенотипы не строго детерминированы единой генетической программой. На морфологии сказываются также негенетические влияния среды, хотя, как это подробно рассматривает Уоддингтон, возможный диапазон фенотипических реакций детерминирован характером генетической программы. И в самом деле, выбор из альтернативных фенотипов представляет собой почти постоянный элемент любого онтогенеза. Фенотипическая пластичность - очень обширная и сложная тема; поэтому мы ограничимся здесь проблемой выбора между альтернативными фенотипами, что составляет часть программы развития вида и служит основой для эволюционных изменений, в чем можно убедиться на некоторых классических примерах гетерохронии. К числу явлений, в которых участвует запрограммированный выбор между фенотипами, относятся половой диморфизм, различие в морфологии личинок и взрослых особей и альтернативные типы морфологии взрослых особей, такие как определяемая условиями среды неотения у амфибий или различные касты у общественных насекомых, обусловленные гормонально. Во всех этих случаях выбор одной из альтернативных программ морфологического развития из всего репертуара возможностей данного генома производят переключатели.

Потенции генома не ограничиваются созданием одной неизменной морфологии; в этом можно убедиться на прекрасном и ярком примере разнообразия каст у термита Amitermes atlanticus. Как у большинства общественных насекомых, семья этих термитов основывается царицей, или маткой, после ее брачного полета. Рожденные царицей потомки образуют популяцию термитов данной колонии. В своей книге «Обитающие во тьме» Скайфе (Skaife) описал различные касты, которые можно обнаружить в зрелой колонии этих организмов: рабочие, солдаты, царицы (или матки) и самки-заменительницы. Представители всех этих каст изображены на рис. 9-9. Как можно видеть на этом рисунке (внизу), особи, относящиеся к разным кастам, сильно различаются по своей морфологии. Глаза и крылья имеются только у половых особей, тогда как рабочие и солдаты слепые и бескрылые. Солдаты отличаются от рабочих и половых особей крупной головой и мощными челюстями. Когда представители всех этих каст вылупляются из яиц, никаких различий между ними заметить нельзя. Следует также помнить, что все члены данной колонии - родные братья и сестры. Примерно в середине периода роста между развивающимися термитами начинают появляться морфологические различия, зависящие от их будущей касты. Вряд ли можно предположить, что эти различия обусловлены генетически, потому что молодые семьи состоят из одних только рабочих, а по мере созревания семьи в ней появляются сначала солдаты, а затем разные категории половых особей. Кроме того, в зрелой семье наблюдаются сезонные колебания числа и категорий половых особей. Таким образом, создается впечатление, что в группе организмов, приходящихся друг другу братьями и сестрами, т.е. имеющих один и тот же генотип, могут возникнуть довольно разнообразные фенотипы, причем все эти фенотипы принадлежат функционально интегрированным организмам.