Гены сегментарной полярности

Различные сочетания белковых продуктов раir-rulе генов активируют гены сегментарной полярности. Гены сегментарной полярности детерминируют границы конкретных сегментов. Мутации, нарушающие их функционирование, влекут за собой нарушения в развитии отдельных сегментов — четных или нечетных, в зависимости от того, какой из генов сегментарной полярности мутировал. Известно около 15 генов сегментарной полярности, которые фактически создают пространственную дифференцировку внутри каждого сегмента, поскольку области их экспрессии совпадают с границами парасегментов, подразделяющих сегменты на переднюю и заднюю половины.

Кроме того, все сегрегационные гены, последовательно активируемые в ходе развития эмбриона дрозофилы, оказывают друг на друга взаимные влияния через кодируемые ими продукты. Экспрессия сегрегационных генов подготавливает почву для функционирования ключевой системы генов, обеспечивающих качественную спецификацию сегментов – системы гомеозисных генов.

Гомеозисные гены

ОТКРЫТИЕ ГОМЕОЗИСНЫХ ГЕНОВ, ИХ РОЛЬ В РАЗВИТИИ

Название этой группы генов происходит от термина "гомеозис", который ввел в 1894 г. один из классиков генетики У.Бэтсон. Под гомеозисом он понимал превращение одной части тела в другую. Гомеозисные гены, следовательно, не представляют собой нечто самостоятельное, но являются частью специфической системы генов, контролирующих сегментацию тела насекомых, в частности дрозофилы и других организмов. Примером гомеозисных мутаций является превращение антенны в ногу или аристы в ногу.

ГЕННЫЕ КОМПЛЕКСЫ ANT-С И ВХ-С

Гомеозисные гены, которых у дрозофилы описано около полусотни, как уже отмечалось, контролируют качественные особенности сегментов и в свою очередь подразделяются на два комплекса: Antennapedia-Соmрlех (ANT-С) и Bithorax-Соmрlех (ВХ-С).

Гены, принадлежащие к АNТ-С, контролируют развитие головных сегментов, в том числе интеркалярного, максиллярного, мандибулярного, лабиального, а также грудных сегментов. При утрате функции гена Аntр область тела, включающая заднюю часть первого грудного сегмента Т1, весь второй грудной сегмент Т2 и переднюю часть ТЗ, приобретают свойства головных сегментов, что проявляется в образовании головных структур в грудной области. Можно сказать, что ген Аntр участвует в выборе программы развития сегмента в направлении головы или груди.

Гены комплекса BX-С ответственны за спецификацию грудных и брюшных сегментов. Мутации: bithoraxoid – 1-ый брюшной сегмент развивается как заднегрудь, в результате формируется 6 крыльев и 8 ног; bithorax-postbithorax – 4 крыла. Мутации обычно бывают вызваны мобильными элементами. Предполагается, что активация генов комплекса BX-С осуществляется последовательно – 2-ой торакальный сегмент является базисным, в каждом последующем активируется дополнительный ген, в последнем (8-ом) – все гены.

Характеристика экспрессии ГОМЕОЗИСНЫХ ГЕНОВ

Время первого появления транскриптов ВХ-С очень раннее — уже на 2—4-м часах после оплодотворения яйца, т.е. на стадии бластодермы, когда происходит процесс первичной детерминации тканевых закладок. Таким образом, гены морфогенеза функционируют как бы с опережением, задолго до осуществления контролируемых ими формообразовательных событий.

Можно предположить, что суть клеточной детерминации заключается в создании паттерна транскрипционно активных локусов, специфичного для данной ткани или клеточного типа. Однако определенного момента этот специфический рисунок функциональной организации генома не имеет выхода в специфику клеточного фенотипа, поскольку для активной продукции тканеспецифических веществ необходимо наличие сложного аппарата белкового синтеза. Следующий за клеточной детерминацией первый этап клеточной дифференцировки является, вероятно, процессом неспецифическим, направленным на формирование такого аппарата, и сопровождается высокой транскрипционной активностью house-keeping генов.

Как и предвидел Э.Льюис, гомеозисные гены функционируют повсеместно. При этом оказалось, что образуемый их транскриптами "тигровый" рисунок возникает очень рано, до четкого проявления признаков самой сегментации. Налицо, таким образом, еще один пример своеобразной химической преформации.

Экспрессия гомеозисных генов тканеспецифична. Так, ген Ubх транскрибируется в эктодерме и ее производных. В мышцах посегментная экспрессия менее выражена, в энтодермальных производных ее нет. При гибридизации на срезах ножные имагинальные диски в этом случае мечены, крыловые — нет. По всей вероятности, сегментоподобное распределение некоторых изоферментов в органах и тканях дрозофилы связано с функцией генов сегментации, в том числе и гомеозисных генов.

ГОМЕОБОКС И ГОМЕОДОМЕН

Особенно важным открытием было обнаружение в 3-х экзонах всех проклонированных гомеозисных генов (и большинства генов сегментации) высоконсервативной области ДНК из 180 пар оснований. Эту короткую последовательность В.Геринг назвал гомеобоксом. Соответствующая последовательность из 60 аминокислот в кодируемых этими генами белках, обогащенная аргинином и лизином, была обозначена термином гомеодомен. Гомеодомены являются составной частью белков-регуляторов транскрипции и принадлежат, следовательно, к числу активирующих транскрипцию факторов. Они характеризуются специфической структурой типа "спираль-поворот-спираль". Аминокислотные последовательности гомео-домена образуют три альфа-спирали, при этом первая и вторая расположены антипараллельно, а третья почти под прямым углом к ним. Вторая и третья спирали гомеодомена входят в состав НТН. Третья спираль, распознающая, взаимодействует с молекулой ДНК и располагается в ее большой бороздке. Аминокислотные остатки N-терминального конца гомеодомена "укладываются" в малой бороздке ДНК. Последняя спираль гомеодомена Аntennapediа представлена либо единой структурой, либо двумя, образующими слабый перегиб.

Гомеодомены могут быть включены в состав генов, как собранных в кластер, так и диспергированных по геному. В.Геринг разделил "кластерированные" гомеодомены дрозофилы на 6 классов, одним из которых является Аntеnnареdiа. Дисперсные гомеодомены подразделяют более чем на 16 классов. Показано, что гомеодомены имеют специфическое сродство к определенным участкам ДНК, которые очень часто характеризуются наличием последовательности ТААТ. Отмечено, что гомеодомены одного и того же типа могут взаимодействовать с разными сайтами связывания ДНК и, наоборот, разные гомеодомены могут взаимодействовать с одним и тем же сайтом связывания ДНК.

Гомеобокссодержащие гены (с повсеместным сохранением принципа колинеарности) были найдены практически у всех живых организмов (губок, гидры, пиявок, нематод и др.). Эти гены богато представлены и у млекопитающих. Гомеобокссодержащие гены, которые собраны у представителей этого класса животных в кластер, принято в настоящее время называть HOX-генами. Они особенно хорошо изучены у мыши и человека. В геноме млекопитающих обнаружено 38 НОХ-генов, собранных в 4 кластера. Кластеры занимают область примерно по 120 кб каждый и расположены в четырех разных хромосомах: у мыши — II, VI, XI, XV, у человека — II, VII, XII, XVII. Расположение генов в кластере в основном соответствует расположению гомологичных генов в хромосомах дрозофилы.

РОЛЬ ГОМЕОБОКССОДЕРЖАЩИХ ГЕНОВ В РАЗВИТИИ МЛЕКОПИТАЮЩИХ

Прежде всего было выявлено, что у позвоночных, как и у дрозофилы, выполняется принцип коллинеарности, т.е. корреляции между положением генов в комплексе НОX-С и расположением зон их экспрессии вдоль оси тела. Так, у млекопитающих активность генов вдоль переднезадней оси тела зародыша соответствует последовательности этих генов в кластере: передние границы экспрессии генов Ноха-1 и НохЬ-1, расположенных в самом начале кластера (в 3-положении), находятся в передней области головы зародыша. Ген Ноха-5, расположенный в средней части кластера, экспрессируется в грудной области зародыша, Ноb-7— в туловище, а гены Ноха-9, Ноха-10, Ноха-11, Нохс1-12, замыкающие кластер, экспрессируются в задних отделах зародыша.В целом, зона, расположенная на заднем дистальном крае почки конечности, характеризуется экспрессией пяти Hох-генов: Ноха-9 — Ноха-13, далее следует зона, где экспрессируются четыре Яох-гена: Нохс!-9 — Ноха-12, далее идут полосы экспрессии трех (Нохс1-9 — Ноха-11), двух (Ноха-9 — Ноха-10) и, наконец, одного — Hох-9-генов.

Как следует из рис., у млекопитающих в отличие от дрозофилы регионализация тех или иных структур обеспечивается скорее не специфической активностью отдельных гомеозисных генов, а перекрытием зон активности наборов этих генов, так что каждая обособленная область той или иной структуры обязана своим происхождением функционированию специфического, свойственного именно этой области набора гомеозисных генов.

ГОМЕОЗИСНЫЕ ГЕНЫ И МОРФОГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Внимание к гомеозисным генам велико еще и потому, что они имеют прямое отношение к регуляции морфогенетических процессов. Характерной особенностью развития этого объекта является самостоятельная реализация двух различных программ — личиночной и имагинальной. Популяции клеток, которые дают начало личиночным и имагинальным тканям, разделяются очень рано — еще на стадии бластодермы. Клетки, формирующие впоследствии взрослую, имагинальную ткань, выделяются в специфические структуры, так называемые имагинальные диски.

Оказалось, что морфогенез заключается в образовании компартментов. Клеточные клоны, потомки отдельных клеток-предшественниц, объединяются и образуют поликлон. Появляется целый ряд поликлонов, которые формируют морфогенетические зоны. Эти зоны отделены друг от друга четкими границами и обозначаются термином компартмент. Ф.Крик и П.Лоуренс предположили, что гомеозисные гены как раз и ответственны за образование компартментов и являются своеобразными генами-селекторами, поскольку именно они "выбирают" путь развития клетки. Этот путь определяется бинарными решениями — к примеру, стать ли клетке передней или задней, дорсальной или вентральной, грудной или крыловой. Для образования 8 компартментов необходима активность трех селекторных генов, последовательно принимающих бинарные решения:

Все данные о гомеозисных генах, наводят на мысль, что существуют специфические регуляторные гены, которые при их активации "запускают" целый каскад структурных генов, обеспечивающих в конечном итоге дифференцировку различных тканевых и органных структур.

ГЕНЫ, КОНТРОЛИРУЮЩИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ГОМЕОЗИСНЫХ ГЕНОВ

Обнаружены две группы генов, контролирующих активность гомеозисных генов: Роlусоmb (РС) и группа trithorax (trx). РС репрессируют гомейозисные гены (нарушают их способность связываться с хроматином) или создают гетерохроматиновые структуры. Trx – активируют транскрипцию – формируют взаимодействующие с хроматином комплексы и модифицируют структуру хроматина. Гомейозисные гены содержат регуляторные элементы Pre (polycomb responsible elements), которые держат энхансеры в неактивном состоянии. У генов РС и trx идет конкуренция за один и тот же участок связывания.

Итак, дифференциальная транскрипция обеспечивается взаимодействием продуктов многих регуляторных генов, контролирующих в конечном итоге функциональное состояние соответствующих участков ДНК. Было выдвинуто также предположение о существовании как бы "суперрегуляторных" генов, способных запускать последовательные каскады генов, реализующих в конце концов программу специфической клеточной дифференцировки. Для таких генов выдающийся шведский цитолог Я.Э.Эдстрем еще в начале 60-х годов XX в. предложил термин "Master Genes" ("гены-господа"), а для контролируемых ими структурных генов соответственно — "Slaves Genes " ("гены-рабы").

Из опытов В.Геринга можно сделать ряд заключений.

1. Действительно существуют "гены-господа" и "гены-рабы".

2. Сложнейшая морфогенетическая реакция, завершающаяся формированием целого органа, может быть запущена одним, "главным" геном, который, следовательно, является ответственным за процессы морфогенеза, разрешая или запрещая (в случае мутации) целый сложный комплекс формообразовательных событий (Pax 6 – запускает развитие глаза у дрозофилы, позвоночных).

3. Морфогенетические процессы основываются на молекулярно-генетических событиях, специфика формы обусловливается спецификой последовательных ткане- и органоспецифических синтезов, разрешенных активацией "главного" гена.

4.Соответствующие молекулярно-морфогенетические системы являются высококонсервативными и обеспечиваются в высшей степени гомологичными молекулярно0-генетическими системами у самых разнообразных таксономических единиц.

5. Следует, очевидно, расстаться с широко распространенной идеей неких специфически биологических полей, берущей начало с Аристотеля и утверждающей, будто формообразовательные процессы детерминируются особыми факторами наподобие электромагнитных полей, лежащих вне развивающейся системы. Допускалось, таким образом, наличие двух независимых "сил", регулирующих процессы индивидуального развития — генетических, которые контролируют молекулярные процессы, и "механических" (биополе), которые контролируют становление формы организма.

В действительности оправдывается предсказание Т.Моргана, что развитие формы напрямую связано с функцией генов и со специфичностью их продуктов, из взаимодействия которых и складывается путь от специфики молекул к специфике формы. Следовательно, формообразовательные события зависят от внутренних процессов, а не от таинственных внешних сил. И совершенно очевидно, что ключевая роль в этих процессах принадлежит гомеозисным генам.

В то же время следует отметить, что феномен, обозначаемый как морфогенетическое поле, реально существует, но под таким полем следовало бы понимать равнодействующую межклеточных взаимодействий, которая имманентна самой развивающейся системе и так или иначе направляет формообразовательные перемещения клеточного материала. Вместе с тем специфика таких перемещений связана с особенностями адгезионных поверхностных клеточных белков, детерминирующих клеточное сродство (или, напротив, антагонизм), и в конечном итоге определяется активностью соответствующих генов.

Эволюция на основе гомеозисных генов (гипотеза)

В конце 30-х гг. Рихард Гольдшмидт и Конрад Уоддингтон предположили, что гомеозисные гены являются тем звеном, которое связывает развитие, генетику и эволюцию. Уоддингтон подчеркивал, что гомеозисные гены представляют собой эмбриональные переключатели, способные регулировать направление дифференцировки. Гольдшмидт рассматривал гомеозисные гены как гены, вызывающие одновременно крупные изменения в развитии зародыша и, таким образом, играющие важную роль в эволюционном процессе. Внимание, которое уделяли гомеозисным генам Гольдшмидт и Уоддингтон, предвосхитило успехи науки наших дней. Используя делеционных мутантов дрозофилы, можно в общих чертах воспроизвести эволюционное становление этого вида. Полагают, что дрозофила как представитель отряда двукрылых происходит от насекомых с четырьмя крыльями (Д). Этот эволюционный шаг может быть генетически смоделирован делецией гена Ubх. Исследователи считают, что крылатые насекомые происходят от первичнобескрылых насекомых (В). Это можно представить как результат делеции гена Antennapedia, которая трансформирует все грудные сегменты в первый грудной сегмент, не имеющий крыльев. Бескрылые насекомые произошли от членистоногих, подобных многоножкам. Это имитирует делеция всего Bitorах-комплекса и соответствующая ей трансформация всех брюшных сегментов в грудные. И наконец, делеция обоих наборов гомеозисных генов (Antи Btx-комплексов) приводит к состоянию примитивных членистоногих – онихофор (Б). Однако они предостерегают от буквальной интерпретации подобной аналогии, поскольку полная делеция даже одного комплекса Antp приводит к появлению не многоножки, а летального мутанта.