ГЕНЕТИКА - Підручник - А.В. Сиволоб - 2008

РОЗДІЛ 6. Генетика багатоклітинних еукаріотів

ГЕНЕТИКА ІНДИВІДУАЛЬНОГО РОЗВИТКУ

Генетичний контроль розвитку Drosophila

Для комах роду Drosophila характерний життєвий цикл із повним перетворенням: утворення дорослої особини (імаго) із заплідненого яйця здійснюється через проходження декількох личинкових стадій, які розділені періодами линьки. Упродовж стадії яйця та трьох личинкових стадій визначаються осі майбутнього зародку, закладаються й розвиваються основні сегменти трьох частини тіла імаго - голови, грудей і черевця. Таким чином, ембріональний розвиток Drosophila можна умовно поділити на три етапи: 1 - визначення передньо-задньої та дорсовентральної осей зародку, 2 - детермінація кількості сегментів тіла та їхньої орієнтації (полярності) і 3 - специфікація сегментів, тобто набуття ними індивідуальних характеристик, притаманних лише даному сегменту. Усі етапи розвитку перебувають під жорстким контролем певного набору генів.

Особливістю розвитку Drosophila є утворення на перших етапах дроблення зиготи синцитію: при послідовних мітотичних поділах розділення цитоплазми проходить не повністю й новоутворені ядра мають спільну цитоплазму. Це сприяє вільному руху цитоплазматичних детермінант і є важливим у визначенні осей зародку. Пізніше відбувається міграція ядер до периферії, добудовуються клітинні мембрани та створюється шар приблизно із 6 тис. клітин на зовнішній поверхні ембріона.

Визначення осей зародку контролюється набором генів, які дістали назву гени полярності яйця. Продукти цих генів (мРНК і відповідні білки), створюють градієнти концентрацій від одного полюса яйця до іншого, забезпечуючи таким чином спрямовану детермінацію осей зародку - дорсовентральної та передньо-задньої. Нерівномірний розподіл цих цитоплазматичних детермінант (їх іще називають морфогенами) підтримується за допомогою різних механізмів. По-перше, певні молекули РНК мають сигнали локалізації - елементи послідовності нуклеотидів, які, утворюючи певну просторову структуру, зумовлюють спрямований транспорт РНК у необхідне місце цитоплазми яйцеклітини та утримання там. По-друге, активність трансляції таких РНК є різною в різних частинах яйцеклітини, що також спричинює відмінності в концентраціях морфогенів. Як уже відмічалося, наявність цитоплазматичних детермінант та розподіл їх у яйці залежить лише від активності генів яйцеклітини. Отже, перший етап розвитку Drosophila залежить лише від материнських генів.

Серед генів, які контролюють дорсовентральну полярність яйця, найважливішим є dorsal. Білковий продукт цього гена є транскрипційним фактором, що регулює активність декількох інших генів. Різниця в ядерних концентраціях білка Dorsal із максимумом у вентральній частині яйця і мінімумом у дорсальній (цитоплазматична концентрація при цьому змінюється в протилежному напрямку) приводить до специфічної активації генів, які зумовлять розвиток відповідних дорсальних і вентральних структур.

Серед генів, які контролюють передньо-задню полярність яйця виділяють два найголовніших - bicoid і nanos. мРНК bicoid синтезується під час дозрівання яйцеклітини та після запліднення транспортується до передньої частини зиготи. Транспорт мРНК bicoid у заданому напрямку забезпечується наявністю в її З'-нетрансльованій ділянці специфічного локалізаційного елемента послідовності, що розпізнається

білковими факторами. Експресія мРНК bicoid у передній частині заплідненого яйця створює градієнт концентрації білка Bicoid, яка зменшується в передньо-задньому напрямку. Білок Bicoid, як і Dorsal, є транскрипційним фактором і забезпечує експресію генів, необхідних для розвитку головного та грудного відділів. мРНК nanos, аналогічно до мРНК bicoid, синтезується під час дозрівання яйцеклітини. У процесі розвитку зиготи створюється градієнт концентрації білка Nanos (РНК-зв'язувальний білок), протилежний до такого білка Bicoid: з максимумом у задній частині зародку та мінімумом у передній (рис. 6.17).

Рис. 6.17. Локалізація білків Bicoid і Nanos та основні осі зародку Drosophila

За участю також інших генів два описані градієнти мають визначальний вплив на детермінацію утворення основних структур черевця.

Детермінація кількості сегментів тіла та їхньої полярності. Після визначення основних осей зародку, активуються гени сегментації. Їхня активність спостерігається після запліднення яйцеклітини, тому вони не є генами з материнським ефектом. Відомо близько 30 генів сегментації, які становлять три групи:

✵ gap-гени визначають утворення великих ембріональних структур, які майже збігаються з трьома частинами тіла дорослих особин. Мутації цих генів можуть привести до повної відсутності всіх грудних сегментів, декількох черевних тощо (рис. 6.18, а).

✵ pair-rule-гени детермінують утворення структур, з яких розвиваються окремі сегменти тіла. Мутанти за цими генами можуть бути позбавлені або всіх парних, або непарних сегментів (рис. 6.18, б).

✵ segment-polarity-гени відповідають за організацію та взаємну орієнтацію певних структур у межах одного сегменту. Мутанти за цими генами можуть бути позбавлені деяких сегментних структур або дзеркально дублювати однакові структури в межах певного сегмента (рис. 6.18, в).

Рис. 6.18. Приклади мутацій gap-генів (а, мутація Kruppel - елімінація грудних і перших п'яти черевних сегментів), pair-rule-генів (б, мутація even-skipped - елімінація непарних грудних і парних черевних сегментів) і segment-polarity-генів (в, мутація gooseberry - дзеркальне відтворення передніх частин сегментів у їхній задній частині) у дрозофіли. Г - грудні, Ч - черевні сегменти.

Експресію gap-генів контролюють білки Bicoid і Nanos. Найважливішим gap-геном є hunchback, необхідний для детермінації розвитку головного та грудного відділу. Активація його транскрипції перебуває під контролем білка Bicoid, а блокування трансляції - під контролем білка Nanos. Це означає, що в місці локалізації Bicoid утворюються структури, характерні для головного та грудного відділів, а в місці локалізації Nanos їхнє утворення блокується - розвивається черевний відділ. У свою чергу, gap-гени є регуляторами активності pair-rule- генів, які контролюють роботу segment-polarity-генів. Таким чином, у ході розвитку дрозофіли спостерігається чітка ієрархічна регуляція активності генів, на кожному щаблі якої визначаються все менші за розміром елементи тіла дорослої особини (рис. 6.19).

Рис. 6.19. Каскад генних взаємодій у визначенні полярності та специфіки розвитку сегментів Drosophila.

Визначення індивідуальних характеристик окремих сегментів.

Після того як гени сегментації визначили кількість сегментів та їхню полярність, активуються гени, що детермінують індивідуальні характеристики й подальші шляхи розвитку кожного сегмента - гомеозисні гени (рис. 6.19). Контроль експресії гомеозисних генів здійснюється білками генів сегментації. Продуктами гомеозисних генів є різноманітні регуляторні білки, здатні взаємодіяти з ДНК і регулювати роботу генів, які будуть визначати утворення відповідних морфологічних структур (антен, ніг, очей, крил тощо) із клітин кожного окремого сегмента. Мутації гомеозисних генів викликають порушення в розвитку

окремих сегментів: наприклад, спостерігається утворення ніг замість антен із головного сегмента дрозофіли. Отже, активність гомеозисних генів, що залежить від оточення клітини й сегмента, в якому вона міститься, визначає остаточну диференціацію.

У Drosophila гомеозисні (або селекторні) гени утворюють два кластери (Antennapedia-комплекс і bithorax-комплекс) у третій хромосомі й разом формують гомеозисний комплекс (НОМ-С). Комплекс Antennapedia містить п'ять генів, які відповідають за диференціацію клітин головного та переднього грудного сегмента. Комплекс bithorax має три гени, які визначають остаточний розвиток задніх грудних та черевних сегментів. Кожен із гомеозисних генів містить консервативну послідовність із 180 пар основ (гомеобокс) - у білковому продукті гена гомеобоксу відповідає ДНК-зв'язувальний домен (гомеодомен), що складається із 60 амінокислотних залишків.

Hox-гени (від homeobox containing genes) знайдені в усіх досліджених видах рослин і тварин, що свідчить про універсальність систем регуляції диференціації клітин еукаріотичних організмів. У ссавців та інших хребетних Hox-гени також формують кластер із 9-11 генів, продукти яких - транскрипційні фактори - детермінують розвиток певних районів зародку вздовж передньо-задньої осі.