Модель действия гена в спецификации сегментации

Модель действия гена в спецификации сегментации

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.