Тема № 8. Генетика индивидуального развития

Краткое содержание:

1. Ооплазматическая сегрегация и полярная плазма

2. Формирование градиентов в яйцеклетке

3. Гены сегментации

4. Гомеозисные гены, их роль в развитии

5. Гипотеза Э. Льюиса о механизме функционирования гомеозисных генов 6. Гомеобокс и гомеодомен. Принцип коллинеарности

7. Гены — господа и гены — рабы. Опыты Вальтера Геринга

Одна из ключевых проблем современной биологии — проб­лема индивидуального развития. Этой проблемой занимается особый раздел генетики - генетика развития, которая оформилась на стыке, по крайней мере, трех научных дисциплин — генетики, эмб­риологии и молекулярной биологии. Именно комбинация этих методических подходов позволяет проследить путь от гена к формированию зародыша и, в конце концов, - к признаку у взрослого организма.

Совсем недавно были открыты новые гены и генные каскады, знание которых преобразило наши представления о законах индивидуального развития.

1. Ооплазматическая сегрегация и полярная плазма

Какой момент можно считать началом индивидуального развития? Первое деление дробления? Оплодотворение яйце­клетки? Томас Морган справедливо заметил, что за точку отсчета над­лежит принимать еще более ранний период времени, а именно — созревание яйцеклетки. Он писал, что неправильно считать ее недифференцированной системой, что на самом деле она яв­ляется самой высокоспециализированной клеткой в организме, поскольку именно в ходе ее созревания закладывается план бу­дущего строения организма.

Этот тезис Моргана ставит этические проблемы при работе с бластоцистами (самыми ранними эмбрионами) человека с це­лью получения из них «запчастей» для трансплантации. Согла­сно этому тезису, живая бластоциста является полноценным зародышем человека, и экспериментальные манипуляции с ней означают убийство.

И действительно, развитие яйцеклетки, по сути дела, пред­ставляет собой последовательное формирование неоднородно­сти ее цитоплазмы, в результате чего осуществляется так называемая ооплазматическая сегрегация. В этот период функ­ционируют почти все гены, так что в яйцеклетке содержится набор самых разнообразных матричных РНК (мРНК), ответственных за синтез белков, многие из которых станут нужными лишь на поздних стадиях развития. Ядро развивающейся оплодотворен­ной яйцеклетки функционирует, следовательно, как бы с опе­режением, работая не только на настоящее, но и на будущее.

В ходе ооплазматической сегрегации формируются те особенности отдельных участков цитоплазмы, которые как бы намечают, «преформируют» на химическом уровне план строения будуще­го организма. В основу формирования этого плана лежит обра­зование так называемых полярных градиентов распределения биологически активных веществ.

Полярный градиент — это неравномерное распределение ве­щества вдоль оси зародыша с постепенным падением его кон­центрации от одного полюса к другому.

В яйцеклетке имеется несколько таких градиентов, в частности, передне-задний (анимально-вегетативный) градиент, который проявляется в постепенном падении концентрации РНК и белков, уменьше­нию активности синтеза РНК и белков в направлении от анимального (головного) к вегетативному (хвостовому) полюсу. В вегетативной области яйца, напротив, сосредоточены инерт­ные запасные питательные вещества.

Иными словами, яйцеклетка — отнюдь не гомогенное обра­зование, но гетерогенная, химически преформированная (предобразованная), высокоспециализированная система. Значение этой преформации может быть выявлено экспериментально. На­пример, бельгийский цитолог и эмбриолог Жан Браше с помо­щью использования разных режимов центрифугирования нарушал градиентное распределение вещества цитоплазмы дву­мя способами: 1) разрушал систему градиентов, вызывая равномерное рас­пределение РНК, белков и других веществ по цитоплазме; и 2) расчленял единый передне-задний градиент на два само­стоятельных градиента.

Эти нарушения по-разному сказывались на судьбе развива­ющегося зародыша. В первом случае развитие останавливалось на самых ранних стадиях, и зародыш погибал. Во втором случае возникал двухголовый зародыш.

В чем же дело? По-видимому, в том, что неравномерное рас­пределение РНК ведет к специфическому синтезу соответствующих белков в разных частях развивающегося зародыша. Уже на ранних стадиях его развития, в ходе дробления бластомеры (клетки, образующиеся при дроблении) приобретают опреде­ленные свойства, отличающие их друг от друга как в физиоло­гическом, так и в молекулярном отношении.

У некоторых организмов, например у асцидий, неоднород­ность цитоплазмы яйцеклетки можно заметить по разнице в ок­раске разных ее частей. Достаточно рано проявляется у них и неоднородность в распределении некоторых белков.

Иногда специфически выделяется та или иная часть цито­плазмы, как например, полярная плазма яиц не­которых насекомых, включая дрозофилу, формирующаяся на заднем полюсе яйца, богатая РНК и характеризующаяся четко выраженной зернистой структурой. Клеточные ядра, которые попадают в эту цитоплазму, дают начало половым клеткам.

Если область полярной плазмы облучить ультрафиолетом, то развившиеся из таких локально облученных яиц зародыши будут стерильны, поскольку оказываются лишенными половых клеток. Микроинъекции полярной плазмы в различные участ­ки развивающегося раннего зародыша вызывают образование половых клеток в необычном месте.

Возникает вопрос, чем вызвана ооплазматическая сегрегация, от каких факторов зависит форми­рование градиентов? Это связано с особым положением ооцита (оплодо­творенных яйцеклеток) в материнском организме. Дело в том, что, начиная с самых ранних стадий формирова­ния яйцеклетки, ее полюса находятся в неравном положении относительно окружающих их трофических (питающих) кле­ток. Всегда один из полюсов ооцита окружен большим количе­ством питающих клеток, снабжающих его через специальные канальцы различными веществами — РНК, белками, а у неко­торых жуков даже и митохондриями (рис. 1).

1 2 3 4

Рисунок 1 - «Миграция» клеточных органов — митохондрий из пита­ющих клеток

в яйцеклетку: 1 — питающие клетки, 2 — ядро, 3 — митохондрии, 4 — ооцит [1]

Таким образом, поставленный в более благоприятное поло­жение относительно питающих клеток полюс ооцита, стано­вится впоследствии, анимальным (головным). Ясно, что формирование анимально-вегетативного градиента зависит от влияния материнского организма.