2. Формирование градиентов в яйцеклетке

Как гены контролируют формирование градиентов, а следо­вательно, и план строения будущего организма в ходе оогенеза? Естественно, что наиболее удобным объектом исследования этого контроля является знаменитая плодовая мушка дрозофи­ла в силу ее хорошей генетической изученности.

Яйцеклетка дрозофилы развивается из общей с трофоцитами клетки-предшественника. Эти клетки-предшественники выделяются очень рано, после того как ядра будущих половых клеток попадают в ту об­ласть полярной плазмы, в образовании которой важную роль играет ген oscar.

Каждая такая клетка претерпевает 4 деления, так что возни­кает 16 клеток, одна из которых будет половой. Остальные клет­ки становятся питающими (трофоцитами) и соединены с яйцеклеткой цитоплазматическими мостиками, по которым в нее поступают различные вещества, принимающие участие в формировании градиентов. ДНК хромосом трофических клеток претерпевают многократное деление (так называемая политенизация), что существенно активизирует их функционирова­ние в процессе обслуживания яйцеклетки.

Из материнской ткани образуется также около 1000 мелких фолликулярных клеток, окружающих будущий ооцит с трофическими клетками.

Будущий передний конец эмбриона располагается в области яйцеклетки, прилежащей к трофоцитам, а более выпуклая по­верхность яйца становится брюшной частью эмбриона.

Далее начинается активное функционирование материн­ских генов в питающих клетках. Можно выделить три системы генов, особенно важных для формирования градиентов. Первая система генов обеспечивает формирование анимально-вегетативного (головно-хвостового) градиента (рис. 2). Вторая — дорзо-вентрального (спино-брюшного) градиента. Третья — синтез продуктов, необходи­мых для формирования специфических головных и хвостовых структур.

Наиболее изучена первая система генов. Среди них главным является ген bicoid, содержащий так называемый гомеобокс, специфическую, консервативную последовательность ДНК из 180 нуклеотидных пар. В случае его мутации наруша­ется развитие головного конца дрозофилы. У эмбрионов — носителей мутации по этому гену — задняя часть развивается нормально, но нарушено развитие передних брюшных сегментов, а вместо головы и груди развиваются структуры, свойственные заднему концу.

Рисунок 2 - Схема взаимодействия генов, отвечающих за формирование передне-заднего градиента яйца [1]

Если методами молекулярной генетики исследовать локали­зацию соответствующей матричной РНК, то можно проследить ее транспорт из питающих клеток в передний полюс развиваю­щегося ооцита. В результате формируется четко выраженный анимально-вегетативный градиент распределения продукта этого гена. Белки, управляющие программой развития зародыша, принято называть морфогенами.

С другой стороны, питающие клетки, окружающие задний полюс яйцеклетки, «поставляют» в нее РНК, синтезированную геном nanos. У мутантов nanos нарушается развитие заднего конца зародыша. Если nanos РНК инъецировать в передний ко­нец эмбриона, она может индуцировать формирование в голов­ном конце различных структур, свойственных заднему полюсу. Белок nanos синтезируется в области заднего полюса и затем транспортируется в область брюшных сегментов.

В формировании плана строения организма на самых ран­них этапах созревания яйцеклетки принимает участие еще один очень важный ген, который активно функционирует не только в материнском, но и в зиготическом геноме (т. е. в геноме самой оплодотворенной яйцеклетки). Это ген hunchback. Он активи­руется белком bicoid, а потому его продукт накапливается, как и bicoid, в передней половине зародыша и подавляет гены, актив­ные в брюшных сегментах, так что в зоне его распределения формируются головные и грудные структуры.

В норме белок nanos тормозит синтез белка материнской РНК hunchback. Именно это и является основной его функци­ей. Если имеют место мутации, нарушающие функционирова­ние как nanos, так и hunchback, то развивается нормальный организм.

Отсюда следует, что продукт гена hunchback «мешает» разви­тию хвостового конца, а блокирующий эффект со стороны гена nanos как бы устраняет чинимые им помехи (рисунок 3).

Рисунок 3 - Схема регуляции развития зародыша дрозофилы с участием генов hunchback и nanos [1]

A. Вот что происходит в норме. В отложенном яйце матричная РНК hunchback распределена равномерно по всему объему. Однако белок hunchback (как запасенный до оплодотворения, так и синтезированный в яйце после оплодотворения) в заднем полюсе отсутствует, поскольку функция его матричной РНК блокирована белковым продуктом гена nanos, накапливающимся в хвостовом отделе. Hunchback не дает развиваться хвостовым структурам в пе­реднем отделе эмбриона, а в задних отделах ген nanos блокиру­ет его синтез, и хвостовые структуры развиваются, как и положено в норме.

Б. А вот что случается, если ген nanos мутировал и потерял способность «работать». Поскольку его продукт отсутствует, продукт гена hunchback распространяется по всему яйцу и ме­шает формированию хвостовых структур. Развитие нарушается, и на стадии личинки муха погибает.

B. Однако, если наряду с отсутствием продукта гена nanos в отложенной яйцеклетке в результате соответствующей мутации подавлен синтез продукта гена hunchback, ничто не мешает формированию хвостовых структур.

Головные структуры также формируются, поскольку в опло­дотворенной яйцеклетке продукт гена hunchback накапливает­ся только в передней (головной) области эмбриона. Налицо, таким образом, все условия для нормального развития.

Г. Если с помощью специальных методов заставить ген hunchback работать с повышенной активностью, то белка nanos не хватит для того, чтобы целиком блокировать синтез его бел­кового продукта, даже если ген nanos нормален. Тогда белок hunchback накапливается в достаточно большом количестве, чтобы помешать формированию хвостовых структур.

Вторая и третья системы генов контролируют формирова­ние спино-брюшного градиента и работают по тому же самому принципу, как и первая, только участвуют в этой «работе» дру­гие гены.

Итак, неоднородность цитоплазмы созревающей яйцеклет­ки и формирование полярных градиентов, химически преформирующих план строения будущего организма, реализуется на основе взаимодействия трех систем генов и при участии питаю­щих клеток материнского организма, окружающих ооцит.