5. Гипотеза э. Льюиса о механизме функционирования гомеозисных генов

Первооткрыватель гомеозисных генов дрозофилы Эдвард Льюис (США) сразу оценил их ключевое значение, как в индивидуальном, так и в историческом развитии и выдвинул предположение о механизме их функционирования.

«Нормальные» (немутировавшие) гомеозисные гены проду­цируют вещества, дающие морфогенетический эффект (мор­фогенез — формообразование), тогда как мутанты не способны синтезировать их. Например, продукт нормального гена bxd по­давляет потенциальное развитие 1-го брюшного сегмента по типу заднегруди, а продукт мутанта не способен это сделать.

Естественно, утрата способности синтезировать вещества, которые блокируют потенциальное формообразование в опре­деленном направлении, ведет к осуществлению подавленных формообразовательных тенденций в другом направлении.

Предположение Льюиса несет определенный эволюцион­ный смысл. Действительно, мутация bxd, которая приводит к неспособности синтезировать белок BXD, может быть аналогична тем, что обусловили в историческом прошлом превращение многоножек в предков современных шестиногих насекомых, т. е. у предков на брюшных сегментах формировались грудные структуры (ноги, крылья), но мутация типа bxd — bxct подавила эту способность.

Следовательно, зачатки, формирующие сегменты, первона­чально обладали широким потенциалом развития, который был сужен последовательным рядом мутаций. Этот способ исторического развития является хорошим примером единства индивидуального и исторического развития. В некоторых случаях гомеозиса (превращения одной части тела в другую) примерно ясна адаптационная и эволюционная значимость преобразований.

Таким образом, смысл гомеозисных мутаций — изменение плана индивидуального развития с возможным филогенетическим выходом.

По результатам молекулярно-генетических исследований ком­плекса ВХ-С были установлены следующие особенности строения и функционирования гомеозисных генов:

1. Подавляющее большинство мутаций ВХ-С связано со вставками или вырезанием мобильных генетических элемен­тов.

2. При анализе участка ДНК, содержащего Ubx, было выяв­лено его экзон—интронное строение, т. е. чередование кодиру­ющих и некодирующих участков в ДНК.

3. Время первого появления транскриптов ВХ-С очень раннее — уже на 2—4-м часах после оплодотворения яйца. Таким образом, гены мор­фогенеза («заведующие» формообразованием) функциониру­ют как бы с опережением, задолго до осуществления контролируемых ими формообразовательных событий.

4. Как и предвидел Эдвард Льюис, гомеозисные гены функцио­нируют повсеместно. При этом оказалось, что образуемый их транскриптами «тигровый» рисунок возникает очень рано, до того как четко проявятся признаки самой сегментации. Нали­цо, таким образом, еще один пример своеобразной химичес­кой преформации (предобразования).

6. Гомеобокс и гомеодомен. Принцип коллинеарности

Особо важным открытием было обнаружение в генах, конт­ролирующих сегментацию и превращение, высококонсерва­тивной области ДНК из 180 пар оснований. Эту короткую последовательность Вальтер Геринг назвал гомеобоксом. Соот­ветствующая последовательность из 60 аминокислот в кодируе­мых этими генами белках была обозначена термином гомеодомен. Гомеодомены являются составной частью белков — регуляторов транскрипции, принадле­жат к числу активирующих транскрипцию фак­торов и характеризуются специфической структурой типа «спираль-поворот-спираль» (рис. 8).

Рисунок 8. Схема строения гена, мРНК и белкового продукта гена Antennapedia: а-ген Antennapedia, б-экзоны (1-8), транскрипты которых образуют мРНК (5-8 – транслируемая область мРНК) в- белок Antennapedia, область гомеодомена, г-структура гомеодомена [1]

Гены, содержащие гомеобокс, были найдены практически у всех живых организмов (губок, пиявок, нематод и др.), они богато представлены и у млекопитающих. Гены, содержащие гомеобокс, которые собраны у представителей этого класса животных в кластер, принято в настоящее время называть НОХ-генами. Они особенно хорошо изучены у мыши и человека. В геноме млекопитающих обнаружено 38 НОХ -генов, собранных в 4 блока. Расположение генов в кластере в основном соответствует расположению гомологичных генов в хромосомах дрозофилы.

Для выяснения функции НОХ-генов в эмбриогенезе млекопитающих использовали метод нокаутирования. С его помощью «вы­ключают» ген, функции которого планируется изучать. Ещё один подход – изучение фнкционирования данного гена в необычном месте. В этом случае изучаемый ген вводят в геном другого животного под промотором (фрагмент ДНК, с которого начинается синтез РНК), который активируется в клетках, где данный ген в норме не функционирует. Необыч­ный промотор заставляет его работать в необычном месте. Что же дало использование этих двух методов для понимания функ­ций гомеозисных генов?

Прежде всего, было выявлено, что у позвоночных, как и у дрозофилы, выполняется принцип коллинеарности, т. е. корре­ляции между положением генов в кластере и расположением зон их экспрессии (активности) вдоль оси тела. И, во-вторых, было установлено, что гены развития подразделяются на два типа: гены – господа и гены – рабы.