Установление специфичности сегмента: гомеозисные гены

Как только происходит установление границы сегмента, начинают формироваться его специфические черты. Этот процесс контролируют гомеозисные селекторные гены. Если отличительным свойством мутаций генов сегментации является утрата отдельных частей тела, то мутации гомеозисных генов проявляют причудливый фенотип: они трансформируют один сегмент в другой. Как описано в гл. 9. доминантная мутация Antennapedia (Antp) приводит к появлению мезоторакальных ног на месте структур антенны. Каким-то образом головные сегменты у мутантов Antp приобретают сходство со вторым грудным сегментом. Более того, у личинок с делецией гена Antp отсутствуют структуры второго грудного (мезоторакального) сегмента. Полагают, что гомеозисные гены дикого типа контролируют развитие определенных популяций клеток.

В третьей хромосоме дрозофилы выявлены две области, содержащие кластеры гомеозисных генов (рис. 18.25). В одной из них локализован комплекс Antennapedia, включающий следующие гомеозисные

Гилберт с. Биология развития: в 3-х т. Т. 3: Пер. С англ. – м.: Мир, 1995. – 352с.

148 ГЛАВА 18

Рис. 18.25. Функциональные домены генов bithorax и Antennapedia-комплексов у дрозофилы. Bithorax-комплекс (ВХ-К) (верхний ряд) состоит из трех .летальных комплементарных групп (выявленных Sanchez-Herrero с коллегами), внутри которых Льюис идентифицировал несколько гомеозисных генов. В комплекс Antennapedia (ANT-K) (нижний ряд) входят гены Deformed (Dfd), Sex comb reduced (Scr) и Antennapedia (Antp). (По Harding et al., 1985.)

гены: Antennapedia (Antp), Sex comb reduced (Scr) и Deformed (Dfd). Гены этой области контролируют развитие структур головы, первого грудного сегмента и переднего компартмента второго грудного сегмента (Wakimoto et al., 1984). Во второй области локализован bithorax-комплекс, гены которого детерминируют развитие остальных грудных и всех брюшных сегментов (Lewis, 1978). Этот комплекс включает три гена, кодирующих белки: Ultrabithorax(Ubx), Abdominal A (abd А) и Abdominal В (abd В). Выделить гомеозисные гены первоначально удалось с помощью генетических методов, в частности комплементационного гибридологического анализа, основанного на появлении фенотипов дикого типа при скрещивании особей, мутантных по генам разных локусов, и мутантных фенотипов – при скрещивании особей, мутантных по аллельным генам (Sanches-Неггего et al., 1985). Оказалось, что летальный фенотип компаунда трех мутаций Ubx, abd А и abd В идентичен мутантам с делецией всего комплекса bithorax (Casanova et al., 1987). Это подтверждает данные о том, что рассматриваемый комплекс имеет только три транскрипционные единицы.

Все шесть описанных гомеозисных генов удалось клонировать и с помощью метода гибридизации in situ установить характер их экспрессии (Harding et al., 1985). Транскрипты каждого локуса обнаружены в разных частях зародыша (результаты этих экспериментов представлены на рис. 18.25). У гомеозисных мутантов нормальная транскрипция нарушена. Ген Antennapedia дикого типа, например, нормально экспрессируется в торакальных сегментах, проявляя наибольшую активность в мезоторакальном сегменте. Предполагают, что активность гена Antp подавляет развитие головных структур в грудных сегментах. У доминантного мутанта по гену Antennapedia транскрипты гена Antp обнаружены не только в груди, но и в голове, что приводит к развитию торакальных структур на месте антенны (рис 18.39) (Frischer et al., 1986; Schneuwly et al., 1987).

Все три гена комплекса bithorax необходимы для нормального онтогенеза дрозофилы, однако их экспрессия во многих сегментах позволяет усомниться в том, что именно они являются генами-селекторами. Многочисленные исследования экспрессии генов гомеозисных комплексов позволили высказать по этому поводу ряд предположений. Одно из них сделано Льюисом (Lewis, 1978, 1985), который обратил внимание на то, что все девять сегментов (один грудной и восемь брюшных) у мутантов с полностью делетированным комплексом bithorax развиваются по типу второго торакального сегмента (рис. 18.26). Исходя из этого, Льюис предположил, что именно второй грудной сегмент (несущий и крылья, и ноги) представляет собой ту эволюционную единицу, от которой произошли все остальные сегменты, расположенные в каудальном от него направлении.

Льюис постулировал, что формирование каждого последующего сегмента, начиная со второго торакального, контролирует по крайней мере на один ген bithorax-комплекса больше, чем предыдущего. Например, развитие третьего торакального сегмента обеспечивает активность генов основного (мезоторакального) уровня плюс активность специфического гена(генов) третьего грудного сегмента (рис. 18.27). Мутации генов этой последней группы превращают третий грудной сегмент в сегмент, подобный второму грудному сегменту. Развитие первого абдоминального сегмента обеспечивает суммарная активность генов второго и третьего грудных сегментов вкупе с активностью специфического гена данного абдоминального сегмента. Мутация этого специфического гена приводит к развитию на его месте структур третьего грудного сегмента. Активация различных батарей генов в различных сегментах может быть объяснена градиентом гипотетического репрессора, ингибирующего экспрессию всех этих генов. Наибольшая концентрация репрессора должна быть в передних сегментах, где включено наименьшее число генов, а наименьшая кон-