Подготовка у универсиаде 2012 / Генетика (Жимулев) / 15ver7

Генетика развития

Глава 15

Глава 15. Генетика развития

Рисунок 15.1

15.1. Преформизм

и эпигенетика

Вопрос о том, как из оплодотворенного

яйцавырастаетцелыйорганизмикаквозникают

различиямеждусоставляющимиегоклетками,

интересует людей почти 2000 лет, но, тем не

менее,досихпоростаетсяоднойизосновных

проблем биологии и генетики развития в

частности.

 õîäå

развития формируются

многочисленныеорганыиткани,совершенноне

похожиедругнадруга.Ониорганизованыдля

выполненияопределенныхфункцийикаждая

тканьпоразительноотличаетсяотостальных.

Необходимо решить две проблемы: каким

образом ткани дифференцируются и каким

Миниатюрный человечек, формирующийся

образом дифференцированное состояние,

по мнению ранних биологов в сперматозоиде

характерноедлякаждойклетки,наследуетсяв

человека (Из: Hartsoeker, 1694, в кн. Srb et al.,

рядуклеточныхпоколений.

1965, ñòð. 353).

Долгое время в биологической науке

определяютсяпротоплазмойяйца,влияниеже

существовало мнение, что процесс развития -

хромосом сперматозоида сказывается позже.

это простой рост органов организма, уже

Это означает, что протоплазма яйца уже

сформированного (преформированного) в

подверглась влиянию генов, содержащихся в

клеткахзародышевогопути(Рис.15.1).

самом яйце...” (Морган, 1937, стр. 129). “По

В 1759 году Wolff предложил теорию

мерепротеканияразвитияприходятвдействие

эпигенеза,согласнокоторойкаждыйорганизм

различныегруппыгенов”(тамже,стр.13).

развивается в ходе онтогенеза не из

преформированных органов, а из простого

Литература к разделу 15.1.

неорганизованного зародыша пут¸м

АлиханянС.И.,АкифьевА.П.,ЧернинЛ.С.Общая

последовательногорядановообразований.

генетика. Москва, Высшая школа, 1-446,

По современным представлениям,

1985.

жизненный путь любого организма - это

Корочкин Л.И. Взаимодействие генов в развитии.

постоянное обновление всех клеток, тканей и

Москва, Наука, 200 с., 1977.

органов. Детали этого процесса обновления

Корочкин Л.И. Как гены контролируют развитие

определяются

структурами,

клеток. Соросовский образовательный

сформировавшимисянапредыдущихстадиях.

журнал 1: 17-22, 1996.

Согласно этой точке зрения, развитие не

Корочкин Л.И. Введение в генетику развития.

останавливается на какой-то определ¸нной

Москва, Наука, 1-252, 1999.

точке,апродолжаетсявсюжизнь.

Лобашев М.Е. Генетика (издание второе).

Зависимостьразвитияотактивностигенов,

Ленинград, Издательство ЛГУ, 1-751, 1967.

Маркерт К., Уршпрунг Г. Генетика развития.

заключенныхвклеточномядре,установленав

многочисленныхопытах.Показанатакжероль

Москва, Мир, 1-270, 1973.

Морган Т.Г. Развитие и наследственность.

состояния цитоплазмы в поддержании

определенного

дифференцированного

Ленинград, Биомедгиз, 1-241, 1937.

Srb A.M., Owen R.D., Edgar R.S. General genetics.

состоянияклеткивцелом.

Second edition. San Francisco, London, W.H.

Глава 15

Генетика развития

Генетика развития

Глава 15

Литература к разделу 15.2.

Рисунок 15.3

Астауров Б.Л. Партеногенез, андрогенез и

полиплоидия. Москва, Наука, 1-344, 1977.

Гершензон С.М. Основы современной генетики.

Киев, Наукова Думка, 1-558, 1983.

Корочкин Л.И. Введение в генетику развития.

Москва, Наука, 24-40, 1999.

Srb A.M., Owen R.D., Edgar R.S. General genetics.

Second edition. San Francisco, London, W.H.

Freeman and company, 1-577, 1965.

15.3. Тотипотентность

генома

До сих пор обсуждается вопрос о том,

сопровождается ли специализация клеток

животных утратой генов, которые далее не

понадобятся для каждого данного типа

клеток. Например, сохраняются ли в ядре

клеток кишечника гены, необходимые для

синтеза гемоглобина - белка, характерного

Äæîí øðäîí

для эритроцитов, а в ядре нервной клетки -

ðîä. 1933

гены,необходимыедляобразованиямиозина

- особого белка мышечных клеток? Если

двух ядрышек в ядрах клетки-хозяина и

“ненужные” гены утрачиваются, то именно

одного - в пересаживаемых ядрах.

эта постоянная утрата различных генов и

Вданныхэкспериментахоколо 1% яиц,

определяет специализацию клеток, как

в которые были пересажены ядра эпителия,

предположил А. Вейсман еще в 1892 году.

дали взрослых лягушек. Таким образом,

Противоположная точка зрения сводится к

нормальная дифференцировка клеток у

тому, что во всех клетках сохраняются все

животных не сопровождается утратой или

гены, однако в тех клетках, где их

необратимойинактивациейгенов.

деятельность не нужна, они находятся в

В феврале 1997 года в журнале Nature

неактивном состоянии.

появилось

сообщение, заставившее

Для того, чтобы решить, какая из этих

обсуждать проблемы генетики развития

гипотез верна, английский генетик Дж.

журналистов, политиков, юристов и

Г¸рдон (Рис. 15.4) трансплантировал ядра из

государственныхдеятелей:группауч¸ныхиз

специализированных клеток эпителия

Шотландии

сообщила

об успешной

кишечника головастиков шпорцевой

трансплантацииядериздифференцированных

лягушки Xenopus laevis (Рис. 15.5) в

клеток в яйцеклетки овец и получении

неоплодотвор¸нное яйцо этого же вида; из

нормальносформированногоживотного.Эти

яйца которого предварительно было удалено

результаты открывают путь для фактически

свое ядро. При этом необходимо

неограниченного

вегетативного

использование какого-либо ядерного

размножения любого индивидуума: каждая

маркера, который позволяет отличить

особьврезультатетрансплантацииядеризего

потомков пересаженного ядра от потомков

клеток в реципиентов может дать начало

ядра-хозяина, поскольку нельзя быть

миллиардам совершенно идентичных

уверенным, что не произошло случайной

потомков. Этот процесс, как отмечалось в

ошибки при удалении ядра-хозяина.

разделе 4, называют клонированием.

Маркером в данном случае служило наличие

Глава 15

Генетика развития

Рисунок 15.5

1

2

Головастик

(линия с одним ядрышком)

Облучение

Эпителиальные клетки

3

Ядро из клетки

4

кишечника

Схема опыта была аналогичной той,

энуклеированный ооцит с целой клеткой-

которую использовали Дж. Г¸рдон и его

донором. Экспериментально полученные

сотрудники. Маркерами в данном случае

зиготы помещали в яйцеводы самок, где они

служили масть овец и различные

начинали дробиться и развивались в морулы,

микросателлиты в составе ДНК. Ооциты

которые и были пересажены в матки

выделяли из овецшотландской черномордой

черномордых

îâåö.

Èç

277

породы, а донорные клетки были выделены

экспериментально полученных зигот только

из вымени овец беломордой породы Финн

одна прошла все стадии развития вплоть до

Дорсетт. После этого с помощью

рожденияягн¸нка,которыйбылбеломордым

электрического импульса сливали

(Рис. 15.6). (Детали экспериментов можно

найти в статье: Wilmut et al., 1997).

Генетика развития

Глава 15

Рисунок 15.6

Дополнение 15.1

История трансплантаций ядер уходит

в далекие 1940-е годы, когда российский

эмбриолог Г.В. Лопашов разработал метод

пересадки ядер в яйцеклетку лягушки. В

июне 1948 года он отправил в “Журнал

общей биологии” статью, написанную по

материалам собственных экспериментов.

Однако, в августе 1948 года состоялась

печально известная сессия ВАСХНИЛ и

Овечка (на рисунке слева), развившаяся из

наборэтойстатьибылрассыпан.РаботуГ.В.

Лопашова

забыли,

à â 1952

ãîäó

клетки молочной железы, взятой от овцы

американские эмбриологи Р.Бриггс и Т.Дж.

беломордой породы и трансплантированной

Кингвыполнилисходныеопыты.Наиболее

в овцу черномордой породы (справа) (Из:

успешные эксперименты были проведены

Wilmut et al., 1997).

Дж. Гердоном в 1962 году.

Тот факт, что овечка выросла из

Целые растения вырастают и из

яйцеклетки с ядром из взрослого животного,

отдельных клеток, входящих в состав

доказывает отсутствие необратимых

каллуса (см. Першина, 2000).

модификаций

генетического материала в

ходе нормального развития.

Литература к разделу 15.3.

К 2000 году клонированные мыши и

Гердон Дж. Пересадка ядер и клеточная

овцы получены после пересадки ядер из

дифференцировка. В кн. “Молекулы и

культуры клеток в энуклеированные

клетки”, вып. 5, Москва, Мир, 19-37, 1970.

яйцеклеткиэтихживотных.

Корочкин Л.И. Клонирование животных.

Создан

проект выращивания

Соросовский образовательный журнал

клонированныхживотных,которыемоглибы

4: 10-16, 1999.

быть источником органов для пересадок

Корочкин Л.И. Введение в генетику развития.

больным людям. Здесь

наиболее

Москва, Наука, 24-40, 1999.

привлекательным объектом являются

Першина

Ë.À.

Культивирование

свиньи. Планируется в ядре культивируемой

изолированных

клеток и

тканей

растений. Часть 1. Новосибирск, Изд-во

клетки свиньи вначале инактивировать гены,

Новосиб. госуд. универ., 1-44, 2000.

ответственные за включение в клетки

McCreath K.J. et.al., Production of gene-targeted

полисахаридов, которые организмом

sheepbynucleartransferfromculturedsomatic

человека опознаются в качестве чужих и

cells. Nature 405: 1066-1067, 2000.

вызывают иммунный ответ. Получены

Wakayama T, Rodrigues I., Perry A.C.F.,

первые результаты по получению овцы в

Yanagimachi R., Mombaerts P. Mice cloned

результате

трансплантации

ÿäðà ñ

96

искусственно внесенным в него геном α 1(I)

from embryonic stem cells. PNAS

: 14984-

14989, 1999.

проколлагена (см. McCreath et. al., 2000).

Wilmut I., Schnieke A.E., McWhir J., Kind A.J.,

В исследованиях растений проблема

CampbellK.H.S.Viableoffspringderivedfrom

тотипотентности не возникала, т.к. всем

fetal and adult mammalian cell. Nature 385:

810-813, 1997.

известно, что кусочки листа (т.е.

соматические клетки) бегонии дают новые

15.4. Детерминация

растения с цветами и семенами, точно также

Известно, чтокаждая клетка находится

корневые побеги малины ежегодно дают

в некотором детерминированном состоянии.

начало новым растениям, а всем известный

картофель размножается клубнями.

Детерминация представляет собой важное

Глава 15

Генетика развития

одинаковым набором генов начинают

Рисунок 15.7

различаться по своим внешним признакам,

или фенотипу. Много серьезных вопросов

стоит перед исследователями: на какой

стадии развития зародыша происходит эта

детерминация? Насколько устойчиво такое

состояние клетки? Наследуется ли это

состояние всеми клетками, происходящими

îò

детерминированной

клетки-

предшественника? Можно ли изменить

детерминированность и переключить эти

клетки на развитие в новых направлениях?

Для ответов на эти вопросы

швейцарский генетик Э. Хадорн (Рис. 15.7)

использовал плодовую мушку дрозофилу.

Известно,чтовразвитиивысшихнасекомых,

в том числе мух, происходит интересное

разделение клеток по их функциям. Клетки

одного типа начинают дифференцироваться

спервыхэтаповэмбриональногоразвития,из

них образуется тело личинки насекомого со

Эрнст Хадорн

всеми его органами. Клетки другого типа

1902-1976

обособлены,

îíè

составляют так

глазной имагинальный диск, в брюшке

называемыеимагинальныедискиилизачатки

личинки-хозяина развивается полностью

взрослых

орагнов.

Õîòÿ

клетки

сформировавшийся глаз.

имагинальных дисков находятся в контакте с

В результате многих опытов Э. Хадорн

соседними

дифференцирующимися

обнаружил, что каждый имагинальный диск

клетками, они находятся в эмбриональном

представляет собой своего рода мозаику из

состоянии в течение всего личиночного

различных групп клеток; например, из одних

периода.Вэтовремяониделятся.Впроцессе

участков мужского генитального диска

метаморфоза

значительная

часть

образуется семяизвергательный канал, из

личиночных органов рассасывается (или

других - различные элементы мужского

лизируется). Одновременно с этим клетки

полового органа, из третьих - анальные

имагинальных дисков утрачивают свое

пластинки и задняя кишка. Следовательно,

эмбриональное

состояние,

îíè

будущее

разнообразие

клеток

дифференцируются,

превращаясь в

детерминированоуженаличиночнойстадии.

специализированные ткани имаго (взрослой

Неожиданные

результаты

áûëè

мухи). Из каждого диска образуется

получены

после

трансплантации

отдельная часть тела насекомого. Например,

имагинальныхдисковсразувовзрослыхмух.

для каждой из шести будущих ног

Клетки неограниченно делились и

существует

отдельный диск,

голова

разрастались. Если бы развитие этих

образуется из трех пар дисков.

имагинальных дисков происходило в

Имагинальные дискиможно извлечь из

нормальной личинке, то эти клетки

тела личинки и пересадить в полость тела

прекратили бы деление с началом

другой личинки. Когда личинка-хозяин

метаморфоза: под влиянием гормона

превращается в куколку, трансплантант

насекомых экдистерона они бы начали

дифференцируется в соответствующий

дифференцироваться в такие структуры

орган. Например, если трансплантирован

взрослых особей, как щетинки, волоски,

Генетика развития

Глава 15

Глава 15

Генетика развития

оплодотворены спермием, содержащим

Рисунок 15.8

нормальный аллель гена bcd. Совершенно

очевидно, что весь продукт этого гена,

à

необходимый для развития, синтезируется у

материиоткладываетсявяйце.

Оказывается, что белки, кодируемые

генами,функционирующимивходесозревания

á

яйца и транспортируемые туда из питающих

клеток, распределяются по оси яйца, образуя

градиенты,характерныедляпродуктовкаждого

â

гена. На Рис. 15.8 показано распределение

продуктагенаbcdвпределахяйца.Онзанимает

строгоопределенныйучасток.Чтобыпродукт

bcd занялэтоместо,нужно,чтобыпоработали

ã

идругиегены,вслучаемутацийкоторыхданный

продукт распределяется неправильно. Так, в

Распределение по длине яйца дрозофилы

нормальномяйцеРНКгенаbcdрасполагаетсяв

матричной РНК, считанной с гена bicoid в

узколокальномучастке(Рис.15.8a).Однако, у

нормальной линии (синее пятно) (а), у

рядамутантовраспределениеэтойРНКвяйце

мутантов exuperantia (б), swallow (в) и staufen

сильно изменено: в результате мутации гена

(г) (показаны штриховкой) (Из: Lawrence, 1992,

exuperantia РНК гена bcd более или менее

p. 31).

равномерно распределена по всему яйцу с

каждая из этих РНК ещ¸ и распределяется по

небольшимградиентомотпереднегополюсак

своим местам в яйце в результате активности

заднему. У мутантов swallow градиент этого

морфогенавыраженсильнее,т.е.распределение

других генов, совершенно очевидно сколь

огромно число генов, участвующих в

егоближекнормальному:впереднейчастияйца

формированиияйца.

выявлено большое скопление РНК bcd и

Присозреваниияйцаворганизмематери

некоторое е¸ количество распределено в

происходит

формирование

четырех

остальнойцитоплазме(Рис.15.8б,в).

независимых систем: 1. Передне-заднего

Совсем близкое к норме, но все ещ¸

градиента белков(РНК)гена bcd,2.Градиента

ненормальное, распределение продукта bcd

распределения

белка

ãåíà

nanos,

обнаружено у мутантов staufen (Рис. 15.8г): у

расположенного в задней части яйца и

них РНК bcd вообще не переходит в заднюю

необходимого для развития брюшка мухи. 3.

частьэмбриона.

Формирование терминирующей системы -

Таким образом, РНК считывается с гена

bcd ещ¸ в питающих клетках ооцитов в

градиентабелкагенаtorso, расположенногона

обоих полюсах яйца и необходимого для

материнском организме и поступает в

яйцеклетки. Затем с помощью продуктов

определенияголовнойихвостовойчаститела.

4.Дорзо-вентральнаясистема,котораязависит

других генов, в данном случае это гены

от активирования рецепторного белка,

exuperantia, swallow è staufen, ÐÍÊ bcd

кодируемогогеномToll (часть из них показана

занимаетопредел¸нноеположениевцитоплазме

íà Ðèñ. 15.9).

яйца, т.е. созда¸тся определ¸нный градиент в

 ñâîþ

очередь,

после

занятия

распределении данного морфогена. В случае

правильногоположениявяйце,продуктытаких

мутациилюбогоизтр¸хперечисленныхгенов

генов, как bcd, вступают во взаимодействие с

распределение РНК bcd изменяется, что

другимигенами,которыеактивируютсяпосле

приводитксерь¸знейшимнарушениямразвития.

оплодотворения и образования зиготы

Известно, что в яйцо поступает РНК,

(зиготические

гены). Белки гена bcd

считаннаясогромногочислагенов.Поскольку

связываются с контролирующими районами

Рисунок 15.9

блокированию транскрипции (если белок

hunchback

является репрессором).

bicoid

torso

nanos

НаРис.15.11изображенфрагмент(около

700 п.н.) регуляторной части гена eve (even-

skipped), который контролирует развитие

правильной сегментации тела дрозофилы.

Распределение

морфогенов

ÐÍÊ

ïî

Видно, что мотивы

нуклеотидов,

связывающихактивирующиебелкигеновbcd

продольной оси яйца дрозофилы (Из: Lawrence,

и hb, часто перекрываются с мотивами, на

1992, p. 42).

которые садятся белки, подавляющие

зиготическихгеновиактивируютих.Понятно,

транскрипцию(геныKr иgt).

чтоклетка,возникающаявобластилокализации

Эти данные свидетельствуют о том, что

морфогенаbcd,будетиспытыватьеговлияние,

расположение белков, синтезированных в

иразвитиепойдетвопредел¸нномнаправлении.

материнскоморганизме,вопределеннойчасти

Если же клетка расположена в задней части

яйца (см. Рис. 15.9) имеет первостепенное

эмбриона, где морфогена bicoid нет (см. Рис.

значениедляпроцессаактивированиягеновв

15.8), она будет развиваться в другом

уже начавшем развитие эмбрионе. Ясно, что

направлении. Таким образом, набор

ген eve будет функционировать в той части

определенных

белков,

накопленных

эмбриона, в которой содержится много

цитоплазмой к данной стадии развития,

материнских белков bcd и hb, и не будет

способен активировать определенный набор

функционировать в клетках, содержащих

генов, благодаря чему либо поддерживается

избыток белков Kr и gt.

данноедифференцированноесостояние,либо

Рисунок 15.10

развитиепродвигаетсядальше.

После того

Оплодотворенное яйцо

как градиенты в яйце созданы, происходит

с двумя родительскими ядрами

Пронуклеус самца (N)

оплодотворение и начинается дробление

Передний

Задний

зародыша (Рис. 15.10), в результате чего

конец

конец

ÿéöà

ÿéöà

образуетсяоднослойнаябластодерма.Каждая

Полярная

Пронуклеус самки (N)

цитоплазма

клеткавнейзанимаетопределенное положение

Слияние родительских ядер

по отношению

ê

сформировавшимся

и образование зиготы

градиентам, т.е. обладает определенной

позиционной информацией. Морфогены

взаимодействуютсрегуляторнымиучастками

Ядро зиготы

Образование синцития в результате

2N

генов,

активирующихся

ó

зигот

(ò.å.

9 последовательных делений ядер

зиготическихгенов).

в общей цитоплазме

Какимобразомбелковыйпродуктодного

гена может взаимодействовать с другим

геном?Какизвестнорегуляторныечастигенов

Ядра мигрируют к стенкам яйца

содержатспецифическиегруппынуклеотидов

и делятся еще 4 раза, образуя

однослойный мешок

(мотивы),имеющиесродствокопределенным

сочетаниям аминокислот (доменам) в

молекулах белков. Посадка различных

Полярные клетки

белковых факторов на соответствующие

Бластодерма из 4000 клеток.

(зачатки клеток

Завершение образования

зародышевого пути)

мотивы в регуляторных областях генов

клеточных мембран

приводиткизменениямконфигурацииДНП(см.

более подробно раздел 7.6) и началу

транскрипции кодирующей части гена (если

Эмбриональное развитие дрозофилы (Из:

белок

является

активатором)

èëè

Russell, 1998, p. 570).

Глава 15

Генетика развития

Рисунок 15.11

Часть регуляторного участка гена eve длиной 700 пар нуклеотидов (от -800 до -1500 пн) (Из:

Lawrence, 1992, p. 73). На рис. а нарисована в масштабе нить ДНК, выше и ниже которой

соответствующими символами изображены участки посадки белков, кодируемых генами Kr,

gt, bcd и hb. На рисунках б и в показаны последовательности нуклеотидов, связывающие

данные белки.