Тема3. Мутації як зміни напрямку онтогенетичних процесів

1. Дизруптивні зміни в ході онтогенезу.

2. Аналіз часу й місця дії генів.

3. Мутації з материнським ефектом.

4. Мутації, які заторкують органогенез.

5. Мутації, які впливають на розвиток певних органів.

6. Гомеозисні мутації.

Питання 1.

Якщо морфологія є проявом складного комплексу процесів розвитку, то ці процеси, в свою чергу, є проявом дії генів. У багатоклітинних організмів частина геному специфічно бере участь у регуляції онтогенезу, характер еволюції відрізняється від характеру еволюції структурних генів. До цього часу вивчення цього питання обмежувалося ізольованими прикладами генного контролю морфогенезу, які не намагалися вирішити центральне питання: як гени визначають процес розвитку? Тут можна звернутися до програми механіки розвитку, висунутої Ру, проте, замість видаляти клітини й інші структури зародка, аби визначити їхню роль у розвитку, як це робили представники класичної експериментальної ембріології, генетика розвитку використовує мутації як тонкий скальпель, що дозволяє знищувати чи змінювати окремі гени.

Генетична модель, за допомогою якої можна вивчати будь-яку систему, теоретично знаходиться під генетичним контролем. Щоб проаналізувати будь-якої процес, у разі онтогенез, дослідник виявляє мутації, які змінюють даний процес. Виявив такі мутації, він веде фенотипове порівняння мутантних особин з нормальними. Це порівняння допомагає зрозуміти, як даний ген впливає на нормальний розвиток. Проте, якщо продовжити опис методу проведення такого порівняння, слід зазначити, що вплив мутацій на онтогенез проявляється двома основними способами. Це, по-перше, дизруптивні зміни, у яких процес розвитку порушується, що зумовлює морфологічні аномалії (наприклад, на відсутність деяких структур). У найбільш різко вираженоій формі такі мутації виявляються летальними. По-друге, це гомеозисні зміни, у яких під впливом мутації розвиток відхиляється від норми, у результаті якась структура даного організму заміщується гомологічним органом чи кінцівкою.

Аналіз порушень, що викликаються будь-якою дизруптивною мутацією, лише в окремих випадках зводиться до простого порівняння кінцевого фенотипу гинучої особини з генотипом, адже розвиток – це складний і високоінтегрованний процес. Чимало мутацій мають плейотропну дію, тобто відсутність чи зміна одного гена можуть стати причиною кількох морфологічних змін. Прикладом служать зміни, які простежуються в людей з так званої аномалією Пельгера (>Pg). Вона наслідується в людини як проста домінантно-аутосомна ознака. У гетерозигот (>Pg/+) немає жодних клінічних симптомів, але для їхнії нетрофілів характерні аномально сегментовані ядра. У дорослої людини ядра полиморфноядерних нейтрофілів зазвичай складаються з чотирьох чи п'яти сегментів, у гетерозигот ж >Pg/+ ядра складаються лише з двох, рідше із трьох сегментів. Та сама ознака виявлена у кроликів, де вона наслідується за таким самим типом і аналогічно проявляється у картині крові. Схрещуючи гетерозиготних кроликів, можна одержати гомозиготних особин >Pg/Pg. Ядра нейтрофилов у цих особин взагалі розділені на сегменти, і такий генотип супроводжується низькою життєздатністю. Для небагатьох особин, що вижили, крім цієї особливості нейтрофілів характерна вкрай виражена карликовість з недорозвиненими кінцівками і грудною клітиною. Тут слід запитати: як і причинний залежність, якщо вони існують, між двомаплейотропними порушеннями? Не виключена можливість, що обидва фенотипові прояви є насправді результатом третього, поки що невідомого порушення, викликаного аллелем >Pg.

Питання 2.

Методи, які використовуютьсяпри визначенні первинного місця дії гена, подібні з застосовуваними у «класичній ембріології» і по суті, запозичені із неї. У своїй найпростішої формі ці методи перебувають у пересадці органу чи шматочка тканини від мутантної особини нормальному реципієнту. Проводять і реципрокні пересадки. Ця операція зазвичай виконується до прояву того чи іншого мутантного ефекту. Якщо генетичний дефект аналізованого органу чи тканини автономний з цією структурою, тобто, якщо вона є первинним місцем дії цього гена, слід очікувати, що мутантну тканину продукуватиме аномальний фенотип (у нормального хазяїна). Експерименти подібного типу робили на тканинах чи органах, вирощуваних у культурі, приблизно так само, експериментах зі спільного вирощування дерми і епідермісу миші, ящірки і курки, лише замість сполуки тканин від тварин різних видів з'єднують рядна або органи мутантних і немутантних особин. Створення мозаїчних особин проводилося у ще ширших масштабах Мінц (Mintz) та її співробітниками. Цим дослідникам вдалося зрощувати in vitro мишачі зародки на стадії морули. Такі «гібридні» зародки імплантують псевдовагітній самці. Миші, які отримані від чотирьох батьківських особин, складаються з суміші клітин різних генотипів, причому активні обидва генотипи. Цей метод можна також використовувати для аналізу автономності експресії мутантних генів, зрощуючи мутантні і нормальні зародки на стадії морули.

Варто згадати ще про один метод подібного типу – пропарабіоз. Він полягає у зрощенні цілих тварин, а не просто органів чи тканин. Проте необхідно зазначити, що за такого зрощування неможливо одержати справді інтегровані мозаїчні особини. Однак ці методи необхідні, щоб трансплантовані тканини, органи, чи зрощувані зародки були сумісні. У нижчих хребетних, як-от амфібії, це представляє серйозну наукову проблему; проте в ссавців виникає додаткове ускладнення у зв'язку з можливістю відторгнення трансплантату, отже варто спочатку переконатися, що мутантна і нормальна особини імунологічно сумісні.

Залишається навести ще два методи, які використовуються під час роботи з Drosophila melanogaster та є специфічними для онтогенетики. Це – створення гінандроморфів та індукція мозаїчних особин шляхом мітотичної рекомбінації. Гінандроморфами називають дорослих мух, тіло яких складається тільки з чоловічих, або тільки з жіночих тканин.

Використовуючи тип дробіння, характерний для двокрилих, та його особливу кільцеву Х-хромосому, таких мозаїчних особин можна постійно отримувати в лабораторних лініях. У нормі X-хромосома дрозофіли має форму палички, з одного боку якої знаходиться центромера. Одною з мутантних форм цієї хромосоми є замкнуте кільце. Кільце має цікаву особливість: при кількох перших діленнях дробіння вона нестабільна. Ця нестабільність може призвести, зокрема, до втрати кільцевої хромосоми одного з двох дочірніх ядер, які виникають при першому поділі дробіння. Якщо втрата відбувається в цій стадії, то результаті подальших ділень дробіння створюються популяції ядер, одна частина яких містить кільцеву Х-хромосому, інша зовсім її позбавлена. Якщо зигота, починаючи ділитися, є гетерозиготною самкою – паличка-Х/кільце-Х, то після такої втрати половина її ядер виявиться жіночими і міститиме дві Х-хромосоми – кільце-Х/паличка-Х, інша половина – чоловічими і міститиме тільки одну Х-хромосому – паличка-Х/О (стать дрозофіли визначається співвідношенням Х-хромосом і аутосом, а не У-хромосомою, як в ссавців). Після восьми синцитіальних ділень в яйці утворюється скупчення ядер. Це скупчення не є випадковою сумішшю типів МО і XX. Ядра цих двох типів утворюють дві просторово розділені групи, розташування яких визначається площиною першого розподілу дробіння. Тому, коли така популяція ядер мігрує до периферичної цитоплазми, аби утворити клітинну бластодерму, вона мігрує як двох стичних, але відособлених груп чоловічих і жіночих ядер. Доросла муха, розвиваючись з такого гінандроморфного зародку, також мозаїчна.

Рис 8. Гінандроморфи дрозофіли

Кількість і місцезнаходження дорослої тканини чоловічої чи жіночої природи мінливо. Це тому, що площину першого розподілу дробіння розташовується випадково стосовно осей яйця. Тому якщо площина першого дробіння ділить яйце по довгій осі на праву і ліву половини, то з нього розвинеться білатеральний гінандроморф. Варіації цього простого випадку приведуть до більшої або меншої частки чоловічої тканини залежно від цього, скільки ядер МО перебуває у тих ділянках бластодерми, якими сформовані дорослі тканини.

Питання 3.

В таких різних організмів, як морські їжаки і жаби, події, що відбуваються на ранніх стадіях дробіння, і по суті, більшість, коли весь розвиток, що передує гаструляции, не залежить від геному зиготи. Інформацію, необхідну для виконання цих початкових і вирішальних етапів онтогенезу, визначає материнський геном яйцеклітини. Існуванням у різних організмів генів з материнським ефектом підтверджує приклад закручування раковини у Limnaea.

Рис. 9. Закручування раковини у Limnaea.

Мутації цих генів передаються по спадковості надзвичайно своєрідним способом. При схрещуванні двох особин, гетерозиготних за якоюсь рецесивною ознакою, можна очікувати, що це ознака проявиться у 25% нащадків. Однак якщо особини з материнськими (>mat) мутаціями >mat/mat розвиваються нормально. Однак, чоловічі особини з таким генотипом фертильні і за схрещуванні з нормальними жіночими особами дають нормальних нащадків. На відміну від них гомозиготні самки дають аномальних нащадків. Це пояснюється тим, що в таких самок утворюються аномальні яйцеклітини, які можуть завершити нормальний розвиток. Самка >mat/mat виживає, вона походить від гетерозиготної (>mat/+) матері, здатної продукувати нормальні яйця. Напевно гени, які дають такі мутації, продукують якісь «морфогени», які утворюють в ооциті ніби «інструкції» для раннього розвитку. Проте можливо також, що яйце не може розвиватися просто внаслідок загального порушення метаболізму. Вдалим прикладом служить група п'яти різних дефектів, наслідуваних за материнським типом і визначених генами, які локалізовані в Х-хромосомі Drosophila melanogaster: tin (>cinnamon), dor (>deeporange), amx (>almondex), fu (>fused) і >r (>rudimentary). Всі ці ознаки, якщо вони успадковуються по материнському типу, відрізняють дорослих особин помітними морфологічними відхиленнями, за якими й одержали свої барвисті назви. Гомозиготні самці, які мають одну з цих мутацій, життєздатні і фертильні, як і гетерозиготні самки. Схрещуючи мутантних самців з гетерозиготними самками, можна було б одержати гомозиготних самок, які при схрещуванні з мутантними самцями виявляються цілком стерильними. Наприклад, самки >dor/dor продукують яйця, розвиток яких припиняється залежно від стадії гаструляції. Інші чотири мутації також викликають загибель зародків, але на інший стадії, ніж мутації >dor. У характері наслідування всіх таких п'яти мутацій є ще одна аномальна особливість. Схрещуючи гомозиготних мутантних самок з нормальними самцями, можна було б одержати певну кількість нащадків. Усе це –гетерозиготні самки, що розвинулись з яєць, запліднених сперматозоїдом, несучим Х-хромосому. Жоден самець не виживає. Очевидно, присутність алеля дикого типу аналізованого гена може дешо знизити дефектність яйця, навіть коли цей алель вноситься сперматозоїдом. Це, звісно, передбачає, що у крайнього заходу частина геному зиготи активна під час гаструляції.

Питання 4.

Як приклад можна навечти локус N (Notch) у Drosophila melanogaster. Notch-зчеплена із статтю домінантна мутація. Гомозиготні самки (N/N) і гемізиготні самці (N/Y) гинуть на стадії зародка приблизно через шість год після запліднення. Цей час відповідає моменту, що наступає після гаструляції, коли зародок виконав приблизно четверту частину ембріогенезу. Гістологічні і морфологічні дослідження цих зародків, проведені Паулсоном (Paulson), показали, що вентральна і латеральна ектодерма, що зазвичай дає початок епідермісу і нервовим клітинам, утворює лише клітини, схожі на нейробласти, а епідерміс зовсім не утворюється. Тому можна припустити, що локус Notch необхідний для диференціювання з зародкової ектодерми нервової тканини на противагу епідермальній. Шелленберджер (Shellenbarger) і його співробітники виділили з локусу Notch алель, що чутливий до температури, і охарактеризували його. Мухи, що містять цей аллель, за нормальної температури 22 °С розвиваються нормально, тоді як при 29 °С спостерігається описана вище загибель зародків. У експериментах із змінами температур, проведених для мутантів shibire, було встановлено, що при дефекті локусу Notch й недостатності продукту цього локусу зародок чутливий у цей ранній період ембріогенезу. З допомогою короткочасних підвищень температури виявлено ще три періоду, коли мутантному організму життєво необхідна нормальна активність локусу Notch. Впливом непермісивної температури на личинки другого чи третього року або лялечок викликали летальні наслідки. Проте, короткочасні впливи (pulses) іноді на третій личинковій стадії чи стадії лялечки викликали такі ж самі рубці очей і дефекти щетинок, як в мутантів shibire. Тому, подібно shibire, мутація Notch володіє значно більше широкою дією, ніж слід було б очікувати, виходячи з її головного фенотипового прояву. Усі структури, на які вона діє, ектодермального походження, і у своїх подальших експериментах з гінандроморфами Шелленберджеру вдалося показати, що спостережувані морфологічні дефекти автономні і притаманні лише ектодермальним клітинам. Отже, знову, як у разі мутацій shibire, складається враження, що хоча б продукт мутанта Notch необхідний різним клітинам ектодермального походження на протягом кількох дискретних періодів протягом усього розвитку. Слід зазначити, що на завершення одного й того ж набору онтогенетических подій необхідні дві різні гени, Notch+ і shibire+, і що відсутність одного чи іншого з них призводить до дивовижно подібному комплексу порушень.

У хатньої миші (Musmusculus) є один складний ген, Т-локус, який передусім подібний з вище описаною системою Notch. Перший алель цього локусу був описаний як аутосомна домінантна алель, під назвою Brachyury (Т). У мишей, гетерозиготних по цьому гену, Т/+, хвости короткі. У гомозиготному стані (Т/Т) цей ген летальний і зародки гинуть внутрішньоутробно. Невдовзі після виявлення цієї домінантної мутації було встановлено, що нащадки від схрещування гетерозигот (Т/+) з мишами дикого типу часто зовсім позбавлені хвоста. Виявилося, що це безхвості миші – результат рецесивних алелів Т-локусу, часто можна зустріти у природних популяціях мишей. Отже, ці безхвості миші мали генотип T/t. Від схрещувань між такими гетерозиготними мишами T/t отримано безхвості миші. Пізніше засвідчили, що це зумовлено «збалансованою системою леталей». Як виявилося, серед нащадків від схрещування гетерозигот летальними були тільки гомозиготи Т/Т, чого слід очікувати, а й гомозиготи t/t. Отже, виживали лише гетерозиготи T/t, що й давали наступне покоління. Ця інтригуюча ситуація вивчена як генетично, так й ембріологічно в низці образотворчих робіт Денна (Dunn), учнів художника Беннета (Bennett) і Глюксон-Велша (Gluechsohn-Waelsch).

Через війну генетичних досліджень отриманих ліній, збалансованими за леталями, було встановлено, що схрещування між бесхвостими мишами, які отримали свій рецесивний алель t від різних популяцій, часто давали нормальних нащадків. Зокрема, від схрещування T/ta x T/tb отримано нормальні і безхвості нащадки у співвідношенні 2:1. Можна показати, що нащадки з нормальними хвостами мають генотип ta/tb. Отже, цей генотип був нелетальним, а й нормальним морфологічно. Ще одна особливість цього локусу була виявлена при схрещуванні між самими лініями. Зазвичай схрещування гетерозиготи T/ta з такою ж гетерозиготою дає лише безхвостих нащадків. Проте зрідка (1:500 – 1:1000) серед нащадків зустрічаються миші з нормальними хвостами. Ці нормальні миші майже завжди виходять внаслідок рідкісної генетичної рекомбінації в 17-ї хромосомі, в ділянці, відповідному локусу Т чи що прилягає до нього. Можна показати, що наявність хвоста у цих рекомбінантних нащадків обумовлена тим, що з рекомбінацією сталося перетворення початкового алеля ta у новий алель tx, який комплементарний алелю ta так само, як t->алелі, які від мишей дикого типу, комплементарні одне одному. Різниця, звісно, у тому, що tx у разі безпосередньо пов'язані з ta своїм походженням. Було показано, що таке перетворення одного алеля t в інші комплементарні типи характерно для більшості виділених рецесивів. Деякі алелі, наприклад tx, можуть у свою чергу за допомогою того ж самого механізму перетворитися на інший комплементарний аллель, наприклад ty. Таке перетворення одного рецесивного аллеля t на другий призводить до утворення низки поступово перехідних як інших алелей, а в остаточному підсумку до створення про- tviable, чи tv, алелів. Всі ці останні алелі нелетальні, і безхвостий фенотип експресується лише в гетерозигот Т/tv; у особин tv/tv хвости нормальні.

Ще один клас рецесивних t-мутацій – це напівлеталі, життєздатність коливається від 2 до 51% нормальної. Як і повністю летальні алелі, вони шляхом поступових перетворень дають tv-типи. Комплементарні схрещування (T/ta x T/tb) всіх, як природних, і отриманих експериментально рецесивних алелів показали, що 111 існуючих мутацій розпадаються на 8 окремих груп, причому жодна їм некомплементарна Т->аллелю. Кількість членів переважають у всіх групах різна – від однієї групи >t>w 73 до 66 групи алелів tv. З п'яти домінантних Т-мутацій одна спричинена впливом рентгенівських променів, проте інші мутації, знайдені у цьому локусі, очевидно, виникли спонтанно.

Доембріологічні особливості експресії складного локусу

Кожна із 8 комплементарних груп обумовлює різноманітні дефекти, які у період від ранніх до пізніх стадій розвитку зародка. Морфологічні прояви цих дефектів представлені на рис. 7–10 і 7–11. Найбільш ранні дефекти виявлено у зародків, гомозиготних за алелем t12. Запліднення і розподіл дробіння зиготи призводять до утворення кулястої маси клітин - морули. Першої ознакою клітинного диференціювання у мишей спостерігається під час переходу від морули до наступної стадії – бластоцисти, що з складається з трофобласта (трофектодерми) і внутрішньої клітинної маси. Гомозиготні t12-зародки не досягають стадії і недиференційовані «морули» гинуть, не імплантуючись у стінку матки, на відміну від нормальних зародків. Це проходить приблизно на 4-й день запліднення. З іншого боку, t12-клітини, очевидно, автономні за своєю летальною дією. Химера, що містять ембріональні клітини t12 і нормальні ембріональні клітини, летальна, та її розвиток не заходить далі стадії, де гинуть зародки t12. Тому мутація t12, очевидно, зачіпає локус, де необхідний перший крок в диференціюванні мишачого зародку – виникнення трофобласта, із якого в остаточному підсумку формуються хоріон та інші характерні всім плацентарним ссавцям позазародкові оболонки, які утворюються з зиготи.

Питання 5.

Тоді як локус Т надає, очевидно, різноплановий розвиток ектодерми, існують мутації, які викликають більш специфічні дефекти. Прикладом служить мутація cardiaclethal (з) у аксолотля Ambystoma mexicanum.

Рис. 10. Аксолотль Ambystoma mexicanum.

Ця мутація була вперше виявлена і досліджена Хемфрі (Humphrey). Хемфрі встановив, що мутація з успадковується як проста аутосомно-рецессивна ознака, отже при схрещуванні двох гетерозиготних особин (з/+) 25% нащадків гине на ранніх личинкових стадіях невдовзі після вилупления. Ці мутантні особини плавають, як нормальні личинки, але мають роздуте тіло, травна система і зябра вони недорозвинені. Первинна причина цих дефектів – порушення розвитку серця й його нездатності до скорочень. Тому в мутантних личинок відсутня кровообіг, а дихають вони, мабуть, шляхом дифузії через шкіру, що їм можливість проіснувати лише протягом обмеженого періоду часу. Як показав Хемфрі, шляхом зрощування нормального і мутантного зародків, це порушення розвитку серця носить автономний характер.

У мутантного і нормального зародків, узятих до закладання серця, видаляли порціями тканини з бічних поверхонь тіла. Потім зародки з'єднували за місцем рани й давали їм зростися. Коли ці зрощені особини завершували розвиток, було встановлено, що нормальний партнер послабляв роздутість та інші дефекти зародка с/с, даючи можливість вижити. Проте серце мутантного партнера назавжди залишалося простою трубкою, нездатною до скорочень, і кровообіг мутанта повністю забезпечував нормальний партнер. Встановлено, що з хребетних багато органи, зокрема серце, розвиваються внаслідок певних індукційних взаємодій. Зокрема, Джекобсон і Дункан (Jacobson,Duncan) показали, що в хвостатих амфібій розвиток серця з мезодермальних зачатків індукується головною ділянкою ентодерми. Причиною, що особам с/с вдасться утворити серце, є, можливо, нездатність головної ділянки ентодерми індукувати той процес або ж нездатність серцевої мезодерми реагувати на індуктор. Щоб з'ясувати, яка з цих двох причин викликає порушення розвитку, Хемфрі пересаджував нормальну серцеву мезодерму с/с-реципієнтам, а мезодерму с/с-мутантів – нормальним реципієнтам. Виявилося, що мезодерма с/с здатна утворити скорочуюче серце під індукційним впливом нормальної головної ділянки ентодерми, тоді як мутантні зародки, що неспроможні забезпечити розвиток нормального серця. Ці результати можна інтерпретувати як вказівку на відсутність індукційною активності головної ділянки ентодерми у мутанта с/с. Можливо, що мутантні особини активно придушують формування серця. Експерименти, проведені Леманскі (Lemanski) і його співробітниками, роблять останнє припущення менш імовірним. Ці автори вирощували in vitro мезодермальні зачатки серця мутантних і нормальних зародків. При перетворенні мутантної мезодерми на нормальну серцеву мезодерму відбувалися сильні скорочення. Якщо брати до уваги те, що скорочення мутантной тканини придушувалися in situ, то вирощування in vitro мало зняти цей вплив. Проте, при сумісному культивуванні мезодерми мутанта с/с головнї ділянки ентодерми нормального зародка в мутантній тканині починалися скорочення; це свідчить, що мутантна мезодерма здатна нормально реагувати на відповідний індукційний вплив. Отже, ген «cardiaclethal», очевидно, обумовлює нездатність головного ділянки ентодерми забезпечити індукційний сигнал, що запускає диференціювання серця з його мезодермальних зачатків.

Гени, які діють на пізніх стадіях розвитку й у процесі росту

Зрозуміло, що мутації генів, що безпосередньо визначають морфогенетичні шляхи, особливо тих генів, що діють на ранніх стадіях, можуть викликати надзвичайно різкі зміни розвитку. Проте і гени, які діють на пізніших стадіях, впливають на загальну морфологію даного організму. До таких генів відносяться ті гени, які контролюють особливості росту організму після становлення загальної морфології і органогенезу. Вони повинні були виявлені по експресії мутацій, які впливають на дію гормонів, що зумовлює гигантизм чи карликовість. Зміни форми (наприклад, відносних розмірів кінцівок) може бути результатом змін характеру росту, що викликаються плейотропними ефектами, що супроводжують основний гормональний ефект мутації. Зміни подібного типу безсумнівно призводили до еволюційним змін, проте подібні пізні зміни розвитку викликали корінні перебудови в морфології. Відома мутація, яка демонструє пластичність процесу розвитку і тому заслуговує на особливу уваги. Це – мутація gt (>giant) у Drosophila melanogaster. Ца зчеплена із статтю рецессивна ознака уперше виявлена Бриджесом (Bridges) і Габерчевски (>Gaberchevsky) в 1928 р. Весь процес розвитку дрозофіли – від запліднення до статевої зрілості – зазвичай займає 10 днів. У мутантів gt цей процес триває на 2–5 днів довше. В утворених мух нема морфологічних відмінностей від нормальних, але вони вдвічі крупніші. Спосіб появи цієї зміни являє собою значний інтерес. Розвиток мух gt протікає нормально протягом усього ембріонального періоду й до наближення личинок до кінця третього віку. В той момент, коли нормальні особини оляльковуються і починають метаморфоз, особини gt все ще знаходяться в личинковій стадії. На личинкових стадіях і на початку стадії лялечки відбувається проліферація імагінальних дисків – клітин, виділені на формування тканин дорослої мухи, від числа цих клітин залежать розміри імаго. У личинок gt упродовж розтягнутого періоду личинкового розвитку, очевидно, іде за рахунок принаймні одного додаткового клітинного поділу. Оскільки ті клітини личинки, які політенні (наприклад, клітини слинних залоз), то беруть участь іноді у двох додаткових циклах синтезу ДНК. Личинки gt після цього 2–5-денного додаткового періоду росту утворюють лялечку, яка приблизно вдвічі крупніша за звичайну. Потім відбувається метаморфоз і після кілька подовжених стадій лялечки з'являється морфологічно нормальна доросла особина подвійного розміру. Отже, комаха здатна регулювати свій розвиток, попри явну додаткову проліферацію, попередню диференціацію, жодних додаткових елементів (органів) не утворюється. У оболочников та нижчих хордових організмів число і тривалість термінів ділень дробіння змінюються залежно від відносного значення личинкової стадії в різних видів.

Частка маси раннього зародка, що передує спеціалізованим личинковим органам, різна. Звідси випливає, що дві зовсім різні морфогенетичні системи здатні узгоджено зробити великі зміни і створити цілком інтегрований організм. Гени, які діють на пізніх етапах розвитку, регулюють розподіл продукованих пігментів на поверхні тіла, і їх кількість; ефекти мінливості цих генів цілком очевидні у природних популяціях більшості організмів. Такі зміни безсумнівно мають важливе значення для процесів відбору, а тим самим і для еволюції, вони, мабуть, несуттєві для морфологічних змін (perse).

Онтогенез перебуває під наглядом генів. Як довели дослідження, цей контроль відбувається на кількох рівнях. З допомогою мутацій, успадкованих за материнським типом, можна продемонструвати генетичну регуляцію організації яєць таким видів, як дрозофіла, ранній розвиток якої має мозаїчний характер. Інші мутації, такі як tailless у миші чи cardiac і eyeless у аксолотля, свідчать про існування генетичного контролю, чинного на наступних стадіях розвитку, відповідно як і для належного функціонування каскадних онтогенетичнихх подій, що призводять до диференціювання основних зародкових листків, необхідна специфічна генетична інформація, а органогенезу – відповідні індукційні взаємодії. Нарешті, генетичні зміни можуть змінювати події, що відбуваються на пізніх стадіях розвитку, зокрема процеси росту та пігментацію, а й викликає цим дефінітивну форму дорослого організму. Еволюційний процес може відбирати зміни експресії генів, які відіграють значну роль у розвитку, і створювати в такий спосіб нові морфогенетичні шляхи. Проте необхідно підкреслити різницю між генами і природою мутацій (змін експресії), важливих для еволюційних змін. Більшість мутацій, які наведені вище, має різко виражені і згубні ефекти. Їх значення полягає у виявлення генетичних елементів, які лежать у основі деяких процесів розвитку. У морфологічній еволюції, цілком імовірно, беруть участь мутації, які мають менш вираженим ефектом. Усі мутації, які змінюють терміни чи тривалість подій чи силу взаємодій, призводитимуть до еволюційної модифікації шляхів розвитку. Для становлення структури та морфогенезу вирішальне значення мають також гени і мутаційні зміни зовсім іншого типу.

Питання 6.

При порушенні структури гомеозисних генів виникають гомеозисні мутації, які змінюють порядок експресії активних генів. Фенотиповий ефект гомеозисних мутацій полягає у перетворенні одних органів в інші.

Наприклад, у мухи дрозофіли мутація групи генів bithorax, що контролюють розвиток грудних та черевних сегментів у дрозофіли, може призвести до появи крилоподібних утворень замість галтерів. Мутації групи генів antennapedia виражаються в тому, що у комах на місці антен виростають ніжки. Мутації ophthalmoptera призводять до развитку крила з имагінального диску ока. Мутації proboscipedia призводять до розвитку ноги або частини антени (в залежності від температури) замість хоботка. У мутантів tumorous head ткани голови заміщуються іншими типами тканин, включаючи структури, характерні для геніталій.

Генотип – це програма розвитку, обумовлена історією розвитку вида. Фенотип можна визначити як результат реалізації генотипа в ході онтогенеза при певних умовах зовнішнього середовища, для якого характерна система ознак і властивостей організма.

Наприклад, у рослин синтез хлорофілу, який контролюється дією генів, не може проходити в темноті, і для цього процесу обов'язковим є наявність світла. Подібне спостерігається і при утворенні антоціана: при недостатньому освітленні гени, що контролюють утворення цього пігмента, діють дуже слабко або зовсім не діють. Відомо, що для нормального розвитку, цвітіння і плодоношення кожний вид рослин на визначених етапах онтогенезу потребує визначеної тривалості світлового дня.

Морфози і терати. Нормальним може бути названий такий фенотип, який виникає в оптимальних умовах середовища під контролем нормального, або «дикого» генотипа. Фенотипове відхилення від «дикого типу» утворюють морфози і терати. Морфози – це такі зміни органів, які не перешкоджають нормальному функціонуванню організма (наприклад, зрощені квіткові пагони в кульбаби, зміна конфігурації листків). Терати (химери) приводять до часткової або повної втрати органом його функцій (наприклад, перетворення плодолистків у звичайні листки–трофофіли, тичинок у пелюстки). Морфози і терати не пов'язані із змінами в генах, що безпосередньо відповідають за формування даних ознак. Інакше кажучи, це результат результат порушення дії генов. Оскільки генотип залишається незмінним, морфози і терати не успадковуються, схильність до появи таких порушень може бути обумовлена особливостями генотипу. Морфози і терати можуть бути обумовленими дією різних фізичних і хімічних факторів.

Приклад 1. Сіре забарвлення у дрозофіли – це нормальна ознака. Якщо личинкам дрозофіли додавати в корм азотнокисле срібло, то все ці личинки розвиватимуться в мух з жовтим тілом. Але, від цих жовтих мух отримувати потомство і вирощувати його на звичайному поживному середовищі, то всі нащадки знову стануть сірими. Таким чином, в даному випадку «пожовтіння» тіла мух – це не мутація, а морфоз.

Приклад 2. У деяких комах зниження температури викликає розвиток меланістичного забарвлення («почорніння» тіла). Якщо від меланізованих форм отримати потомство і вирощувати личинок при нормальному забарвленні, то всі нащадки знову повернуться до вихідного забарвлення.

Приклад 3. В 1960-і рр. в Європі широко використовувався транквілізатор талідомід. Проте у вагітних жінок, що приймали цей препарат, народилось біля 7 тисяч дітей з вродженими порушеннями (відсутність або деформація вушних раковин, великих пальців на руках, вкорочення кінцівок, зміщення бедра; тератогенна дія талідоміда була особливо сильною на 20…36 добу розвитку зародка).

Приклад 4. Деякі косметичні препарати (наприклад, для лікування вугрів) містять аналог вітаміна А (13-цис-ретинову кислоту). У 59 вагітних жінок, що використовували ці препарати, народилась 21 дитина з різними вадами, а 12 плодів були спонтанно абортовані (критичним періодом для 13-цис-ретинової кислоти є також 20…35 доба розвитку зародка).

Приклад 5. У вагітних японок, що пережили ядерне бомбардування Хіросіми і Нагасакі, часто народжувались діти з недорозвинутими кінцівками. В результаті Чернобильскої катастрофи в районах з рівнем забруднення більше 15 Ки/км² (за Cs-137) частота вроджених аномалій зросла майже в 2 рази (в порівнянні з Мінськом в 1980–1985 рр.).

Відхилення від «дикого фенотипу» не завжди є аномаліями. Сільськогосподарська практика показує, що, змінюючи умови вирощування рослин і тварин, можна в широких межах варіювати кінцеві результати без нанесення шкоди для самих організмів. Для багатьох видів рослин добре відомі умови вирощування, що забезпечують найбільшу продуктивність. Відоме значення вітамінів і гормонів для онтогенеза тварин, що можна використовувати для регулювання їх індивідуального розвитку. Наприклад, встановлені особливості впливу освітлення і температури на несучість у домашньої птиці.

Фенокопії і генокопії

Досить часто при реализації різних генотипів можуть виникати подібні фенотипи: фенокопії і генокопії.

Термін «фенокопія» вживається в тому випадку, якщо розглядають «дикий» і мутантний генотипи. Коректне застосування термину «фенокопія» передбачає, що для одного генотипу даний результат вважається нормальним, а для другого – аномальним. Фенокопії – це морфози і терати. Вони не успадковуються, але успадковується схильність до утворення фенокопій.

Приклад 1. У комах темне забарвлення тіла може бути обумовленим генетично. Проте при низьких температурах з'являються меланістичні форми у комах з генотипом, який в стандартних умовах дає звичайне забарвлення. Тоді морфоз «темне тіло» є фенокопією мутації «темне тіло».

Приклад 2. Яровий тип розвитку у злаков обумовлений визначеним генотипом. Яровизація озимих злаків обумовлена дією зовнішніх факторів. Тоді развиток озимих злаків за яровом типом є фенокопією спадково ярових форм.

Приклади генокопій у дрозофіли (за І.А. Рапопорту):

Термин «генокопія» використовується, якщо розглядати два і більше мутантних генотипів. Наприклад, у дрозофіли яскраво-червоне забарвлення очей забезпечують мутаціїв різних генів: v, cn, st, cd. Тоді дрозофіли з різними генотипами, але яскраво-червоними очима будуть генокопіями один одного.

Механізми виникнення генокопій різноманітні. Наприклад, ланцюг перетворень вихідної речовини в кінцевий продукт X→Y→Z може бути перерваний в результаті мутацій в гені A, що контролює перехід X→Y, або в гені B, який контролює перехід Y→Z.

Використана література