Гены материнского эффекта
Эти гены контролируют формирование градиентов в ходе оогенеза. Анимально-вегетативный, дорсо-вентральный и терминальные структуры формируются несколькими независимыми генными системами.
Можно выделить две основные системы генов, особенно важных для формирования анимально-вегетативного градиента (передне-заднего).
Результаты эмбриологических экспериментов свидетельствуют о существовании в яйцах насекомых по крайней мере двух организующих центров: переднего и заднего. Именно эти области формируют два градиента: в передней и задней частях зародыша.
Среди генов первой группы главным является bicoid. У его мутантов вместо передних структур формируется дополнительный тельсон. Этот ген транскрибируется в клетках овариолы яичника и можно проследить транспорт этих клеток в анимальный полюс ооцита. Поэтому его мРНК обнаруживается исключительно в передней части ооцита. Но при ее трансляции белковый продукт гена формирует градиент с наибольшей концентрацией в передней части яйца и фоновой концентрацией – в задней. Для поддержания стабильности этого продукта в переднем полюсе зародыша необходима активность еще двух генов exuperantia и swallow. При их мутациях градиент белка bicoid становится размытым и зародыши не формируют передних структур.
С
другой стороны, фолликулярные клетки
поставляют в ооцит мРНК, синтезированную
геном nanos
и концентрирующуюся на заднем
конце зародыша.
У мутантов по этому гену нарушается
развитие заднего конца зародыша. Для
его активации необходимы 5 генов с
материнским эффектом. Белок образуется
в области заднего полюса и затем
транспортируется в область брюшных
сегментов.
В формировании плана строения на самых ранних этапах созревания ооцита принимает участие еще один важный ген – hunchback. Он активируется геном bicoid, поэтому его продукт тоже накапливается в передней половине зародыша. Этот ген репрессирует гены, активные в брюшных сегментах, так что в зоне его распределения формируются головные и грудные структуры. Оказывается, белок гена bicoid обнаруживается в ядрах и содержит гомеодомен, с помощью которого он может связываться с ДНК и регулировать таким образом экспрессию генов. Было показано, что белок гена bicoid способен присоединяться к 5 сайтам, расположенным выше промотора гена hunchback и все эти участки имели общую последовательность. В норме белок nanos способен блокировать трансляцию мРНК hunchback, вероятно, в этом и заключается его основная функция, и в результате формируются задние структуры зародыша.
В
торая
система генов контролирует формирование
дорсо-вентрального
градиента.
Последовательность
активации этих генов представлена на
рис.
Как следует из рисунков, гены посылают
сигнал (неизвестной природы) к рецептору,
кодируемому геном torpedo,
который
функционирует в фолликулярных клетках.
Белок torpedo
частично гомологичен рецептору фактора
роста (ЕGF-рецептору)
позвоночных и имеет экстра-целлюлярную
часть, способную связывать лиганд из
ооцита. Затем гены pipe,
nudel,
windbeutel,
функционирующие
в фолликулярных клетках, посылают сигнал
(также неидентифицированный) в вентральную
область ооцита. После оплодотворения
гены snake,
easter,
кодирующие
протеазы, активируют ген spatzle,
так
что сигнал возвращается в ооцит. Продукт
spatzle
активирует toll
на
вентральной стороне яйца. Продукт этого
последнего активирует продуцируемую
геном реllе
киназу.
Она в свою очередь фосфорилирует продукт
гена сасtus.
В
результате этого процесса высвобождается
белковый продукт гена dorsal,
поступающий
в ядра клеток. Активация tоll-рецептора
ведет к высвобождению белка dorsal
из комплекса dorsal-cactus,
так что создается градиент распределения
белка dorsal,
действующего как транскрипционный
фактор.
Существует третья система генов, контролирующих формирование градиентов в оогенезе. Эта группа генов контролирует формирование терминальных структур, т.е. акрона (несегментированного головного конца) и тельсона (несегментированного хвостового конца). Ключевую роль в этом процессе играет ген torso. При отсутствии его продукта ни акрон, ни тельсон не развиваются, так что эмбрион оказывается полностью сегментированным. Активация белка torso осуществляется как на переднем, так и на заднем концах зародыша продуктом гена torsoless, функционирующим в фолликулярных клетках.
И
так,
гетерогенизация цитоплазмы созревающего
ооцита 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.
gap-гены
Сегрегационные гены последовательно активируются в процессе индивидуального развития. В первую очередь активируются gap-гены (от англ. gap — брешь, пролом, щель). Их транскрипция стимулируется продуктами генов материнского эффекта, формирующими градиенты в ходе оогенеза. Они начинают функционировать на синцитиальной стадии развития, когда к 10—11-му циклу клеточного деления ядра мигрируют к периферии развивающегося эмбриона и "прочитывают" позиционную информацию, возникшую благодаря активности генов материнского организма, формируя на поверхности яйца синцитий. В результате этого процесса зародыш подразделяется на несколько пространственных доменов. Мутации gар-генов вызывают выпадения групп сегментов, характер их экспрессии изменяется во времени, но зоны экспрессии не перекрываются.
pаir-rulе-гены
На фоне специфического распределения продуктов gар-генов под их влиянием активируются, раir-rulе-гены, которые "дробят" зародыш на повторяющиеся домены шириной по два парасегмента, в одном из которых этот ген активен, в другом — нет. Благодаря функционированию этих генов зародыш подразделяется на отдельные сегменты. Нарушение их функционирования ведет к выпадению отдельных (чередующихся) сегментов.