8.5.2. Генетический контроль общей схемы тела

Дрозофила. В настоящее время достаточно много известно о генах, контролирующих формирование общей схемы тела животного. Группы генов, экспрессия которых обеспечивает формирование общего плана строения эмбриона, обнаруживают неслучайный уровень гомологии у всех изученных организмов. Большая часть этой информации получена на дрозофиле.

Еще до оплодотворения, т.е в ооците, начинается экспрессия генов, продукты которых несколько позже принимают участие в формировании различий между передним и задним полюсом оплодотворенного яйца дрозофилы. Это так называемые "материнские" гены. К ним относятся, например, ген caudal (определяет полярность ооцита), ген ЫсоШ (мутация по нему вызывает появление эмбрионов без головы и торакального ганглия), ген oskar (у мутантных эмбрионов нет брюшка).

Уже в самом эмбрионе проявляют свое действие гены других групп.

Больше всего информации получено по генам сегментации и по так называемым гомейозисным генам.

Гены сегментации. Мутации по ним нарушают метамерию, т.е. деление тела зародыша дрозофилы на сегменты, а также вызывают аномалии развития сегментов разных категорий. Могут происходить, например, потеря сегментов (ген gap), появление дефектных по структуре сегментов "через один" (ген pair rule), нарушение внутренней структуры полярности сегмента (engrailed). Совместное действие нормальных аллелей генов этих групп обеспечивает формирование сегментации тела. Мутации генов сегментации несовместимы с нормальным ходом эмбриогенеза и вызывают его остановку с последующей гибелью зародыша на разных стадиях.

Гомейозисные гены. Исторически первыми были описаны и изучены мутации по генам, которые вызывают заметные морфологические аномалии (уродства), но, тем не менее, совместимы с жизнью, т.е. не только не вызывают гибели зародыша, а даже не препятствуют метаморфозу и развитию имаго. Это так называемые го-мейозисные мутации, выражающиеся в формировании сегментов с "неправильными" органами. Наиболее известны среди них – мутации aristapedia и antennaepedia, когда вместо аристы или антенны на голове мухи формируется конечность.

Гомеобокс. Молекулярно-биологические исследования гомейо-зисных мутаций выявили в соответствующих участках ДНК короткую консервативную последовательность оснований, которая была названа гомеодоменом, или гомеобоксом (Нох) (подробнее см.: Дон-дуа, 1997). Гомеодомен кодирует небольшого размера белковую молекулу, которая может связываться с ДНК. Эти данные позволили предположить, что гомеобокс кодирует регуляторный белок, способный включать и выключать экспрессию генов в определенные моменты развития. Структурные особенности ДНК Яох-доменов подтверждают предположение, что продукты этих генов могут связываться с ДНК и регулировать транскрипцию.

Итак, действие генов ряда групп проявляется либо в оплодотворенном яйце, либо позднее, на разных стадиях формирования самого эмбриона.

Мышь. Если у дрозофилы экспрессия генов Нох связана преимущественно с формированием сегментов и/или их внутренней структуры, то у других организмов родственные последовательности Нох имеют более разнообразные функции. Такие же как у дрозофилы гомеобоксные последовательности выделены в геноме шпорцевой лягушки, мыши и человека. Наиболее интенсивная экспрессия этих генов у позвоночных происходит в ЦНС, в почках и в зародышевых клетках.

У мыши описано и клонировано не менее 20 локусов, содержащих гомеобокс (Яох-локусы). У ряда из них определена нуклеотид-ная последовательность. Большая часть Яох-содержащих генов локализуется у мыши на хромосомах 2, 6, 11 и 15.

Общность генетических механизмов развития схемы тела насекомых и позвоночных подтверждается многочисленными случаями гомологии в строении соответствующих генов дрозофилы и позвоночных, например гена полярности сегментов wingless и онкогена мыши int-1 или гена achaete-scute с онкогеном с-тус. Содержащие гомеобоксную последовательность гомейозисные гены групп engrailed и invected дрозофилы имеют гомологов в геноме мыши, которые экспрессируются в эмбриогенезе при формировании нейроэк-тодермы. Продукты их транскрипции проявляются в полосках ткани, располагающихся в складках нервного гребня.

Содержащие гомеобокс гены дрозофилы и мыши имеют сходство в пространственно-временной картине экспрессии в процессе развития. Как и у двукрылых, в эмбрионе млекопитающих эти гены экспрессируются вдоль ростро-каудальной оси эмбриона. Следует отметить, что исследование функций этих генов у млекопитающих, точнее, у одного из наиболее изученных генетических объектов – мыши – достаточно сложно, поскольку соответствующие мутации неизвестны, тогда как у дрозофилы, например, анализ подобных мутаций – один из ключевых методов исследования.

Вместо анализа мутаций при работе с мышью предложен ряд других методов изучения роли генома на ранних стадиях развития эмбриона. Один из наиболее продуктивных – введение в зародыш генетического материала, который представляет собой или измененный ген, имеющийся у хозяина, или делецию по определенному участку хромосомы (в этом случае используют специальные приемы, которые "заставляют" экспрессироваться новый ген). Можно также вводить ген, выделенный из генома другого вида. Примером последнего типа эксперимента служит работа американского ученого Р. Пальмитера (R. Palmiter) с сотрудниками. Они создали трансгенных мышей с геном, кодирующим гормон роста крысы под "транскрипционным контролем" так называемого промотора металлоте-неина, последовательности, которая экспрессируется практически во всех тканях. Несколько мышей, полученных таким способом, отличались очень крупными размерами (см. также: 8.6.3.4). Интеграцию в геном хозяина и экспрессию нужной ДНК последовательности обеспечивают технически сложные приемы, когда интересующий исследователя участок ДНК "сшивается" с последовательностями, экспрессия которых вызывается особыми физиологическими нагрузками.

С помощью трансгенных животных можно изучать фенотипичес-кие эффекты изменения "дозы" такого гена. Подобные эксперименты позволили установить, что во всех отделах ЦНС "трансгенного" эмбриона мыши в ростро-каудальном направлении имеются продукты транскрипции всех 7 генов блока Нох, введенного в геном.

Гомеобокс – это только один тип консервативной последовательности из всех других типов, выявленных у организмов разного уровня развития. Описаны и семейства генов, которые содержат белковые домены, выделенные в связи с исследованием разных функций. Гены сегментации дрозофилы Kruppel и hunchback имеют белковый домен, гомологичный транскрипционному фактору III, выделенному у шпорцевой лягушки, так называемому "белку с цинковыми пальцами". Ген Нох мыши, продукт которого также представляет собой белок с "цинковыми пальцами", локализуется в протосегментах заднего мозга эмбриона. Его продукты показывают экспрессию в порядке "через один сегмент". Такой метамерный рисунок в экспрессии гена – четкое молекулярно-генетическое доказательство существования сегментации мозга позвоночных.

Таким образом, дальнейшая дифференцировка мозга на отделы, по крайней мере частично, определяется событиями, которые причинно связаны с экспрессией генов "схемы тела". Сходство ряда участков генома, таких как гомеобоксные последовательности, у организмов, занимающих разное положение на систематической лестнице, показывает, что это еще один путь сравнительных исследований структуры и функции мозга.