Общая схема формирования сегментарной полярности у дрозофилы

Яйцо, зародыш, личинка и имаго дрозофилы характеризуются переднезадней полярностью. Ооцит развивается так, что один его конец (будущий передний) непосредственно соединяется с цитоплазмой фолликулярных питающих клеток, которые снабжают яйцо белками, рибосомами и мРНК. На противоположном конце яйца накапливается полярная плазма, дающая начало первичным половым клеткам взрослого насекомого. У зародыша, личинки и взрослого насекомого можно легко различить головной отдел и хвостовой конец, между которыми располагаются повторяющиеся единицы - сегменты. 3 сегмента образуют грудь, а оставшиеся 8 - брюшко. Каждый сегмент взрослой мухи характеризуется своими особыми чертами. Первый грудной сегмент, например, несет только ноги; второй грудной сегмент имеет и ноги, и крылья. Третий грудной сегмент несет ноги и жужжальца (балансёры). Грудные и брюшные сегменты различаются также по строению кутикулы.

Каким образом полярность на уровне яйца дрозофилы переходит в полярность на уровне взрослого организма с его повторяющимися, но тем не менее индивидуализированными сегментами? В реализации плана строения организма ключевое значение имеет его сегментация, разделение на головной, грудной, брюшной отделы и их производные. Этот процесс является универсальным в животном мире и характеризуется двумя основными признаками — количеством сегментов и их качеством. Соответственно различают две группы генов, ответственных за развитие этих признаков: сегрегационные и гомеозисные.

Сегрегационных генов, детерминирующих число сегментов у Др, известно более двух десятков. Их мутации нарушают становление передне-задней (анимально-вегетативной) полярности сегментов, в результате чего происходит их слияние, уменьшается количество и образуются нежизнеспособные уроды. Различают несколько групп сегрегационных генов. Это — гены материнского эффекта, которые контролируют формирование градиентов в ходе оогенеза, GАР-гены, раir-rulе-гены, гены сегментарной полярности, последовательно осуществляющие сегментацию зародыша и подготавливающие почву для функционирования гомеозисных генов. Сегрегационные гены последовательно активируются в процессе индивидуального развития.

За последние полтора десятилетия были собраны данные, на основе которых была предложена модель возникновения такой полярности. Полагают, что, во-первых, 1) материнская мРНК, депонируемая в разных областях яйца, кодирует регулирующие транскрипцию и трансляцию белки, которые диффундируют на стадии синцитиальной бластодермы и активируют (либо репрессируют) определенные гены зиготы. Во-вторых, 2) гены зиготы, регулируемые факторами материнского происхождения, экспрессируются в широких (около трех сегментов) доменах, которые перекрываются друг с другом. Эти гены названы gар-генами (потому что у мутантов по ним отсутствует несколько сегментов). Именно эти гены первыми активируются в развивающемся зародыше. В-третьих, 3) разные концентрации белковых продуктов генов gар-группы активируют гены группы pair-rule, которые транскрибируются в клетках презумптивных зачатков каждого второго сегмента. Транскрипционный паттерн каждого из генов этой группы характеризуется тигровым рисунком и состоит из 7 вертикальных полос клеток по всей длине зародыша.4) Продукты транскрипции генов этой группы активируют транскрипцию генов группы segment-polarity. м-РНК и соответствующие ей белки генов этой группы формируют 14 полос, которые разделяют зародыш на сегменты. В это же время продукты генов групп gар, pair-rule и segment-polarity взаимодействуют друг с другом и активируют гомеозисные гены.

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.

1) 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.

2) 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.

3) 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.

Вторая 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.

Итак, 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.