Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция

• Название: Эмбрионы, гены и эволюция
• Автор: Рудольф Рэфф
• Издательство: Мир
• Жанр: Педагогика
• Год: 1986

В книге американских авторов излагаются факты и идеи о связи генетики, эмбриологии и эволюции. Основное внимание уделено представлению о том, что эволюция идет по преимуществу путем отбора значительных перестроек морфологии, обусловленных мутациями регуляторных генов.

Для специалистов по молекулярной биологии, эмбриологов, генетиков, эволюционистов, для студентов и преподавателей биологических факультетов.

---

Остается, однако, неясным, в чем состоит нормальная функция гена dor+. Мы можем приступить к этому вопросу, рассмотрев, во-первых, плейотропный эффект мутации dor, вызывающей аномальную пигментацию глаз, а во-вторых, характер продукта другого мутантного гена - rudimentary, наследуемого по тому же типу. Аномальная пигментация глаз у мутантов dor связана с синтезом птеридинов - группы гетероциклических соединений, родственных нуклеиновым кислотам. Ген rudimentary, как показали Норби, Джарри и Фальк (Norby, Jarry, Falk), а также Роулс и Фристром (Rawls, Fristrom), кодирует первые три фермента, участвующие в биосинтезе пиримидинов. Об участии гена dor в метаболизме нуклеиновых кислот свидетельствует также то, что стерильность самок dor/dor можно частично ослабить, добавляя в среду, на которой выращиваются эти мухи, дополнительное количество пуринов. Поэтому возникает мысль, что аномалии, обусловливаемые мутацией dor, а возможно, и другими сходными с ней мутациями, возникают в результате нарушения синтеза или распада нуклеиновых кислот. На примере таких мутаций видно, как трудно отличать неспецифичные генетические мутации от мутаций, специфически воздействующих на механизмы, которые относятся только к морфогенезу.

Более вероятный кандидат на роль мутации, вызывающей недостаток фактора, необходимого для морфогенеза, - мутация oocytedeficient (о) у аксолотля (см. гл. 4). Пересаживая яичники от особей с мутацией о нормальным особям, Хамфри (Humphrey) показал, что влияние этого гена автономно, т.е. ограничено яичниками мутантных особей. Такой автономности нельзя ожидать, если дефект вызван недостаточностью какого-либо низкомолекулярного метаболита, способного распространяться путем диффузии. Однако, несмотря на обширные исследования Бриггса (Briggs) и его сотрудников, в результате которых было идентифицировано некое белковоподобное спасающее вещество, содержащееся в нормальных зародышах и ооцитах, точная природа этого дефекта неизвестна. Весьма любопытно, однако, что спасающий белок локализуется в зародышевом пузырьке (ядре ооцита), позволяя думать, что этот белок каким-то образом взаимодействует с генетическим материалом. В связи с такой возможностью интересно рассмотреть одну мутацию, обнаруженную недавно у дрозофилы. Мортен и Лефевр (Mortin, Lefevre) описали сцепленную с полом доминантную мутацию, локализованную в Х-хромосоме и названную ими Ultrabithoraxlike (Ubl). У самок, гетерозиготных по этой мутации (Ubl/+ ), жужжальца, или органы равновесия, имеющиеся у всех двукрылых, увеличены по сравнению со своими обычными размерами. Жужжальца расположены на третьем грудном сегменте и в эволюционном смысле представляют собой зачаточные крылья, играющие роль стабилизаторов во время полета. Мутация Ubl похожа на другую доминантную мутацию в третьей хромосоме, названную Ultrabithorax (Ubx), которая гомеозисна по своей природе. Более полное обсуждение этого и других гомеозисных локусов дается в гл. 8.

Увеличение жужжальца указывает на преобразование этого органа в направлении полностью дифференцированного крыла. Это проявляется в фенотипе самок мух, гетерозиготных по гену Ubl в Х-хромосоме (Ubl/ +) и по гену Ubx в третьей хромосоме (Ubx/+). Жужжальца таких мух снабжены маргинальными волосками и щетинками, характерными для крыла, а также крылевыми жилками; ни тех ни других структур на маленьких луковицеобразных жужжальцах обычно не бывает. Еще одно открытие Мортена делает мутацию Ubl очень подходящим объектом для обсуждаемого здесь вопроса: она обладает материнским эффектом (в отличие от Ubx). У гомозиготных самок и гемизиготных самцов аллель Ubl летален. Однако, снабдив муху дупликацией, содержащей нормальный аллель Ubl, можно получить взрослых самок с генотипом Ubl/Ubl/+ . При скрещивании с нормальными самцами эти самки фертильны и дают гетерозиготных потомков Ubl/+ . Если же скрещивать их с самцами Ubl/Y/+ (которые жизнеспособны благодаря той же самой дупликации), то эти самки оказываются совершенно стерильными и неспособны производить даже потомков Ubl/+ . Этот пример обладает одной любопытной особенностью, отличающей его от случая сходной стерильности, которая обнаружена у самок dor и которую можно устранить введением цитоплазмы мух дикого типа; она касается природы генного продукта локуса Ubl. Гринлиф (Greenleaf) и его сотрудники обнаружили в этом локусе еще одну мутацию, определяющую устойчивость к α-аманитину, который специфически подавляет РНК-полимеразу II эукариотических организмов. Эта полимераза - тот фермент, который осуществляет транскрипцию генов, кодирующих мРНК, т. е. структурных генов. Кроме того, подобно мутации Ubl в данном локусе, аллель, устойчивый к α-аманитину, во взаимодействии с геном Ubx детерминирует формирование крылоподобных жужжалец.

Как это разбирается в гл. 8, Гарсиа-Беллидо (Garcia-Bellido) и его сотрудники показали, что активность локуса Ubx необходима уже на стадии бластодермы, где он участвует в первичных детерминационных событиях, регулирующих сегментацию. Этот факт в сочетании с материнским эффектом мутации Ubl указывает на то, что для этих начальных событий, возможно, необходима полимераза, поставляемая с материнской стороны. Остается, однако, недоказанным, является ли взаимодействие измененной полимеразы с этими гомеозисными генами специфичным для этих локусов или же такая специфичность измененной полимеразы в действительности больше кажущаяся, чем реальная. Изменения в одной из субъединиц полимеразы II могут повлиять на связывание голофермента с промоторами многих или всех генов; так это взаимодействие, возможно, выявляет различную «силу» промоторов, причем промотор гена Ubx может быть очень слабым и чрезвычайно чувствительным к изменениям фермента. Так или иначе, установлено, что активность гена Ubx, правильное функционирование которого на ранних стадиях эмбриогенеза имеет решающее значение для нормального морфогенеза, может в значительной степени зависеть от материнского фермента, необходимого для генной транскрипции.

Непосредственная и чрезвычайно своеобразная роль описанных выше генов в морфогенезе остается проблематичной, однако Райс (Rice) и Герен (Garen) выделили из 3-й хромосомы Drosophila melanogaster группу мутаций с материнским эффектом, обладающих, по-видимому, специфическим действием на морфогенез. Три из них вызывают очень характерные и специфичные дефекты на стадии бластодермы у зародышей, происходящих от гомозиготных матерей. Первая мутация mat(3)1 не допускает образования нормальной разделенной на клетки бластодермы после начальных синцитиальных делений дробления. Однако на заднем конце зародыша все же образуются полярные клетки. В нормальном зародыше эта группа клеток - клетки зародышевого пути - предназначена для образования гамет. Поэтому создается впечатление, что у такого мутанта развиваются клетки зародышевого пути и несколько соматических клеток. Интересно, что, несмотря на отсутствие нормальной бластодермы, полярные клетки пытаются инвагинировать, как при нормальных обстоятельствах они сделали бы при гаструляции; это показывает, что по крайней мере некоторые из ранних перемещений клеток зародыша не нуждаются в межклеточных взаимодействиях или адгезиях.

Вторая мутация mat(3)6 также образует только частичную бластодерму. Ядра синцития мигрируют в кортикальную цитоплазму, как у нормальных зародышей; однако целлюляризация происходит только на переднем и заднем концах зародыша. Распределение клеток у этих двух мутантов на стадии бластодермы показано на рис. 7-8. У мутанта mat(3)6 опять-таки, как и у мутанта mat(3)1, полярные клетки пытаются инвагинировать и зародыш предпринимает абортивную попытку к гаструляции. В дальнейшей работе с зародышами mat(3)6 Райс и Герен определяли потенциальные возможности образуемых ими клеток. Как уже было показано Герингом (Gehring), если на стадии бластодермы разрезать зародыш пополам и инъецировать половинки взрослым самкам дрозофилы, то можно получить культуры клеток. Затем, пересаживая эти клетки из брюшка самки в метаморфизирующую личинку, можно испытать их способность к образованию имагинальных структур. Когда личинка превратится во взрослую особь, такая же дифференцировка произойдет и у всех инъецированных клеток, способных к образованию имагинальных тканей. Используя этот метод, Чен и Геринг (Chan, Gehring) продемонстрировали, что на стадии бластодермы передний конец зародыша уже детерминирован на образование только структур, располагающихся на переднем конце взрослой особи, а задний конец - только задних структур. Раис и Герен применяли этот метод к своим мутантным зародышам и обнаружили у них образование только самых передних, т. е. головных, и задних - брюшных - структур. Никаких элементов груди не возникало. Таким образом, создается впечатление, что у этих мутантов формируются лишь очень специфичные части клеточной бластодермы и что продукты материнских генов принимают участие в целлюляризации определенных частей раннего зародыша.