Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

Рис. 7-8. Характер целлюляризации бластодермы у потомков трех самок дрозофилы, несущих мутации с материнским типом наследования. Зародыши расположены таким образом, что их передние концы находятся вверху, а дорсальная поверхность справа. Полярные клетки, расположенные на заднем конце зародыша, крупнее соматических клеток. А. Нормальная самка. Б. Мутант gs. В. Мутант mat (3)6. Г. Мутант mat (3)1 (Rice, Garen, 1975; Mahowald, Caulton, Gering, 1979).

Третью материнскую мутацию этого типа изучал Маховалд (Mahowald) со своими сотрудниками на другом виде - Drosophila subobscura. Это мутация gs (grandchildless), наследуемая по материнскому типу, но несколько иначе, чем мутации, которые изучали Раис и Герен. Самки, гомозиготные по рецессивному аллелю (gs/gs), фертильны и дают жизнеспособных потомков. Однако все их потомки как мужского, так и женского пола стерильны. Таким образом, исходная самка gs неспособна произвести F2 (т.е. «внуков»). В основе этого явления лежит тот факт, что у зародышей, происходящих от матерей gs/gs, не образуются полярные клетки, а следовательно, достигнув взрослого состояния, они неспособны производить гаметы. Более точная причина этой их неспособности состоит в том, что ядра полярных клеток, которые у нормального зародыша мигрируют во время дробления на самый задний его конец, у мутантного зародыша не проделывают этого в нужные сроки. Илмензе и Маховалд (Illmensee, Mahowald) показали, что этот участок зародыша содержит «детерминанты», с помощью которых определяется судьба этих полярных клеток, предназначенных для образования клеток зародышевого пути. Мутация gs, по-видимому, препятствует взаимодействию между ядром и цитоплазмой. Интересно, что у gs-зародышей ко времени образования бластодермы нарушается целлюляризация не только на заднем, но и на переднем конце зародыша. Это показано на рис. 7-8, на котором можно сравнить три мутации, нарушающие образование бластодермы. Любопытный момент состоит в том, что пространственное распределение целлюляризации у gs-зародышей реципрокно ее распределению у mat(3)6-зародышей.

Последняя и, вероятно, самая удивительная мутация, наследуемая по материнскому типу, - это мутация bic (bicaudal) у Drosophila melanogaster. Этот дефект, обусловленный аутосомным рецессивным геном, был впервые обнаружен Баллом (Bull), а позднее был проанализирован Нюсслейн-Фольгардом (Nusslein-Volgard). Гомозиготные самки bic/bic продуцируют зародышей, у которых при гаструляции обнаруживаются два задних конца и ни одного переднего. Удивительно, что, хотя потомки мутантов bic не могут вылупиться из яйцевой оболочки, эти двухвостые уроды, прежде чем погибнуть, завершают эмбриональное развитие и достигают личиночной стадии. Как показывает рис. 7-9, все нормальные кутикулярные структуры заднего конца тела образуются у этих зародышей на обоих концах. Их фенотип поразительно сходен с фенотипом, созданным экспериментально Кальтгоффом (Kalthoff) у двукрылого Smittia, обсуждавшегося в гл. 4. Поэтому разумно предположить, что локус bic ответствен за синтез какого-то продукта, локализованная активность которого сходна с активностью морфогенетического фактора, экспериментально разрушенного Кальтгоффом.

Рис. 7-9. Кутикулы личинок (вид сбоку) дрозофилы, происходящих от нормальной самки (вверху) и самки, гомозиготной по мутации bic (внизу). Микрофотографии сделаны методом темнопольной микроскопии. Личинки повернуты передним концом влево и дорсальной стороной вверх. У мутантных личинок на вентральной поверхности имеются только обильные брюшные зубчики. Форма и расположение этих зубчиков зеркально-симметричны по обе стороны от передне-задней средней линии. 1 - ротовые части; 2 - заднее дыхальце (Nusslein-Volhard, 1977).

Описанные выше примеры показывают участие материнского генома и его продуктов в событиях, происходящих на ранних этапах развития. Существование таких генов, как dor и r, демонстрирует влияние ферментов, поставляемых материнским организмом, на метаболизм раннего зародыша, тогда как дефекты, обнаруженные в результате исследования аллелей mat и bic, показывают, что материнский организм во время оогенеза передает также информацию, касающуюся расположения и организации структур. И наконец, эффекты, вызываемые мутацией Ubl у дрозофилы и мутацией о у аксолотля, вскрывают роль исходящей от материнского организма информации, необходимой для надлежащей активации генома зиготы.

Мутации, затрагивающие органогенез

Как мы убедились выше, события, происходящие на ранних стадиях развития, в значительной степени зависят от информации, поставляемой материнским организмом. Однако примерно ко времени гаструляции важную роль в дальнейшем развитии начинает играть генетическая информация самого зародыша, и организм приобретает возможность контролировать свою судьбу. Для морфогенетических событий, следующих за формированием бластодермы, необходим синтез РНК и ее трансляция в белок. О необходимости генетической информации зародыша можно также судить по большому числу мутаций, оказывающих влияние на события, происходящие после гаструляции, и указывающих, таким образом, на существование генов, регулирующих эти события. У этих мутаций не наблюдается наследования по материнскому типу.

В качестве примера можно воспользоваться локусом N (Notch) у Drosophila melanogaster. Notch-сцепленная с полом доминантная мутация, являющаяся одновременно рецессивной деталью. Гомозиготные самки (N/N) и гемизиготные самцы (N/Y) гибнут на стадии зародыша спустя примерно 6 ч после оплодотворения. Это время соответствует моменту, непосредственно следующему за гаструляцией, когда зародыш проделал примерно четвертую часть эмбриогенеза. Гистологические и морфологические исследования, проведенные Паулсоном (Paulson) на этих зародышах, показали, что вентральная и латеральная эктодерма, которая обычно дает начало эпидермису и нервным клеткам, образует только клетки, похожие на нейробласты, а эпидермиса не образует вовсе. Поэтому можно предполагать, что локус Notch необходим для дифференцировки из зародышевой эктодермы нервной ткани в противовес эпидермальной. Оказалось, однако, что это несколько упрощенное объяснение. Шелленберджер (Shellenbarger) и его сотрудники выделили из локуса Notch температурочувствительный аллель и охарактеризовали его. Мухи, содержащие этот аллель, при температуре 22°С развиваются нормально, тогда как при 29°С наблюдается описанная выше гибель зародышей. В экспериментах со сдвигами температур, подобных рассмотренным в начале этой главы для мутантов shibire, было установлено, что к дефекту локуса Notch и недостаточности продукта этого локуса зародыш чувствителен не только в этот ранний период эмбриогенеза. Результаты экспериментов с изменением температуры представлены на рис. 7-5. При помощи кратковременных повышений температуры были выявлены еще три периода, когда мутантному организму жизненно необходима нормальная активность локуса Notch. Воздействия непермиссивной температуры на личинок второго или третьего возраста или на куколок приводили к летальному исходу. Более того, кратковременные воздействия (pulses) в определенные периоды третьей личиночной стадии или на стадии куколки вызывали такие же рубцы на глазах и дефекты щетинок, как у мутантов shibire (рис. 7-5). Поэтому, подобно shibire, мутация Notch обладает гораздо более широким действием, чем можно было бы ожидать на основании ее главного фенотипического проявления. Все структуры, на которые она действует, эктодермального происхождения, и в своих дальнейших экспериментах с гинандроморфами Шелленберджеру удалось показать, что наблюдаемые морфологические дефекты автономны и присущи только эктодермальным клеткам. Таким образом, снова, как и в случае мутаций shibire, создается впечатление, что один и тот же продукт мутанта Notch необходим разным клеткам эктодермального происхождения в течение нескольких дискретных периодов на всем протяжении развития. Следует также отметить, что для завершения одного и того же набора онтогенетических событий необходимы два разных гена, Notch+ и shibire+ , и что отсутствие того или другого из них приводит к удивительно сходному комплексу нарушений.

У домовой мыши (Mus musculus) имеется один сложный ген, Т-локус, который во многом сходен с только что описанной системой Notch. Первый аллель этого локуса был описан как аутосомный доминантный аллель, названный Brachyury (Т). У мышей, гетерозиготных по этому гену, Т/+, хвосты короткие. В гомозиготном состоянии (Т/Т) этот ген летален и зародыши гибнут внутриутробно. Вскоре после обнаружения этой доминантной мутации было установлено, что потомки от скрещивания гетерозигот (Т/+) с мышами дикого типа часто вовсе лишены хвоста. Оказалось, что эти бесхвостые мыши - результат рецессивных аллелей Т-локуса, часто встречающихся в природных популяциях мышей. Следовательно, эти бесхвостые мыши имели генотип T/t. От скрещиваний между такими гетерозиготными мышами T/t были получены бесхвостые мыши, размножающиеся в чистоте. Позднее было показано, что это обусловлено «сбалансированной системой леталей». Как оказалось, среди потомков от скрещивания гетерозигот летальными были не только гомозиготы Т/Т, чего следовало ожидать, но и гомозиготы t/t. Таким образом, выживали только гетерозиготы T/t, которые и давали следующее поколение. Эта интригующая ситуация была изучена как генетически, так и эмбриологически в ряде изящных работ Денна (Dunn), его учеников Беннета (Bennett) и Глюксон-Вэлша (Gluechsohn-Waelsch).