Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

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).

В результате генетических исследований вновь полученных линий, сбалансированных по леталям, было установлено, что скрещивания между бесхвостыми мышами, получившими свой рецессивный аллель t от разных популяций, часто давали нормальных потомков. В частности, от скрещивания T/ta x T/tb были получены нормальные и бесхвостые потомки в соотношении 2:1. Можно показать, что потомки с нормальными хвостами имеют генотип ta/tb. Таким образом, этот генотип был не только нелетальным, но и нормальным морфологически. Еще одна особенность этого локуса была обнаружена при скрещиваниях между самими линиями, сбалансированными по летал ям. Обычно скрещивание гетерозиготы T/ta с такой же гетерозиготой дает только бесхвостых потомков. Однако изредка (1:500 - 1:1000) среди потомков встречаются мыши с нормальными хвостами. Эти нормальные мыши почти всегда получаются в результате редкой генетической рекомбинации в 17-й хромосоме, в участке, соответствующем локусу Т или примыкающем к нему. Можно показать, что наличие хвоста у этих реком-бинантных потомков обусловлено тем, что одновременно с рекомбинацией произошло превращение первоначального аллеля ta в новый аллель tx, который комплементарен аллелю ta таким же образом, как некоторые t-аллели, происходящие от мышей дикого типа, комплементарны друг друга. Различие, конечно, состоит в том, что tx в данном случае непосредственно связан с ta своим происхождением. Было показано, что такое превращение одного аллеля t в другие комплементарные типы происходит с большинством выделенных рецессивов. Некоторые возникающие при этом аллели, например tx, могут в свою очередь при помощи того же механизма превратиться в другой комплементарный аллель, например ty. Такое превращение одного рецессивного аллеля t в другой приводит к образованию ряда постепенно переходящих один в другой аллелей, а в конечном итоге к созданию так называемых t viable, или tv, аллелей. Все эти последние аллели нелетальны, и бесхвостый фенотип экспрессируется только в случае гетерозигот Т/tv; у особей tv/tvхвосты нормальные. Еще один класс рецессивных t-мутаций - это полулетали, жизнеспособность которых колеблется от 2 до 51% нормальной. Как и полностью летальные аллели, они путем постепенных превращений дают tv-типы. Комплементарные скрещивания (T/ta x T/tb) всех как природных, так и полученных экспериментально рецессивных аллелей показали, что 111 существующих мутаций распадаются на 8 отдельных групп, причем ни одна из них не комплементарна Т-аллелю. Число членов во всех группах различно - от одного в группе (tw73 до 66 в группе аллелей tv. Из пяти доминантных Т-мутаций одна была вызвана воздействием рентгеновских лучей, а все другие мутации, обнаруженные в этом локусе, по-видимому, возникли спонтанно.

Мы рассмотрели несколько особенностей этого сложного ряда генетических дефектов, связанных между собой либо тем, что они комплементарны и определяются соседними локусами, либо тем, что они происходят друг от друга. Перейдем теперь к эмбриологическим особенностям экспрессии сложного локуса.

Каждая из восьми комплементарных групп обусловливает разного рода дефекты, проявляющиеся в период от ранних до поздних стадий развития зародыша. Морфологические проявления этих дефектов представлены на рис. 7-10 и 7-11. Самые ранние дефекты обнаружены у зародышей, гомозиготных по аллелю t12. Оплодотворение и деления дробления зиготы приводят к образованию шаровидной массы клеток, называемой морулой. Первый признак клеточной дифференцировки у мышей наблюдается при переходе от этой морулы к следующей стадии - бластоцисте, состоящей из трофобласта (трофэктодермы) и внутренней клеточной массы. Гомозиготные t12-зародыши не достигают этой стадии и недифференцированные «морулы» гибнут, не имплантируясь в стенку матки, в отличие от нормальных зародышей, которые делают это примерно на 4-й день после оплодотворения. Кроме того, t12-клетки, по-видимому, автономны в своем летальном действии. Химеры, содержащие эмбриональные клетки t12 и нормальные эмбриональные клетки, летальны, и их развитие не заходит дальше той стадии, на которой гибнут зародыши t12. Поэтому мутация t12, по-видимому, затрагивает локус, необходимый для первого шага в дифференцировке мышиного зародыша - возникновения трофобласта, из которого в конечном итоге формируются хорион и другие характерные для всех плацентарных млекопитающих внезародышевые оболочки, образующиеся из зиготы.

Рис. 7-10. Схематическое изображение событий, происходящих на ранних стадиях развития зародыша мыши. Сплошными стрелками показано течение нормального онтогенеза, а прерывистыми - момент отклонения от нормального развития зародышей, несущих различные t-аллели. Более подробные объяснения см. в тексте (Bennett, 1975; с изменениями).

Рис. 7-11. Мышиные зародыши на поздних стадиях развития, иллюстрирующие эффекты двух t-аллелей, действующих на поздних стадиях. Подле каждого зародыша приведена схема поперечного сечения, на которой показаны нервная трубка (заштрихована), хорда (черная точка под нервной трубкой) и сомиты (продолговатые структуры по обе стороны нервной трубки). Полное описание мутантных фенотипов дано в тексте (Bennett, 1975).

Следующий из аллелей, вступающих в действие на очень ранних стадиях, - это аллель tw73. Зародыши, гомозиготные по этому аллелю, образуют бластоцисту. Однако трофобласт таких мутантных зародышей не вступает в надлежащую связь со стенкой матки, и недостаточно хорошо имплантировавшийся зародыш вскоре гибнет.

В норме после успешной имплантации зародыша в стенку матки внутренняя клеточная масса начинает расти и подвергается дальнейшей дифференцировке. Одно из происходящих при этом событий - формирование внезародышевой и зародышевой эктодермы. Из первой в конечном счете образуются плацента и части внезародышевых оболочек, а из второй - собственно зародыш. Мутанты t0 не образуют внезародышевую эктодерму и гибнут на стадии раннего яйцевого цилиндра.

Далее у нормальных зародышей продолжается рост внутренней клеточной массы и образуется продолговатое скопление эктодермальных клеток, покрытое энтодермой и называемое яйцевым цилиндром. Внезародышевые клетки также продолжают пролиферировать и дифференцироваться. Зародыши, гомозиготные по аллелю tw5, доходят до стадии, похожей на яйцевой цилиндр, после чего клетки зародышевой эктодермы подвергаются пикнозу и гибнут. Клетки внезародышевой эктодермы, по-видимому, остаются незатронутыми и на протяжении нескольких дней продолжают нормально развиваться, несмотря на находящийся внутри мертвый зародыш, но в конце концов также гибнут.

На этой стадии развития мышиного зародыша, достигаемой через 6,5-7 сут после оплодотворения, начинается дифференцировка собственно зародыша. Это проявляется в формировании на яйцевом цилиндре первичной полоски и образовании между уже имеющимися зародышевыми эктодермой и энтодермой слоя мезодермальных клеток. У зародышей, гомозиготных по аллелю t9, нормальная мезодерма не образуется и соответственно не образуется ни одно из ее производных. Поскольку мезодермальные клетки образуются из зародышевой эктодермы в области первичной полоски, можно предположить, что мутантные эктодермальные клетки неспособны к такому превращению. Мутантные t9-зародыши, пересаженные в брюшную полость нормальных взрослых особей, образуют злокачественные опухоли, целиком состоящие из эктодермальных тканей.