ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 417, № 6, с. 844-846
^ ОБЩАЯ
БИОЛОГИЯ
УДК 575.16:951.3595.773.4
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ЩЕТИНОЧНОГО РИСУНКА У БК080РН1ЬЛ MELANOGASTER
© 2007 г. Д. П. Фурман, Т. А. Бухарина
Представлено академиком В.К. Шумным 18.06.2007 г. Поступило 25.06.2007 г.
Формирование специализированных пространственных структур занимает важное место в реализации онтогенетической программы многоклеточных организмов. Примером такой структуры является щетиночный узор D. melanogaster, который образуют на голове и теле насекомого макро-хеты (щетинки) - внешние сенсорные органы, выполняющие функцию механорецепторов. Узор составлен из фиксированного числа макрохет, занимающих строго определенные позиции, и является для дрозофилы видовой характеристикой [1]. Константность этого признака в сочетании со сравнительно простой организацией каждого сенсорного органа делает его удобной моделью для исследования механизмов становления как структуры в целом, так и каждого из образующих ее элементов в отдельности.
К настоящему времени накоплено значительное число экспериментальных данных по генетическому контролю формирования щетиночного рисунка, и актуальность приобретает задача их систематизации и анализа. Для решения этого нами использована технология генных сетей [2]. Генная сеть "Neurogenesis (determination)" реконструирована на основе аннотирования более чем 200 публикаций и на данном этапе содержит информацию о 369 объектах, в том числе о 66 генах, 84 белках и белковых комплексах, 198 связях и 10 процессах [3]. Логический анализ имеющейся информации позволяет предложить интегральную схему функционирования молекулярно-генетиче-ской системы, контролирующей формирование щетиночного рисунка у D. melanogaster.
Дефинитивный щетиночный орган состоит из четырех клеток, происходящих путем двух последовательных делений из одной родительской клетки (SOP - Sensory Organ Precursor Cell). Пространственное расположение щетинок на теле
имаго идентично расположению родительских клеток в эктодермальном слое крылового имаги-нального диска, так что узор целиком определяется точностью локализации каждой SOP.
В морфогенезе макрохет выделяются три этапа. Первый этап состоит в обособлении из массы клеток диска пронейральных кластеров - групп из 20-30 клеток, каждая из которых обладает потенциальной возможностью стать SOP. На втором этапе детерминируется родительская клетка и уточняется ее позиция внутри пронейрального кластера. В ходе заключительного этапа происходят деление SOP и дифференцировка дочерних клеток в трихоген (собственно щетинку), тормо-ген (гнездо щетинки), нейрон и текоген (глиаль-ную клетку).
Центральное место в молекулярно-генетиче-ской системе, обеспечивающей формирование щетиночного узора, занимают пронейральные гены комплекса achaete-scute (AS-C), инактивация которых влечет утрату всех или части макрохет стандартного набора.
Нейральный путь развития клеток предопределяется содержанием в них пронейральных белков - продуктов генов комплекса achaete-scute. В клетках пронейрального кластера оно выше, чем в окружающих клетках эктодермы, а в родительской клетке достигает максимального значения.
Топологию пронейральных кластеров определяет распределение локально специфичных транскрипционных факторов (продуктов генов u-shaped, pannier и комплекса iroquois), инициирующих экспрессию пронейральных генов в различных районах эктодермы при взаимодействии с соответствующими энхансерами регуляторной зоны комплекса [4].
Внутриклеточный контроль содержания пронейральных белков в клетках кластера осуществляется путем позитивной авторегуляции экспрессии генов AS-C гетеродимерами AS-C/DA и механизмами трансрегуляции через взаимодействия с активаторами (SENSELESS, CHARLATAN) и ре-прессорами (HAIRY в комплексе с кофакторами
Институт цитологии и генетики
Сибирского отделения Российской Академии наук,
Новосибирск
Новосибирский государственный университет
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ЩЕТИНОЧНОГО
РИСУНКА 845
Рис. 1. Схема внутриклеточной регуляции активности генов AS-C. AS-C - achaete-scute комплекс, sens -senseless, h - hairy, gro - groucho, emc - extramacrocha-ete, da - daughterless, chn - charlatan. Курсивом набраны названия генов, прямым шрифтом - названия белков. Стрелками указана активация, линиями с обрубленными окончаниями - репрессия процессов.
SOP Клетка ПК
_
Нейральный тип дифференцировки
Рис. 2. Схема участия Notch-сигнального пути в регуляции транскрипционной активности генов AS-C. Овалами выделены ядра клеток. Обозначения: SOP -родительская клетка; ПК - пронейральный кластер. AS-C - achaete-scute комплекс, Dl - Delta, N - Notch, E(SPL) - Enhancer of split. Прямым шрифтом набраны названия белков, курсивом - названия генов. Стрелки указывают на активацию, а линии с обрубленными окончаниями - на репрессию процессов.
GROUCHO и EXTRAMACROCHAETE) его транскрипционной активности (рис. 1).
В регуляции активности пронейральных генов участвует и EGFR-сигнальный путь, который завершается синтезом белка POINTED - транскрипционного фактора, также активирующего экспрессию генов AS-C в клетках пронейрального кластера [5]. В то же время пронейральные белки активируют ген argos, продукт которого блокирует передачу EGFR-сигнала в окружающие эк-тодермальные клетки, что способствует увеличению различий по содержанию белков AS-C между клетками кластера и эктодермы [5-6].
Далее происходит детерминация единственной родительской клетки в пределах кластера, условием которой является максимальное относительно других клеток содержание в ней белков AS-C. Этот процесс обеспечивается нейрогенны-ми генами, объединенными в Notch-сигнальный путь (рис. 2).
Notch-каскад опосредует процесс латерального ингибирования, закрывающий возможность дифференцировки по нейральному типу всем клеткам кластера, кроме одной [7]. Финальным событием в трансдукции сигнала по Notch-пути являются инициация транскрипции генов комплекса Enhancer of split (E(spl)) и подавление ре-прессорными белками E(SPL)-C транскрипции генов AS-C и/или их генов-мишеней во всех клетках пронейрального кластера, кроме будущей клетки
SOP, где продолжающаяся экспрессия генов AS-C обеспечивает достаточный уровень содержания пронейральных белков.
Вслед за детерминацией SOP следуют два ее последовательных деления и специализация дочерних клеток под контролем генов-селекторов [8].
Таким образом, интегральную схему функционирования молекулярно-генетической системы контроля морфогенеза макрохет можно представить следующим образом (рис. 3).
Формирование полноценного щетиночного узора является результатом последовательного ограничения формообразовательных потенций эктодермальных клеток крылового имагинально-го диска. После определения топологии пронейральных кластеров система генетического обеспечения морфогенеза макрохет начинает работать на увеличение содержания пронейральных белков сначала в клетках пронейрального кластера, а затем в родительной клетке щетиночного органа. Контроль процесса обеспечивается как внутриклеточной регуляцией активности AS-C, так и межклеточными событиями, опосредуемыми сигнальными путями EGFR и Notch. В систему контроля вовлечено несколько десятков генов.
Работа поддержана проектами "Компьютерное моделирование и экспериментальное конструирование генных сетей" по Программе фундаментальных исследований РАН "Молекулярная и клеточная биология" и интеграционным
846
ФУРМАН, БУХАРИНА
Рис. 3. Интегральная схема системы контроля развития макрохет у D. melanogaster. Обозначения: ПК - пронейраль-ный кластер; SOP - родительская клетка щетиночного органа; AS-C - комплекс генов achaete-scute; PNT - POINTED; E(SPL) - белки комплекса ENHANCER OF SPLIT; AOS - ARGOS; DL - DELTA. Стрелками показана активация, линиями с обрубленными окончаниями - репрессия процессов. Прямым шрифтом набраны названия белков, курсивом -названия генов.
проектом СО РАН "Эволюция молекулярно-ге-нетических систем: компьютерный анализ и моделирование" по Подпрограмме II Программы РАН "Происхождение и эволюция биосферы".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Simpson P., Marcellini S. // Heredity. 2006. V. 97. № 3. P. 148-156.
2. Ananko EA, Podkolodny N.L., Stepanenko I.L. et al. // Nucl. Acids Res. 2005. V. 33. Database Iss. P. D425-D427.
3. Gene Network "Neurogenesis (determination)". http://wwwmgs.bionet.nsc.ru/mgs/gnw/genenet/viewer/ Neurogenesys_determination.html
4. Gömez-Skarmeta J.L., Campuzano S, Modolell J. // Nat. Rev. Neurosci. 2003. V. 4. P. 587-5948.
5. Culi J., Martin-Blanco E, Modolell J. // Development. 2001. V. 128. № 2. P. 299-308.
6. Golembo M, Schweitzer R, Freeman M, Shilo B.Z. // Development. 1996. V. 122. № 1. P. 223-230.
7. Schweisguth F. // Curr. Biol. 2004. V. 14. № 3. P. R129-R138.
8. Knoblich JA, JanL.Y, Jan Y.N. // Nature. 1995. V. 377. № 6550. P. 624-627.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.