ОНТОГЕНЕЗ, 2008, том 39, № 4, с. 245-258
== ОБЗОРЫ
УДК 575.16:951.3595.773.4
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ РАЗВИТИЯ МАКРОХЕТ
У Drosophila melanogaster1
© 2008 г. Д. П. Фурман*' **, Т. А. Бухарина*
*Институт цитологии и генетики СО РАН 630090 Новосибирск, пр. Лаврентьева, д.10 **Новосибирский государственный университет 630090 Новосибирск, ул. Пирогова, д.2 E-mail: furman@bionet.nsc.ru Поступила в редакцию 14.05.07 г. Окончательный вариант получен 18.07.07 г.
На голове и теле дрозофилы упорядоченным образом расположено строго определенное число наружных сенсорных органов - макрохет (больших щетинок), образующих характерный для каждого вида щетиночный узор. Его постоянство в сочетании со сравнительно простой организацией каждого щетиночного органа, состоящего всего из четырех специализированных клеток, делает макро-хеты удобной моделью для исследования закономерностей формирования пространственных структур с фиксированным числом элементов в определенных позициях и механизмов клеточной диффе-ренцировки. В обзоре систематизированы экспериментальные данные об основных генах и их продуктах, контролирующих три этапа развития макрохет - выделение пронейральных кластеров в эктодерме имагинальных дисков, детерминацию родительской клетки внутри пронейральных кластеров, специализацию клеток, составляющих дефинитивный сенсорный орган. Рассмотрена роль комплекса генов achaete-scute, сигнальных путей EGFR и Notch, а также генов-селекторов в реализации этих процессов. Анализ литературных данных позволяет предложить интегральную схему функционирования системы контроля развития макрохет у D. melanogaster.
Ключевые слова: комплекс achaete-scute, сигнальные пути, макрохеты, дрозофила.
Щетинки (механорецепторы), совокупное число которых достигает 6000, входят в состав периферической нервной системы дрозофилы. По размерам и характеру локализации на голове и теле мухи щетинки подразделяются на макро- и микрохеты. Микрохеты (щетинки малого размера) многочисленны, не имеют строгой локализации и располагаются более или менее правильными рядами. В отличие от них число и расположение макрохет (больших щетинок) жестко фиксировано, и щетиночный узор, который они формируют, является для дрозофилы видовым признаком (Simpson, Marcellini, 2006). Так, у D. melanogaster такой узор составляют 11 пар макрохет, имеющих закрепленные названия в зависимости от позиции.
Дефинитивный щетиночный орган состоит из собственно щетинки, цоколя, окужающего ее основание, нейрона и клетки глии. Все компоненты являются результатом специализации четырех
1 Работа поддержана Программой < 2 фундаментальных исследований РАН "Молекулярная и клеточная биология" (проект < 10.4) и Программой Президиума РАН "Происхождение и эволюция биосферы" (интеграционный проект СО РАН < 18.13).
клеток, происходящих путем двух делений из единственной родительской клетки. Пространственное расположение щетинок на теле имаго идентично расположению родительских клеток в эктодермальном слое крылового имагинального диска, так что правильность их позиционирования определяет точность щетиночного узора (Campuzano, Modolell, 1992).
В формировании макрохет выделяются три этапа, два из которых связаны с определяющим моментом их морфогенеза - детерминацией родительской клетки щетиночного органа (SOP - Sensory Organ Precursor cell).
Первый этап состоит в обособлении из массы эпидермальных клеток крылового имагинального диска так называемых пронейральных кластеров - групп из 20-30 клеток. На втором этапе происходит выделение родительской клетки и уточнение ее позиции внутри пронейрального кластера. Заключительным этапом является деление родительской клетки и специализация формообразующих клеток щетиночного органа.
Каждый этап имеет собственное генетическое обеспечение. В морфогенезе щетинок участвуют три группы генов: пронейральные, определяю-
щие обособление и положение пронейральных кластеров; нейрогенные, от которых зависит детерминация родительской клетки и ее позиционирование в пределах кластера; и селекторные, конкретизирующие тип дифференцировки каждой из дочерних клеток.
Критическим фактором, предопределяющим нейральную судьбу клеток, является пороговый уровень содержания пронейральных белков -продуктов генов комплекса achaete-scute (AS-C). Контроль достижения и поддержания этого уровня обеспечивается, с одной стороны, внутриклеточной регуляцией активности AS-C, а с другой -межклеточными событиями, опосредуемыми сигнальными путями EGFR и Notch. В процесс вовлечено несколько десятков генов.
На сегодняшний день существует значительное число работ, освещающих различные аспекты функционирования молекулярно-генетиче-ской системы контроля морфогенеза макрохет, однако ее систематизированное описание отсутствует. В обзоре приводятся результаты анализа существующих литературных данных и на их основе предлагается интегральная схема функционирования системы контроля развития макрохет у D. melanogaster.
первый этап развития макрохет: роль пронейральных генов и сигнального пути EGFR
На первом этапе развития каждого щетиноч-ного органа происходит формирование проней-рального кластера - группы клеток, имеющих потенциальную возможность пойти по пути ней-рального развития. Основная роль в этом процессе принадлежит пронейральным генам комплекса achaete-scute (AS-C). Именно их экспрессия сообщает клеткам кластера компетентность - способность становиться клетками SOP (Reeves, Posakony, 2005).
Инактивация пронейральных генов вызывает исчезновение некоторых или всех макрохет у взрослой особи. В случае их эктопической экспрессии за счет переключения онтогенетического механизма с развития по типу эпидермальных клеток на развитие по типу нейральных клеток возникают дополнительные щетинки в эктопических позициях.
Гены AS-C кодируют транскрипционные факторы так называемого семейства белков bHLH, содержащие в своем составе аминокислотные последовательности типа "спираль-петля-спираль" и основные домены, через которые они связываются со специфическими сайтами CANNTG в регуля-торных областях контролируемых ими генов -Е-боксами (Powell et al., 2004). К числу этих генов
относятся наряду с пронейральными Delta, scabrous, E(spl)-C, charlatan, groucho, senseless и др.
AS-C занимает в геноме около 90 т.п.н. и содержит 9 транскрипционных единиц, разделенных нетранскрибируемыми участками. Важную для морфогенеза макрохет функцию комплекса определяет наличие транскриптов T5 (ac), T6 (sc) и T8 (T1a) (ásense - ase). Каждый из транскриптов имеет собственный временной и пространственный профиль распределения. Специфичность экспрессии генов комплекса определяется энхансера-ми, расположенными на расстоянии до 100 т.п.н. от него (Gómez-Skarmeta et al., 1995).
Один тип энхансеров инициирует экспрессию генов ac и sc в пределах определенного проней-рального кластера, второй запускает этот процесс уже в каждой родительской клетке (Escudero et al., 2005). Активность энхансеров обоих типов определяется локальной комбинацией определенных транскрипционных факторов (в рамках гипотезы Штерна - факторами предструктуры) (Stern, 1954; Gómez-Skarmeta et al., 2003). Ими являются продукты как самих пронейральных генов, так и других генов, в частности u-shaped, pannier, комплекса iroquois (arauca, caupolican и mirror), а также некоторые белки сигнального пути EGFR (Leyns et al., 1996; Haenlin et al., 1997; GarciaGarcia et al., 1999; Culi et al., 2001).
Так, в средней части нотума комплекс AS-C активируется белком PANNIER, а в латеральной -белками генов комплекса iroquois. В свою очередь экспрессия генов pannier и iroquois регулируется продуктами генов, входящими в каскад генов сигнального пути EGFR - decapentaplegic и wingless соответственно (Tomoyasu et al., 1998; GarciaGarcia et al., 1999; Phillips et al., 1999; Calleja et al., 2002).
Таким образом, точность позиционирования щетинок достигается скоординированной совместной пространственно ограниченной экспрессией генов AS-C, обусловленной, с одной стороны, предструктурой - набором соответствующих транскрипционных факторов, а с другой - системой ответа на предструктуру, включающей гены AS-C с набором энхансеров.
Клетки пронейрального кластера отличаются от окружающих его эктодермальных клеток содержанием белков AC-SC: оно существенно выше, чем в окружающих клетках эктодермы, и достигает максимальных значений в родительской клетке. Кроме того, клетки SOP накапливают и белок ASE. В процесс вовлечено несколько десятков генов, объединенных сложными отношениями взаимной и авторегуляции с участием сигнальных путей.
Регуляция экспрессии генов AS-C. Поскольку белки AS-C являются транскрипционными факторами, они способны регулировать транскрип-
цию в том числе и генов, которые их кодируют. Регуляторную активность эти факторы приобретают в составе гетеродимеров с некоторыми другими белками. В зависимости от состава такие комплексы выступают либо как позитивные, либо как негативные регуляторы экспрессии генов AS-C.
Позитивную регуляцию собственной транскрипции генов AS-C осуществляют гетеродиме-ры AC и SC с белком DA - продуктом гена daugh-terless (da), также представителем белков типа bHLH. Активация транскрипции происходит через связывание таких гетеродимеров с тремя E-боксами в регуляторной зоне AS-C (Cabrera, Alonso, 1991).
Гетеродимеры белков AS-C и EMC - продукта гена extramacrochaete - осуществляют негативную регуляцию экспрессии генов AS-C, поскольку EMC является белком HLH-типа, лишенным ДНК-связывающего осшвного домена. Комплексы, образованные пронейральными белками и EMC, не способны связываться с ДНК. Конкурируя с DA за связывание с белками AS-C, EMC понижает концентрацию функциональных гетеродимеров, что влечет и снижение уровня транскрипции генов комплекса AS-C (Van Doren et al., 1992; Vaessin et al., 1994; Cabrera et al., 1994; Smith, Cronmiller, 2001).
Регуляция активности пронейральных генов осуществляется не только гетеродимерами, в состав которых входят AC и SC, но и другими факторами.
Прямым активатором транскрипции пронейральных генов является CHARLATAN (CHN). Этот тр
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.