научная статья по теме МЕХАНИЗМЫ ДЕТЕРМИНАЦИИ ЩЕТИНОЧНОГО УЗОРА DROSOPHILA MELANOGASTER Биология

Текст научной статьи на тему «МЕХАНИЗМЫ ДЕТЕРМИНАЦИИ ЩЕТИНОЧНОГО УЗОРА DROSOPHILA MELANOGASTER»

ОНТОГЕНЕЗ, 2015, том 46, № 3, с. 131-142

= ОБЗОРЫ

УДК 575.16

МЕХАНИЗМЫ ДЕТЕРМИНАЦИИ ЩЕТИНОЧНОГО УЗОРА DROSOPHILA MELANOGASTER

© 2015 г. Т. А. Бухарина1, Д. П. Фурман1, 2

Институт цитологии и генетики СО РАН 630090 Новосибирск, пр. Лаврентьева, д. 10 2Новосибирский государственный университет 630090 Новосибирск, ул. Пирогова, д. 2 E-mail: bukharina@bionet.nsc.ru Поступила в редакцию 03.04.2014 г. Окончательный вариант получен 05.12.2014 г.

Макрохеты (большие щетинки) располагаются на голове и нотуме дрозофилы упорядоченным образом, образуя щетиночный узор. Число и расположение составляющих узор макрохет строго постоянны, что делает этот признак ценной видовой характеристикой, которая задается строгим позиционированием пронейральных кластеров в эктодерме имагинальных дисков на стадии личинки третьего возраста и предкуколки. В свою очередь, позиционирование пронейральных кластеров зависит от распределения т.н. факторов предструктуры, создающего прообраз щетиночного узора. Согласно современным представлениям, факторы предструктуры отождествляются с транскрипционными факторами, инициирующими локальную экспрессию генов комплекса achaete-scute (AS-C). Именно ограниченная определенными районами эктодермы экспрессия генов комплекса определяет характер расположения макрохет на теле имаго. В обзоре рассмотрены и систематизированы данные, касающиеся становления предструктуры как заключительного этапа функционирования иерархически организованной молекулярно-генетической системы, результатом которого является локальная экспрессия генов AS-C в эктодерме имагинальных дисков.

Ключевые слова: дрозофила, макрохеты, предструктура, морфогенез.

Б01: 10.7868/80475145015030027

ВВЕДЕНИЕ

Формирование пространственных структур является важнейшим аспектом реализации программы развития многоклеточных организмов. В качестве одного из модельных объектов для исследования закономерностей этого процесса и лежащих в его основе молекулярных механизмов используется щетиночный узор нотума Drosophila melanogaster. Узор образован 11 парами внешних сенсорных органов — макрохет, занимающих строго фиксированные позиции на теле мухи. Число и постоянство расположения макрохет позволяют присвоить каждой из них персональное название, а сам признак использовать в качестве одного из критериев таксономической классификации.

Сенсорный орган взрослой мухи состоит из четырех специализированных клеток: щетинко-вой, гнездовой, нейрона и клетки оболочки нерва. Все они происходят из одной клетки-предшественницы — родительской клетки сенсорного органа. Каждая такая клетка обособляется из пронейральных кластеров — групп из 20—30 эктодер-мальных клеток имагинальных дисков, отличительной особенностью которых является наличие

белков Achaete и Scute (AS-C) (Romani et al., 1989; Cubas et al., 1991; Skeath and Carroll, 1991; Gomez-Skarmeta et al., 2003). Для каждого сенсорного органа формируется свой пронейральный кластер. Закладка пронейральных кластеров и последующее выделение родительских клеток происходит на стадии третьего личиночного и раннего куко-лочного возраста. Совокупное расположение пронейральных кластеров и родительских клеток определяет геометрию щетиночного узора на теле взрослой мухи.

Ключевое место в детерминации узора принадлежит гену achaete-scute (ac-sc), который представлен серией ступенчатых аллелей. Мухи-носители различных аллелей характеризуются отсутствием определенных щетинок из стандартного набора. У особей, гетерозиготных по различным мутациям ac-sc, отсутствуют только те щетинки, которые отсутствуют у мух, гомозиготных и по одной, и по другой мутации, и развиваются те из них, которые наличествуют хотя бы у одной из гомозигот.

Феномен ступенчатого аллелизма позволил впервые сформулировать принципиально новый взгляд на ген как на протяженную линейно упо-

рядоченную сложно организованную структурно-функциональную единицу и связать формирование щетинок в строго определенных позициях с его локальной активностью в соответствующих точках эктодермы имагинальных дисков (Dubinin, 1929, 1932). В то же время вопрос о механизмах локальной активации гена achaete-scute оставался открытым. Наибольшее распространение для интерпретации наблюдаемых фенотипических эффектов получила гипотеза Штерна, сформулированная им в 1954 г. (Stern, 1954). В рамках гипотезы постулировалось, что локальная активация гена achaete-scute происходит в ответ на индуцирующее действие т. н. факторов предструктуры, распределенных дискретным образом в эктодерме имагинальных дисков. В зависимости от наличия этих факторов клетки в определенных районах диска приобретают способность к развитию по нейральному пути (Reeves, Posakony, 2005).

На современном этапе развития представлений о морфогенезе макрохет и механизмах становления стереотипного щетиночного узора гипотеза Штерна получила свое подтверждение на молекулярно-генетическом уровне. Была выяснена тонкая организация генного комплекса achaete-scute (AS-C) и идентифицированы транскрипционные факторы, инициирующие его экспрессию — U-shaped (USH), Pannier (PNR), белки генов комплекса iroquois (Araucan, Caupolican и Mirror) и др. (Ruiz-Gomez, Modolell, 1987; Go-mez-Skarmeta et al., 1995; Gomez-Skarmeta et al., 1996; Cubadda et al., 1997; Haenlin et al., 1997; Calleja et al., 2000; Ramain et al., 2000; Calleja et al., 2002; Aldaz et al., 2003; Gomez-Skarmeta et al., 2003; Joshi et al., 2006; Ikmi et al., 2008). Именно с ними отождествляются факторы предструктуры в терминах гипотезы Штерна.

В свою очередь, экспрессия генов u-shaped, pannier и комплекса iroquois изначально определяется своим набором транскрипционных факторов — белков, кодируемых генами сегментации, действующих на ранних стадиях компартмента-лизации имагинальных дисков: Decapentaplegic (DPP), Hedgehog (HH), Engrailed (EN), Invected (INV), Wingless (WG).

Таким образом активация транскрипции AS-C заключает иерархию событий, которая обеспечивается координированным действием генов и генных ансамблей и завершается появлением щетинок в строго определенной локализации (Ruiz-Gomez, Modolell, 1987; Gomez-Skarmeta et al., 1995; Gomez-Skarmeta et al., 1996; Cubadda et al., 1997; Haenlin et al., 1997; Calleja et al., 2000; Ramain et al., 2000; Calleja et al., 2002; Aldaz et al., 2003; Gomez-Skarmeta et al., 2003; Joshi et al., 2006; Ikmi et al., 2008).

В обзоре систематизированы литературные данные, касающиеся генов и белков, прямо или опосредованно определяющих условия инициа-

ции локальной экспрессии генов комплекса acha-ete-scute, и взаимодействий между ними.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИИ КРЫЛОВЫХ ИМАГИНАЛЬНЫХ ДИСКОВ

Основные события, обусловливающие формирование щетиночного узора на нотуме дрозофилы, связаны с крыловыми имагинальными дисками.

Крыловой диск развивается из 20 клеток, уже на стадии клеточной бластодермы предетермини-рованных к тому, чтобы дать начало крыловым структурам и нотуму имаго.

Как оформленная морфологическая структура диск идентифицируется на стадии личинки первого возраста. Вскоре после формирования диска происходит его подразделение на компартменты, границы которых определяют дальнейшую онтогенетическую судьбу находящихся внутри них клеток (рис. 1).

Судьба каждой клетки диска задается набором транскрипционных факторов, которые в ней экс-прессируются. Уже на стадии закладки диска клетки эмбриона различаются содержанием транскрипционных факторов, впоследствии определяющих основные этапы компартментализации: Engrailed (EN), Decapentaplegic (DPP), Distal-less (DLL), Vestigial (VG), Wngless (WG) и Hedgehog (HH) (Held, 2002; Chañas et al., 2004). Схема распределения этих белков в клетках развивающегося зачатка имагинального диска приведена на рис. 2.

На этом этапе локализация белка EN ограничена узкой зоной шириной в одну клетку, тогда как белки DPP, WG и HH такого ограничения не имеют и распределяются по градиенту концентраций в более широкой области. Из области зачатка с наибольшим содержанием DPP, где происходит активация гена vestigial, в дальнейшем разовьется крыловой диск. В остальной части клеток зачатка, где DPP мало или вообще нет, инициируется экспрессия Distal-less. Эта область даст в дальнейшем ножной диск.

Характер распределения транскрипционных факторов на ранних стадиях развития крылового диска создает предпосылки для дифференциальной активности генов, функционирующих на более поздних этапах (в т.ч. и генов AS-C), предопределяя формирование тех или иных морфологических структур имаго, в частности, макрохет.

Первичное выделение компартментов обусловлено дифференциальной экспрессией гена-селектора engrailed (en), а также генов invected (inv) и cubitus interruptus (ci) (рис. 3).

Дальнейшие события компартментализации связаны с созданием градиента концентрации белка DPP, выполняющего функцию морфогена. Область экспрессии соответствующего гена, откуда морфоген диффундирует в окружающие

Рис. 1. Онтогенетическая судьба различных частей крылового имагинального диска. Клетки зон имагинального диска, обозначенных темно-серым и белым цветом, сформируют крыловые структуры (поверхность и шарнир крыла соответственно); клетки области, маркированной светло-серым цветом — нотумную часть полуторокса имаго (Crick, Lawrence, 1975; Garcia-Bellido, 1975; 2009). (а) — схематическое изображение крылового имагинального диска; (б) — схематическое изображение правой половины взрослой мухи; (в) — взрослая муха. Черные точки на схемах — места закладки пронейральных кластеров (схема имагинального диска) и места расположения макрохет (схема правой половины взрослой мухи). п-з — переднее-задняя, д-в — дорзо-вентральная оси.

клетки, ограничивается узкой полосой, разделяющей диск на две части (рис. 3а).

Экспрессия dpp в этом районе зависит от транскрипционных факторов HH и EN, причем HH активирует экспрессию dpp, тогда как EN репрессирует ее (рис. 3б). Экспериментально показано, что в клетках, где одновременно присутствуют оба этих фактора, экспрессия dpp запрещена. Однако HH, в отличие от EN, является секретируе-мым белком, способным диффунд

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»