ОНТОГЕНЕЗ, 2011, том 42, № 1, с. 3-19
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ
УДК 574.24
ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ УСТОЙЧИВОСТИ РАННЕГО ЭМБРИОНАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ПЛОДОВОЙ МУШКИ ДРОЗОФИЛЫ1
© 2011 г. С. Ю. Суркова1, В. В. Гурский2, Дж. Райниц3, М. Г. Самсонова1
1 Отдел компьютерной биологии Центра перспективных исследований Санкт-Петербургского политехнического университета, 195251 Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29 2 Физико-технический институт РАН, 194021 Санкт-Петербург, Политехническая ул., 26 3Университет Чикаго, IL 60637-1546 Чикаго, США E-mail: surkova@spbcas.ru
Биологические организмы хорошо адаптируются к изменению внешних условий и устойчивы к потенциальным повреждениям, таким, как мутации. Эпигенетический механизм подавления феноти-пической вариабельности в процессе развития получил название канализации. Данная работа представляет собою краткое обобщение результатов исследований, в которых экспериментальный и теоретический подходы были использованы для выяснения механизмов канализации вариабельности экспрессии генов сегментации.
Ключевые слова: биология развития, математическое моделирование, канализация развития, дрозофила, сегментация.
ВВЕДЕНИЕ
Биологические организмы хорошо адаптируются к изменению внешних условий и устойчивы к потенциальным повреждениям, таким, как мутации. Эпигенетический механизм подавления фенотипи-ческой вариабельности в процессе развития получил название канализации.
Гипотеза о канализации экспрессии генов в процессе развития была выдвинута в 40-х годах ХХ века известным британским ученым Конрадом Уоддинг-тоном (Conrad Waddington). В основу этой гипотезы легло наблюдение о том, что в отличии от мутантов, организмы дикого типа обладают способностью подавлять на уровне фенотипа как генетическую вариабельность, так и вариабельность, обусловленную влиянием окружаюшей среды (Waddington, 1942). Для объяснения этого факта Уоддингтон постулировал, что в организмах, подвергающихся естественному отбору, процессы развития обычно канализированы и что существует конечное число траекторий развития, названных им креодами (Waddington, 1962). Эти траектории регулируются таким образом, чтобы обеспечить один и тот же конечный результат, независимо от вариабельности условий развития. Те. каждый креод должен оставаться стабильным при наличии небольших возмущений (Waddington, 1940, 1957).
1 Работа выполнена при финансовой поддержке грантов
NIH RR07801, АФГиР RUB1-1578, РФФИ 08-04-00712-a,
08-01-00315-a, 10-01-00627-а.
Метафорическим представлением явления канализации явился эпигенетический ландшафт Уод-дингтона, где развивающаяся система представлена горным ландшафтом, состоящим из хребтов и долин, по которому катится шар (рис. 1). Выбор пути развития происходит в точках деления долин в результате действия генов. Каждая долина ландшафта соответствует совокупности сходных траекторий развития. Если шар несильно толкнуть в сторону горного склона, он вернется в ту же долину, где был до этого, но окажется в несколько другой точке, чем до толчка. Эта аналогия позволяет уяснить смысл канализации, которая заключается в том, что в результате воздействия различных факторов (внутренних и внешних, генетических и негенетических) траектория развития может претерпеть изменение, однако это не скажется на ходе онтогенеза. В отличии от гомеостаза, обозначающего стабильность состояния биологической системы, устойчивость путей развития системы Уоддингтон назвал гомеорезом (Waddington, 1957; Saunders, 1993).
В настоящее время существование буферизации генотипической вариабельности на уровне фенотипа доказано как теоретическими, так и экспериментальными исследованиями. Последние позволили обнаружить гены, ответственные за канализацию (Ruterford, Lindquist, 1998; Sollars et al., 2002). Однако модельные системы для изучения канализации до сих пор отсутствуют. Такие системы должны отвечать определенным требованиям. Во-первых, высокая вариабельность компонентов системы должна существенно уменьшаться в процессе развития. Во-
Рис. 1. Эпигенетический ландшафт Уоддингтона. Шар, катящийся по горному склону, является метафорическим представлением клетки. Долины изображают "креоды", или совокупности сходных траекторий в пространстве состояний. Выбор пути развития происходит в точках деления долин в результате действия генов. Рисунок сделан на основе фотографии склона Монблан (© А.М. Самсонов).
вторых, подобное уменьшение вариабельности должно быть собственным свойством системы и не быть обусловленным воздействием других систем организма или внешних факторов.
Система генов сегментации у дрозофилы (Akam, 1987) полностью отвечает этим двум требованиям. Во-первых, естественным свойством этой системы является уменьшение фенотипической вариабельности в ходе развития (Surkova et al., 2008). Таким образом, в систему не нужно вносить искусственные возмущения для изучения буферизации вариабельности. Кроме того, для этой системы получены высокоточные количественные данные по экспрессии генов сегментации во времени и пространстве (Суркова и др., 2008). Детальный анализ этих данных показал, что экспрессия зиготических генов сегментации у индивидуальных эмбрионов высоко вариабельна в цикле 13 и раннем цикле 14А. Эта вариабельность проявляется в изменчивости уровней экспрессии генов, вариабельности порядка, типа и времени формирования индивидуальных областей экспрессии, а также в вариабельности положения этих областей. Все эти типы вариабельности канализируются в конце цикла 14А, перед началом гаструляции в стабильные картины экспрессии, обладающие значительно меньшей вариабельностью (Surkova et al., 2008). Уменьшение вариабельности перед гаструляцией имеет важное биологическое значение, т.к. картины экспрессии генов wingless и
engrailed, которые определяют позиции первичных компартментов тела дрозофилы (парасегментов), имеют ширину всего лишь в одно ядро. и являются мишенями зиготических генов gap и pair-rule.
Из всех типов вариабельности зиготических генов сегментации наибольший интерес представляет вариабельность положения границ областей экспрессии. Канализация вариабельности положения этих границ прежде всего выражается в том, что высокая вариабельность экспрессии материнского гена bicoid (bcd) в несколько раз уменьшается на уровне экспрессии зиготических генов gap и pair-rule, регулируемых Bcd. Экспрессия bcd представляет собой антеропостериорный градиент, большое количество экспериментальных данных свидетельствуют о том, что Bcd является морфогеном (Driever, Nusslein-VOl-hard, 1988). В простейшем представлении модели французского флага, границы областей экспрессии генов-мишений должны формироваться в позициях фиксированных пороговых концентраций этого морфогена (Wolpert, 1969). Вопрос о механизмах уменьшения, или фильтрации вариабельности Bcd на уровне генов-мишеней оставался открытым.
Из всех границ областей экспрессии генов-мишеней Bcd наибольшее внимание исследователей было уделено низкой вариабельности задней границы антериорной области экспрессии гена hunchback (hb) (Houchmanzadeh et al., 2002, 2005; Gregor et al., 2007a; Hardway et al., 2008; He et al., 2008) (рис. 2д, е).
Однако, в большинстве случаев, hb рассматривался исключительно как мишень Bcd, без учета его взаимодействий с другими зиготическими генами. Это некорректно, т.к. положение его границы смещается у эмбрионов, мутантных по giant (gt), Kruppel (Kr), Kr;kni и у эмбрионов с отсутствием белка Nanos (Houchmanzadeh et al., 2002, Clyde et al., 2003). Таким образом, чтобы выявить механизмы канализации позиционной вариабельности в системе сегментации, необходимо принимать во внимание все генные взаимодействия, обеспечивающие формирование паттерна во времени и пространстве.
Данная работа представляет собою краткое обобщение результатов наших исследований, в которых экспериментальный и теоретический подходы были использованы для выяснения механизмов канализации вариабельности экспрессии генов сегментации (Surkova et al., 2008; Manu et al., 2009a, b). В качестве теоретического подхода в этих работах использовали математическое моделирование. Математическое моделирование позволяет реконструировать механизмы регуляции in silico и доказать достаточность найденных регуляторных механизмов без проведения экспериментов по реконструкции системы ab initio. Другой важной особенностью математического моделирования является его способность проследить in silico динамику вкладов всех регуляторов в регуляцию каждого гена исследуемой биологической системы. Современные экспериментальные методы не позволяют получить такую информацию в одном эксперименте: обычно информацию о функции гена в системе получают по результатам инактивации его при мутациях, а структура сети генов реконструируется на основании большого количества подобных экспериментов.
Важно подчеркнуть, что концепция эпигенетического ландшафта Уоддингтона появилась под влиянием теории динамических систем, в наибольшей мере связанной с именем Анри Пуанкаре (Henri Poincare). Динамическая система составляет систему связей, описывающую эволюцию переменных системы во времени и их зависимость друг от друга. В каждый момент времени система может быть представлена одной точкой в многомерном пространстве состояний (фазовом пространстве), оси которого представляют значения каждой из переменных системы. Каждая точка в пространстве состояний ассоциирована с вектором, представляющем направление и скорость эволюции системы, начиная с этой точки. Несколько изолированных точек будут являться "аттракторами", к которым система будет двигаться спонтанно с течением времени (Thom, 1983). Состояния аттрактора локально стабильны относительно небольших возмущений системы, и по этой причине было предложено, что конечные типы клеток являются аттракторами. Эпигенетический ландшафт Уоддингтона — это метафорическое представление динамической системы, в которой оси — это концентрации всех субстан-
ций, или всех генных продуктов в клетке. Все клетки эмбриона будут развиваться в соответствии с теми же законами, но из-за разницы в индуцирующих сигналах
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.