научная статья по теме ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ УСТОЙЧИВОСТИ РАННЕГО ЭМБРИОНАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ПЛОДОВОЙ МУШКИ ДРОЗОФИЛЫ Биология

Текст научной статьи на тему «ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ УСТОЙЧИВОСТИ РАННЕГО ЭМБРИОНАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ПЛОДОВОЙ МУШКИ ДРОЗОФИЛЫ»

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.

Показать целиком