ОНТОГЕНЕЗ, 2012, том 43, № 3, с. 163-174
БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ БЕСПОЗВОНОЧНЫХ
УДК 575
ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ГЕННОЙ СЕТИ, КОНТРОЛИРУЮЩЕЙ РАЗВИТИЕ ДОРЗАЛЬНЫХ ВЫРОСТОВ ХОРИОНА ЯИЦ
Drosophila melanogaster
© 2012 г. Е. С. Омелина, Э. М. Баричева
Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск, 630090
E-mail: omelina@bionet.nsc.ru
Поступила в редакцию 28.03.11 г.
Окончательный вариант получен 09.06.11 г.
Формирование дорзальных выростов хориона — специализированных структур яйца D. melanogaster, имеющих вид эластичных трубок и обеспечивающих дыхание развивающегося эмбриона, представляет собой привлекательную модель для изучения генетических механизмов развития органов и тканей, в основе формирования которых лежит преобразование эпителиальной ткани в трубчатые структуры. В данном обзоре представлена информация о генах и белках, контролирующих развитие дорзальных выростов хориона. Показано, что в формировании дорзальных выростов хориона главную роль играют три сигнальных пути EGFR, DPP и NOTCH, которые через ряд компонентов объединяются между собой в единую генную сеть.
Образованная фолликулярными клетками оболочка яйца D. melanogaster представляет собой многослойную белковую структуру, обеспечивающую защиту и взаимодействие эмбриона с внешней средой (Hinton, 1969; Margaritis et al., 1980; Spradling, 1993; Dobens and Raftery, 2000). На переднем крае яйца (рис. 1) располагаются специализированные структуры — микропиле, оперкулум и дорзальные выросты хориона (ДВХ). Микропиле служит для проникновения сперматозоида внутрь яйца, оперкулум обеспечивает выход личинки из яйца. ДВХ, называемые также респираторными филаментами, представляют собой длинные пористые трубки, которые, удерживая яйцо на поверхности корма, обеспечивают дыхание развивающегося эмбриона (Spradling, 1993). Развитие передних дорзальных структур яйцевой оболочки контролируется продуктами многих генов, большинство из которых являются эволюционно-кон-сервативными.
В данной работе рассматриваются гены и сигнальные пути, контролирующие формирование ДВХ. В норме ДВХ состоят из двух частей — ножки (stalk) и расширенной части, называемой лопастью (paddle) (рис. 1). ДВХ формируются из фолликулярных клеток, расположенных на переднем конце ооцита. Процесс формирования ДВХ делится на два этапа: структурирование фолликулярных клеток и морфогенез (Berg, 2005). В течение первого этапа, т.е. до стадии 10B (стадии развития яйцевой камеры даны в соответствии с (King, 1970) идет образование различных клеточных типов, покрывающих яйцевую камеру и формирующих буду-
щую оболочку яйца. Со стадии 10В начинается морфогенез ДВХ, во время которого две группы из 65—70 фолликулярных клеток отделяются от ооцита и начинают направленную миграцию, синтезируя дорзальные выросты хориона. В дальнейшем (стадия 13) дорзальные фолликулярные клетки прекращают миграцию, но продолжают секрети-ровать белки хориона, что приводит к утолщению ДВХ (Berg, 2005).
Формирование ДВХ осуществляется при согласованном действии трех сигнальных путей EGFR, DPP и NOTCH (Dobens and Raftery, 2000).
Рис. 1. Передние дорзальные структуры оболочки яйца, отложенного самкой D. melanogaster дикого типа. О — оперкулум, М — микропиле, Н — ножка (stalk) ДХВ, Л - лопасть (paddle) ДВХ.
I* *
ПК ПК
Ш* '
ПК
Рис. 2. А. Распределение белка GRK в переднем дорзальном углу ооцита яйцевой камеры дикого типа на стадии 10В, выявленное с помощью моноклональных антител anti-GRK (1D12 из Hybridoma Bank). Локализация белка GRK отмечена стрелками. Б. Схематическое изображение клеток, дающих начало ДВХ, в передней дорзальной части ооцита на поздней стадии 10В. Темно-серым показаны выстилающие (RHO) клетки, светло-серым — покровные (BR) клетки. Впереди и между двумя областями данных клеток находится Т-область (из (Ward et al., 2006) с модификациями). O — область ооцита, ПК — область питающих клеток.
®
Рис. 3. Схема сигнального пути БОБК. Серым цветом показаны лиганды БОБК. Объяснения в тексте. Стрелками с острыми концами показаны процессы активации, стрелками с тупыми концами — процессы репрессии (из О&коЪу е! а1., 2005) с модификациями).
СИГНАЛЬНЫЙ ПУТЬ EGFR ОБУСЛОВЛИВАЕТ НАЧАЛО ФОРМИРОВАНИЯ ДОРЗАЛЬНЫХ ВЫРОСТОВ ХОРИОНА
Начало формирования ДВХ определяется секрецией в передней части ооцита белка GURKEN (GRK), относящегося к TGF-a классу трансформирующих фактора роста (Neuman- Silberg and Schupbach, 1993) и являющегося лигандом рецептора эпидермального фактора роста (epidermal growth factor receptor, EGFR). мРНК гена grk впервые выявляется на самых ранних этапах развития яйцевой камеры в районе 2В гермария (Neuman-
Silberg and Schupbach, 1993, 1996). На стадиях 8-10 транскрипты гена grk выявляются в переднем дорзальном углу ооцита вблизи ядра, где их распределение совпадает с локализацией белка GRK. На стадиях 10-12 распределение белка GRK отличается от расположения транскриптов, и белок занимает протяженную полосу, затрагивающую более половины длины дорзальной срединной линии ооцита (рис. 2А), тогда как транскрипты grk располагаются в менее протяженной области, локализуясь непосредственно возле ядра ооцита (Neuman-Silberg and Schupbach, 1996). Локализация РНК гена grk чрезвычайно важна для правильного формирования ДВХ (Hsu et al., 1996). Строго определен-
О
ная картина распределения мРНК grk ограничивается (рис. 3) действием продукта гена female sterile (1) K10 (fs(1)K10) (Prost et al., 1988; Forlani et al., 1993), активность генов spire (spir), cappuccino (capu), oo18 RNA-binding protein (orb) и squid (sqd) предотвращает распространение мРНК grk на вентральную сторону ооцита (Manseau and Schupbach, 1989; Neuman-Silberg and Schupbach, 1993; Chris-terson and McKearin, 1994; Roth and Schupbach, 1994).
Передача сигнала GRK соседним фолликулярным клеткам через EGFR активирует EGFR сигнальный путь (рис. 3), что обусловливает начало формирования ДВХ (Price et al., 1989; Schejter and Shilo, 1989; Neuman-Silberberg and Schupbach, 1993, 1994; Queenan et al., 1997). Активность EGFR сигнального пути контролирует ряд транскрипционных факторов, сигнальных молекул и генов, необходимых для морфогенеза яйцевой оболочки (Dobens and Raftery, 2000; Cavaliere et al., 2008; Wu et al., 2008; Yakoby et al., 2008). В процессе формирования ДВХ GRK запускает две петли положительных и три петли отрицательных обратных связей, которые регулируют активность EGFR пути в клетках фолликулярного эпителия (Yakoby et al., 2005). Первая петля положительной обратной связи обусловлена связыванием лиганда GRK с EGFR и передачей данного сигнала через RAS/ RAF/ MEK/ MAPK каскад (Brand and Perrimon, 1994; Ray and Schupbach, 1996), что приводит к экспрессии в передних дорзальных фолликулярных клетках гена mirror (mirr), кодирующего одноименный транскрипционный фактор (Nilson and Schupbach, 1999; Zhao et al., 2000). В свою очередь MIRR активирует транскрипцию гена rhomboid (rho), продукт которого расщепляет второй лиганд EGFR — SPITZ (SPI), запуская таким образом другой раунд передачи EGFR сигнала внутри фолликулярных клеток (Schweitzer et al., 1995; Golembo et al., 1996; Sapir et al., 1998; Jordan et al., 2000). Транскрипционный фактор MIRR также действует как репрессор транскрипции гена fringe (fng), активность которого в фолликулярных клетках важна для правильного формирования ДВХ, поскольку самки fng-мутантов откладывают яйца с ДВХ в разной степени слитыми между собой (Zhao et al., 2000a, b).
С компонентами первой петли положительной обратной связи взаимодействуют продукты генов Chorion factor 2 (Cf2) и pointed (pnt) (рис. 3). В отсутствие экспрессии Cf2 происходит избыточное накопление материала ДВХ, приводящее к формированию ДВХ неправильной формы (Hsu et al., 1996). Супрессия Cf2, вероятно, происходит с участием MAPK, однако не исключено, что EGFR напрямую ингибирует Cf2 (пунктирная линия от EGFR на рис. 3). CF2 напрямую или опосредованно (через некоторый фактор A) репрессирует ген rho (Ruohola-Baker et al., 1993; Hsu et al., 1996).
Ген pnt, который кодирует содержащий ETS-домен одноименный транскрипционный фактор, также необходим для правильной миграции фолликулярных клеток в процессе формирования ДВХ (Zartman et al., 2009). Экспрессия pnt в дорзальных фолликулярных клетках зависит от активности генов grk, egfr и fs(1)K10 (Wieschaus et al., 1978; Morimoto et al., 1996). Возможно, действие этих генов на экспрессию pnt осуществляется не напрямую, а опосредованно через предполагаемый транскрипционный фактор (фактор B на рис. 3). Было показано, что PNT в свою очередь регулирует экспрессию компонентов EGFR сигнального пути, т.к. получены предварительные результаты, свидетельствующие о прямом или опосредованном влиянии PNT на экспрессию rho. Поскольку многие белки, содержащие ETS-домен, нуждаются в наличии партнера для выполнения своих функций (Wasylyk et al., 1993), предполагается существование некоторого дополнительного фактора C и для функционирования PNT Возможно, PNT образует еще одну ингибиторную ветвь EGFR пути. Однако не исключено, что PNT обеспечивает перенос информации из другого сигнального пути (Morimoto et al., 1996).
Вторая (короткая) петля положительной обратной связи EGFR сигнального пути (рис. 3) зависит от транскрипционной активности гена vein (vn), кодирующего третий лиганд EGFR, который, вероятно, является более слабым лигандом, чем GRK и SPI (Wasserman and Freeman, 1998). Активность vn зависит от EGFR сигнала — vn эктопически экспрессируется в яйцах fs(1)K10-мутантов и отсутствует у grk-мутантов. При этом транскрипция vn напрямую контролируется EGFR сигналом. Последовательная передача сигнала от VN к EGFR и обратно является необходимой для правильного развития структур яйцевой оболочки, в частности для формирования ДВХ (Wasserman and Freeman, 1998; Peri et al., 1999; Yakoby et al., 2005).
Запускаемая белком GRK первая петля отрицательной обратной связи (рис. 3) зависит от белка ARGOS (AOS). Экспрессия гена aos, кодирующего данный белок, контролируется белком SPI. В отсутствие последнего экспрессия
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.