Эмбрионы, гены и эволюция - Рудольф Рэфф

Рис. 10-5. Экспрессия членов гистоновых мультигенных семейств в процессе развития зародыша морского ежа. Толщина поперечных полос схематически отражает уровень синтеза белка или количество присутствующей мРНК. Обратите внимание, что синтез гистонов контролируется путем регуляции как трансляции, так и синтеза мРНК, потому что, хотя запасенные в яйце мРНК имеются в наличии на ранних стадиях развития, немедленной их трансляции не происходит (Newrock et al., 1977; Childs, Maxson, Kedes, 1977-с изменениями; использованы дополнительные данные для определения сроков начала трансляции гистонов на запасенной мРНК: Wells et al., 1981, а также Wells, Cohen, неопубликованные данные).

Переключения не ограничиваются такими белками, как глобины и гистоны, участвующие главным образом в обеспечении внутренних потребностей клетки. Некоторые переключения тесно связаны с морфогенезом. Например, микротрубочки, которым принадлежит ведущая роль в клеточном движении и создании формы клетки, состоят из α- и β-тубулинов, синтез которых обеспечивается небольшими мультигенными семействами. Э. Рэфф (Е. Raff) и ее сотрудники установили, что синтез этих тубулинов в процессе развития дрозофилы регулируется путем переключений. Некоторые виды тубулинов синтезируются на протяжении всего развития, но синтез по меньшей мере одного β-тубулина включается, а затем выключается в течение короткого периода эмбриогенеза. Кемпхьюз и др. (Kemphues et al.) обнаружили существо вание тканеспецифичного β-тубулина, экспрессирующегося только в семенниках. Этот специфичный для семенников β-тубулин необходим для сборки очень специализированной структуры - аксонемы хвоста сперматозоида.

Кафатос (Kafatos) и его сотрудники исследовали роль переключателей мультигенов в морфогенезе на примере белков хориона, образующих оболочку яйца, у шелкопряда. Если рассматривать невзрачную на вид оболочку яйца при помощи сканирующего или обычного электронного микроскопа, то обнаруживается ее изящная поверхностная структура, которая, несомненно, понравилась бы Д'Арси Томпсону. На рис. 10-6 показана поверхность хориона шелкопряда Antheraea polyphemus. Главные особенности строения этой оболочки - выстилающие ее шестиугольники, соответствующие местам, где прежде находились фолликулярные клетки, и выступающие вверх дыхательные структуры, удачно названные аэропилями. Видное на переднем плане углубление - это микропиле, через которое при оплодотворении в яйцо проникает сперматозоид. На поперечном срезе можно видеть, что хорион обладает легкой, но механически прочной структурой, укрепленной внутренними перекладинами. Хорион секретируется слоем фолликулярных клеток, синтезирующих белки; число различных белков хориона, синтезируемых у шелкопряда, приближается к 200. Эти белки можно разбить на пять больших классов, различающихся по молекулярной массе и последовательностям аминокислот. Белки, входящие в каждый класс, кодируются семейством близких генов, но, как показали Джонс и др. (Jones et al.), в пределах надсемейства белков хориона обнаружена, кроме того, значительная близость между ограниченными участками, или доменами, белков, принадлежащих к различным семействам. На близость генов, кодирующих эти белки, указывают также данные Мэрией Гольдсмит (Marian Goldsmith) и ее сотрудников о том, что у тутового шелкопряда Bombyx mori многие гены, кодирующие белки, относящиеся к этим семействам, организованы в три кластера, локализованные в одной и той же хромосоме.

Рис. 10-6. Структура поверхности оболочки яйца шелкопряда Antheraea polyphemus. На переднем плане микропиле с концентрическими рядами выстилающих клеток вокруг, а на заднем плане - многочисленные аэропиле (структуры, обеспечивающие дыхание) (Regier, Mazur, Kafatos, 1980; в этой работе дано подробное описание хориона).

Экспрессия генов, кодирующих белки хориона, регулируется рядом переключений. Сим и др. (Sim et al.) установили, что на ранних стадиях развития хориона преобладает синтез членов трех семейств белков с высокой молекулярной массой, а на средних и поздних стадиях-синтез белков, относящихся к двум семействам с низкой молекулярной массой. При помощи соответствующих проб, состоящих из клонов рекомбинантной ДНК генов хориона, Симу и др. удалось выявить виды мРНК, соответствующие клонированным генам. Изменяющийся спектр синтезируемого белка отражает изменения спектра синтезируемой мРНК в фолликулярных клетках.

Два наблюдения, сделанные недавно в лаборатории Кафатоса, убеждают в том, что гены, детерминирующие развитие хориона, близки не только эволюционно и функционально; они, кроме того, расположены в определенном порядке, координирующем их экспрессию. У тутового шелкопряда Bombyx mori известна мутация, которая приводит к развитию дефектного хориона в результате делеции участка ДНК, содержащего примерно половину генов хориона. Утрачиваемые при этом гены относятся главным образом к тем, которые экспрессируются на поздних стадиях хориогенеза, позволяя предполагать, что гены собраны в кластеры в зависимости от сроков их экспрессии. Использование клонов ДНК, полученных путем рекомбинации фрагментов ДНК, которые содержат более одного гена, специфичного для хориона, дало возможность Джонсу и Кафатосу исследовать генную организацию с точки зрения временной регуляции экспрессии. Расположение генов в двух таких клонах показано на рис. 10-7. Эти два клона содержат различные гены, но в каждом клоне имеется по две копии этих генов. Гены эти принадлежат к разным подсемействам хорионных генов, но их экспрессия координирована. Гены, изображенные на рис. 10-7 в верхнем фрагменте, используются в середине хориогенеза, а гены нижнего фрагмента - в конце этого процесса. В обоих случаях физически смежные пары генов, по-видимому, остаются сцепленными при транскрибировании и между каждой парой находится общий для них регуляторный элемент.

Рис. 10-7. Расположение двух совместно реагирующих наборов генов, кодирующих белки хориона. Показаны два клона, несущие собранные в кластеры гены белков хориона шелкопряда. Гены 18 и 401 кодируют два различных белка, синтезируемые на поздней стадии сборки хориона, а гены 10 и 292 - еще два разных белка, синтезируемые в середине Периода сборки хориона. Транскрипция этих спаренных генов, разделенных коротким 5'-спейсером (белые участки), происходит в противоположных направлениях. В каждом гене есть небольшая 5'-кодирующая последовательность (черные участки), за которой следует большой интрон (пунктир). Повторяющиеся гены и окружающие их последовательности образуют кластеры. Штриховкой показаны отдельные спейсерные участки, положение которых в спейсерах варьирует (Jones, Kafatos, 1980).

В процессе эволюции строение хориона у близких видов шелкопрядов претерпело разнообразные изменения. Примером служат хорионы Anthemea polyphemus и A. pernyi (рис. 10-8). Эти виды дивергировали, возможно, еще 10-30 млн. лет назад; эта оценка, однако, несколько сомнительна ввиду недостатка палеонтологических данных по этим крупным бабочкам, что, впрочем, неудивительно. Возникло ли изменение морфологии хориона в результате изменения самих структурных генов, кодирующих белки хориона, или изменения в регуляции их экспрессии? Эксперименты, проведенные недавно в лаборатории Кафатоса, показали, что эти гены действительно изменились, но в ограниченных пределах. Морфологические различия отражают главным образом различия в генной экспрессии. Относительные сроки экспрессии генов хориона у обоих видов Antheraea оказались одинаковыми, что особенно интересно, учитывая, какое большое значение имеют относительные сроки наступления различных процессов для изменений развития в ходе эволюции. Различия в экспрессии генов хориона носят количественный характер, выражаясь в резких различиях количеств некоторых мРНК хориона.

Рис. 10-8. Поверхность хориона у яиц двух видов Antheraea. А. Поверхность хориона A. polyphemus. Микропиле находится в центре расширения на темной полосе, опоясывающей яйцо. Две широкие белые полосы образованы аэропилярными структурами. Широкие участки по обе стороны от них лишены этих структур. Б. Поверхность хориона A. pernyi, целиком покрытая аэропилярными структурами (Подробные описания структуры хориона см. Kafatos et al., 1977, и Regier et al., 1980; фотографии любезно предоставлены G. Mazur и F. С. Kafatos)

У генов, кодирующих белки хориона, возникают мутации, помогающие выявить функции этих переключающихся генов в морфогенезе. Белки хориона у Drosophila melanogaster кодируются гораздо менее многочисленным семейством генов, чем у шелкопрядов, - в него входит, вероятно, всего 20 генов. Мутация одного из этих генов, недавно рассмотренная Дайган (Digan) и ее сотрудниками, приводит к нарушению морфологии хориона, указывая на то, что по крайней мере один из белков хориона играет какую-то роль в организации его структуры.