4а Западный и центральный регионы раннего эмбриона дрозофилы маркированы белками двух генов развития (зоны зеленого и красного цвета; область их перекрывания выглядит желтой). Каждый маленький кружок соответствует ядру клетки.
4b На следующей стадии эмбрион дрозофилы подразделяется на пары сегментов с помощью белков нескольких генов развития, которые экспрессируются полосками. соответствующими парам будущих сегментов.
4с Далее эмбрион подразделяется на отдельные сегменты с помощью белков генов развития, маркирующих задний край каждого будущего сегмента. Фотографии 4а-4с предоставлены Джимом Ленжлендом и Стивом Пэддоком.
4d Зоны экспрессии Hox-генов устанавливаются вдоль оси восток-запад. Здесь показана локализация белков четырех Hox-генов (они обозначены четырьмя цветами).
Фотография предоставлена Нипалом Пателом, Калифорнийский университет в Беркли.
Параллели, ось север — юг
В то время как ось восток — запад делится на сегменты, ось север — юг начинает разбиваться на параллели при участии другого набора генов развития. Во многом так же, как первая группа меридиональных генов, первая группа широтных генов размечает обширные зоны эмбриона: северную, экваториальную и южную (вкладка 4е).
Параллели эмбриона не соответствуют повторяющимся модулям, но некоторые из них очерчивают границы будущих зародышевых листков эмбриона. Например, все клетки, экспрессирующие ген, показанный на вкладке 4e, в процессе гаструляции окажутся внутри эмбриона и сформируют средний зародышевый листок, или мезодерму, из которой позднее разовьются мышцы и другие ткани. Клетки, расположенные к северу от них в области экватора, переместятся к югу и сформируют эпидермис брюшной стороны животного и нервный тяж.
Миры в мире: гены развития намечают расположение будущих органов и конечностей
Когда параллели и меридианы нанесены, а интервалы между ними уточнены, появляется информация, позволяющая определять положение на теле эмбриона с учетом обеих осей. Теперь можно размещать органы и другие структуры, и тут берутся за дело ключевые гены развития, ответственные за построение органов. В зависимости от количества будущих структур каждого типа, задается одна или несколько пар координат, маркирующих положение "строительных площадок".
Например, в грудном отделе дрозофилы располагаются три пары ног — по одной паре на каждый сегмент. В развивающемся эмбрионе ответственный за построение конечностей мастер-ген Distal-less (вспомните третью главу) включается в нескольких местах — ближе к южному окончанию трех сегментов, расположенных в западной части эмбриона (вкладка 4f, внизу). Обратите внимание, что в восточных сегментах Dll не активируется. Причина заключается в том, что Hox-белки строго контролируют ситуацию в каждом сегменте и не позволяют гену Dll включиться восточнее области груди (здесь формируются брюшные сегменты, не имеющие ног).
У дрозофилы две пары крыльев, и можно увидеть, как мастер-ген, вовлеченный в формирование крыла, получает сигнал включиться только в клетках, расположенных к северу от того места, где ген Dll помечает место создания будущих ног во втором и третьем грудных сегментах, но не восточнее (вкладка 4f, вверху). Относительное расположение зачатков крыльев и ног соответствует относительному расположению этих конечностей на теле взрослой дрозофилы (крылья на спине, ноги на брюхе).
Будущие ноги и крылья на этом этапе еще совсем крошечные: в одной конечности едва наберется 15-20 клеток. Но за несколько дней они вырастают в тысячу раз и становятся больше, чем был весь эмбрион в тот момент, когда они начали формироваться. В дальнейшем эти структуры станут отдельными частями тела. Их организация зависит от новой системы координат теперь уже в самом крыле, ноге или каком-либо органе. Эта внутренняя система координат устанавливается, когда часть тела еще только намечается. Клетка получает информацию о том, в какой части сегмента она находится, и по мере роста структуры эта информация уточняется. Например, небольшой кластер из 20 клеток крыла разрастется до 50 000 клеток, ограниченных зонами экспрессии генов развития с запада (перед), востока (зад), севера (спина) и юга (брюхо) (вкладка 4g). Линии широты и долготы внутри этих структур служат как для обозначения физических границ (например, для маркировки края крыла), так и для нанесения разметки, по которой пройдет дальнейшая детализация структуры.
Система координат в растущей конечности достаточно подробная, чтобы установить расположение и функцию рядов, кластеров и даже отдельных клеток. Например, крыло дрозофилы имеет две характерные особенности — сеть жилок, которые придают крылу жесткость при быстрых движениях в полете, а также ряды сенсорных щетинок на переднем крае крыла. Положение жилок и расстояние между ними задаются генами развития задолго до того, как эти жилки начинают формироваться, примерно за неделю до того, как муха впервые полетит. Ряды щетинок на передней части крыла располагаются особым образом относительно обеих осей крыла: они формируются по обе стороны от экватора, но не на восточной половине крыла. Гены, которые помогают построить щетинки, активируются в этих координатах задолго до того, как щетинки становятся заметны (вкладка 4h).
4е Координаты широты в раннем эмбрионе определяются генами развития. экспрессирующимися в южной (вверху) экваториальной (в центре) и в северной (внизу) зонах эмбриона. Фотография предоставлена Майком Левайном, Калифорнийский университет в Беркли.
4f Будущее расположение конечностей намечается за счет белков генов развития, которые синтезируются в областях эмбриона, имеющих определенные широту и долготу. Например, два разных белка намечают расположение будущих передних и задних крыльев (П и З соответственно) и ног (Н). Фотография Скотта Уэзерби.
4g За счет белков различных генов развития определяются верхняя (красная) и нижняя (пурпурная) поверхности, а также передняя (слева) и задняя (справа от вертикальной зеленой линии) зоны будущего крыла. Каждое маленькое пятнышко соответствует ядру клетки крыла. Фотография Джима Уильямса и Стива Пэддока.
4h В определенных координатах крыла включаются гены развития, способствующие формированию определенных структур. Здесь показан белок одного из генов развития (области зеленого и желтого цвета), который способствует формированию щетинок на будущем краю крыла (там, где заканчивается красная область). Фотография Сета Блера Университет Висконсина.
