Спецификация повторяющихся модулей
Две пары крыльев дрозофилы очень сильно различаются по форме и функции. Передние крылья широкие, плоские, укреплены жилками и намного сильнее задних. Задние крылья гораздо меньше, имеют закругленную форму, без жилок. Их функция — удерживать муху в равновесии, корректируя высоту и угол движения в полете (дрозофилы без задних крыльев врезаются в землю). Развитие задних и передних крыльев начинается похожим образом. Система координат в двух типах крыльев совершенно одинаковая (если судить по картине экспрессии генов; вкладка 4i). Однако у взрослой особи задние и передние крылья очень сильно различаются по размеру, форме и функциональным характеристикам.
Различие между задними и передними крыльями, формирующимися в двух соседних сегментах (т.е. на разной долготе), связано с активностью Hox-гена, называемого Ultrabithorax (Ubx). Этот Hox-ген активируется во всех клетках задних крыльев, а в передних — нет (вкладка 4j). Действие Гена (Ubx модифицирует программу развития задних крыльев таким образом, что экспрессия набора генов, обеспечивающих разметку крыла, подавляется, а другие гены начинают работать очень специфически. К примеру, в задних крыльях не активируются гены, участвующие в образовании жилок, а "гены щетинок" не активируются вдоль передней кромки крыльев. Различие в развитии передних и задних крыльев в результате действия гена Ubx иллюстрирует, каким образом фундаментальная особенность строения животных, а именно, дифференцировка сериально повторяющихся частей, контролируется Hox-генами в регионах, имеющих специфические координаты относительно передне-задней оси тела. Принцип, на котором основано построение тела дрозофилы, распространяется и на нас с вами.
4i Переднее и заднее крылья различаются по размеру но их разметка происходит с помощью белков одних и тех же генов развития (сравните расположение пурпурных, красных и желтых/зеленых участков в обоих крыльях). Фотография Джима Уильямса и Стива Пэддока.
4j Белок одного из Hox-генов определяет различия между передним (второе слева) и задним (первое справа) крылом. Крупный неокрашенный диск на рисунке слева превратится в переднее крыло; ни в одной из клеток этого диска не синтезируется Ultrabithorax (обозначенный желтым цветом). Напротив, во всех клетках, из которых будет формироваться заднее крыло (ярко-желтый диск на втором справа рисунке), этот белок экспрессируется. Фотография Скотта Уэзерби.
Сборка позвоночных животных
Хотя яйца разных позвоночных по размеру и другим характеристикам очень сильно различаются между собой (сравните мелкие яйцеклетки млекопитающих с огромными, покрытыми скорлупой яйцами крупных птиц и пресмыкающихся), а взрослые животные могут быть столь разными, как гуппи и слоны или динозавры, на определенной стадии развития эмбрионы всех позвоночных весьма похожи друг на друга. На этой стадии в направлении восток — запад образуется основная ось тела (голова — хвост), определяется положение различных тканей (ось север — юг), таких как нервная трубка и хорда (плотная струна из специфических клеток, проходящая вдоль спины всех позвоночных), а вдоль тела появляются регулярно расположенные парные бугорки сомитов. Сначала я вкратце расскажу об этапах этого процесса, чтобы проиллюстрировать формирование основного плана строения позвоночных. Эти этапы включают в себя дифференцировку основных осей тела, подразделение головного мозга и формирование сомитов, из которых позднее возникают позвонки, ребра и другие модули основной оси тела. Затем я подробнее остановлюсь на формировании конечностей и покажу, каким образом происходит детализация отдельных элементов формирующейся структуры. Чтобы нарисовать общую картину, я воспользуюсь данными, полученными при изучении лягушек, рыб, мышей и кур. Принципы развития у разных видов очень похожи, но некоторые события легче понять или увидеть на примере каких-то определенных животных. Нам с вами важно получить общее представление о формировании плана строения позвоночного, и мы не будем обращать внимание на отдельные различия в деталях.
Образование осей и слоев тканей эмбриона
Многое из того, что нам известно об образовании осей тела и формировании трех зародышевых листков у позвоночных, впервые было показано в экспериментах на лягушках. Амфибии, как правило, формируют крупные яйцеклетки и откладывают много икринок. Именно поэтому амфибии гораздо лучше подходят для экспериментального изучения, чем млекопитающие с их мелкими, немногочисленными яйцами, которые развиваются внутри организма матери. Хотя после гаструляции все эмбрионы позвоночных имеют сходную организацию, они доходят до этой стадии разными путями, что связано с разным содержанием желтка в яйцеклетке. Но хотя ранние стадии развития эмбриона лягушки отличаются от таковых у эмбриона мыши, наборы генов развития, вовлеченных в дифференцировку осей тела и зародышевых листков, практически одинаковые.
Оси тела и зародышевые листки эмбриона позвоночных возникают в результате каскада процессов, в ходе которых синтез одной молекулы индуцирует синтез другой и т.д. Сначала дифференцируется ось север — юг, затем — ось восток — запад. К ключевым молекулам на этом этапе относится продукт одного из генов развития — белок Chordin (хордин). Он синтезируется клетками в области дорсальной губы бластопора (вкладка 4k). Как показали Шпеман и его ученица Хильда Мангольд, этот регион (регион-организатор) способен организовывать ось север — юг. В формировании оси голова — хвост задействованы другие белки, такие как белок Frzb, который синтезируется там, где позднее возникнет голова эмбриона (вкладка 4l).
Разметка отделов головного мозга
Одним из первых органов, образующихся в ходе развития эмбриона, является нервная трубка. Позднее эта трубка дает начало головному и спинному мозгу. Головной мозг сначала разделяется на три основных отдела — передний, средний и задний мозг. Дальше эти отделы подразделяются на доли, ответственные за различные функции — от обоняния и зрения до контроля таких непроизвольных процессов, как дыхание и сердцебиение. Еще до того, как подобное подразделение головного мозга станет заметно, и задолго до того, как каждый отдел начнет выполнять свою функцию, гены развития начинают размечать участки нервной трубки, которым предстоит стать отделами мозга. Например, один ген экспрессируется в той части, которая станет передним и средним мозгом, а другой маркирует задний мозг и границу среднего и заднего мозга. К востоку от этой границы возникает мозжечок.
Другие гены развития экспрессируются в виде полос, которые отмечают положение и границы ромбомеров — семи подотделов заднего мозга, имеющихся у всех позвоночных. Некоторые полосы распространяются на пары соседних ромбомеров, другие отмечают пары альтернативных ромбомеров (вкладка 4m). Отдельные модули заднего мозга разграничиваются за счет экспрессии Hox-генов. Вспомните, что большинство позвоночных имеют четыре кластера Hox-генов. Кластеры принято обозначать буквами а — d, а гены внутри кластеров — номерами (1-13). В заднем мозге экспрессия соседних Hox-генов маркирует отдельные ромбомеры и перекрывающиеся группы ромбомеров, как показано на вкладке 4n. В частности, ген Hoxa2 экспрессируется в ромбомерах (г) r2 — r4, ген Hoxb2 — в ромбомерах r3 — r4, ген Hoxb1 — только в r4, ген Hoxb3 — в r5 и r6, а ген Hoxb4 — в r7 и восточнее, в области спинного мозга. Этих пяти генов достаточно, чтобы создать уникальный "Hox-код" для каждого ромбомера от г2 до r7. Другие гены маркируют r1 (будущий мозжечок). Та же самая логика — сначала сформировать набор идентичных модулей, а затем сделать их отличающимися друг от друга, — применяется и в ходе формирования и дифференцировки модульного плана строения позвоночного животного.
