Генетическая регуляция онтогенеза

Изучение процессов индивидуального развития методами генетики имеет, по сути дела, две задачи: выяснить как генетическая изменчивость, меняя процессы онтогенеза, создает материал эволюции и выяснить, как и насколько генотип определяет нормальное развитие организма.

По распространенному в современной литературе представлению, в основе каждого из событий раннего развития, приводящего в конечном итоге к формированию взрослого организма, лежит активность т. н. «ключевого» гена(Рэфф, Кофмэн, 1989; Wilkins, 2001). Поскольку все события раннего онтогенеза животных образуют причинно-следственную цепь, называемую «путем развития», то каскад активности «ключевых» генов, обеспечивающих функционирование этой цепи, называется «генетическим путем развития ».

Роль ключевых генов часто отводится гомеобокс-содержащим генам. Эти гены содержат высоко консервативную нуклеотидную последовательность, и кодируют полипептид, являющийся транскрипционным фактором, способным связываться с ДНК (в области промотора) и, таким образом, регулировать активность других генов. К настоящему времени описано уже несколько семейств гомеобокс-содержащих генов. Некоторые из них расположены на хромосоме в виде кластера. Наиболее известное из этих семейств— семейство НОХ-генов, представители которого были клонированы у Drosophila melanogaster в начале 80-х годов XX в. Поскольку мутации HOX генов проявляются как серьезные нарушения фенотипа, они были описаны еще в конце XIX в.

На основании мутационного анализа был сделан вывод о том, что го- меобокс-содержащие гены ответственны за нормальную последовательность сегментов тела и морфологию развивающихся на этих сегментах структур у насекомых. Впоследствии гены, имеющие последовательность, практически идентичную последовательностям гомеобокс-генов Drosophila (ортологи гомеобокс-генов Drosophila) были клонированы у множества других, в том числе и у несегментированных животных, принадлежащих к самым разным таксономическим группам. В 1989 г. была обнаружена т. н. «колинеарность» —совпадение последовательности расположения генов вдоль хромосомы с пространственной последовательностью зон экспрессии этих генов вдоль передне-задней оси эмбриона. Явление колине- арности впервые было описано для кластера HOX генов дрозофилы и их ортологов у мыши.

После этого открытия и появилось представление о ключевых генах развития, которые ответственны не только за правильную сегментацию тела насекомых, но и за создание «разметки», детерминирующей план строения эмбриона любой таксономической группы. В соответствии с этим представлением, эволюция онтогенеза сводится, в первую очередь, к изменению набора ключевых генов (например в результате дупликации) и к появлению новых генетических путей развития (Гилберт, 1993).

Возникают следующие вопросы — почему при консервативности ключевых генов мы наблюдаем такое разнообразие конечных результатов развития и почему в формирование негомологичных структур вовлечены ортологи одних и тех же ключевых генов? Один из наиболее интересных примеров подобного явления — консервативность генетического пути развития глазных структур. Еще в 20-х годах XX в. исследовательская группа Т. X. Моргана обнаружила у дрозофилы мутацию eyelless, выражающуюся в редукции или отсутствии одного или обоих глаз.

Появилось предположение, что Рах-6 и его ортологи представляют собой MASTER GENES, управляющие развитием глазных структур. Учитывая, что глаза головоногих моллюсков, позвоночных и членистоногих негомологичны (возникали независимо в ходе эволюции), факт консервативности генетического пути, ключевым геном которого является Рах-6, требует

объяснения. При более подробном изучении особенностей экспрессии этого гена выявилось несколько интересных закономерностей. Во-первых, Рах-6 и его ортологи экспрессируются далеко не только в зоне формирования глаз. Их продукты присутствуют и во многих других отделах центральной нервной системы, т. е. эти гены, как и все остальные гомеобокс-содержащие гены, плейотропны. Во-вторых, активности ортологов Рах-6 недостаточно для формирования глаза «где угодно» —во многих тканях эктопическая экспрессия этого гена не дает никаких результатов. Следовательно, кроме «инструкций», получаемых тканью от продукта ключевого гена, для формирования структуры важны свойства самой ткани. В-третьих, Рах-6

и,              по-видимому, его ортологи, являются компонентами сложных полиген- ных сетей, участники которых связаны регуляторными обратными связями и одинаково важны для активации экспрессии структурных белков глаз. Именно поэтому экспрессивность мутации eyeless зависит от генетического фона—признак полигенен уже на уровне связывания факторов транскрипции с промотором структурного гена.

Таким образом выясняется, что вместо линейного каскада активности генов, управляющим элементом которого (MASTER GENE) является Рах-6, существует сложная регуляторная сеть, в которой Рах-6 или его ортологи являются одним из равноправных компонентов. Следовательно, вопрос состоит не в том, почему формирование негомологичных структур остается под контролем одного и того же ключевого гена, а в том, почему в процессе эволюции именно этот плейотропный ген был несколько раз независимо вовлечен в генетическую сеть, связанную с формированием глазных структур. В настоящее время обсуждается несколько гипотез. Наиболее распространенная из них основана на данных о том, что в регуляторной генетической сети, действующей при развитии мышц цыпленка, функционируют гены тех же семейств, что и в генетической сети развития глазных структур. Сконструированы эти сети сходным образом, т. е. представители одного и того же семейства генов занимают в них одно и то же место. На этом факте основана гипотеза самосборки регуляторных сетей за счет специфичности их компонентов — компоненты просто вовлекают друг друга в химические реакции. Тем не менее, эта гипотеза (и ряд других) не являются окончательным ответом на поставленный вопрос. Проблема вовлечения ключевых генов в генетические пути развития структур остается одной из основных в современной молекулярной биологии развития.

При более внимательном сравнительном анализе развития животных, принадлежащих к разным таксонам, выясняется, что функциональная консервативность ключевых генов не так уж и высока.

Во-первых, ключевые гены плейотропны на уровне одного организма, а ортологи одного и того же гена могут экспрессироваться в совершенно разных (негомологичных) структурах у представителей разных таксонов.

Так, гомеобокс-содержащий ген engrailed вовлечен у Drozophila melano- gaster в разметку плана строения эмбриона, в формирование кишечника, в нейрогенез (перечислены далеко не все его роли). Ортолог этого гена у мыши Mus musculus вовлечен в разметку головного мозга и дифферен- цировку сомитов.

Во-вторых, формирование плана строения в одной и той же таксономической группе (например, сегментация насекомых) может быть связана с активностью разных ключевых генов. Так, в формировании передне-задней оси у эмбриона дрозофилы большую роль играет белок — продукт гена Ы- coid, экспрессирующегося во время оогенеза. Этот белок образует градиент с максимумом на переднем полюсе оси эмбриона и служит основой для дальнейшей разметки яйцеклетки. У других насекомых, например у жуков и прямокрылых, для создания градиента с максимумом на переднем полюсе яйцеклетки используются продукты других генов. В ряде случаев этот градиент совсем не устанавливается и дифференцировка передне-задней оси тела основывается на других молекулярных механизмах.

Выясняется, что набор ключевых генов, задействованных в формировании гомологичных структур (например, сегментов тела насекомых), а также особенности экспрессии этих генов во многом определяются морфологией яйцеклетки и экологией раннего развития. Разметка сегментов у эмбриона дрозофилы осуществляется с помощью белков — факторов транскрипции, являющихся продуктами гомеобокс — содержащих генов (например, гена even — skipped). Эта разметка происходит на стадии синцитиальной бластодермы, когда границы клеток еще не сформированы и ничто не создает препятствий для диффузии белковых молекул. Существуют, однако насекомые, яйцеклетки которых содержат мало желтка (например наездники, откладывающие яйца в тело гусениц). Олиголецитальные яйцеклетки могут дробиться полностью, минуя стадию синцития. В этом случае формирование диффузионных градиентов белков — факторов транскрипции невозможно, поскольку они неспособны самостоятельно преодолевать клеточные мембраны. Так выяснилось, что у наездника Aphidius ervi гомеобокс-содержащий ген even — skipped не вовлечен в разметку сегментов (Grbic, 2000). Очевидно, эмбрионы данного вида используют для этой цели другие (возможно, сигнальные) молекулы.

Изменяться может не только набор ключевых генов, вовлеченных в формирование гомологичных структур, но и особенности взаимодействия между продуктами этих генов, т. е. конструкция регуляторных сетей.

Продукт гена distal — less (Dll) вовлечен в формирование дистальных отделов конечностей членистоногих. У насекомых, в том числе у дрозофилы, конечности на сегментах брюшка не формируются. У них экспрессия гена Dll блокируется белками генов, принадлежащих к Bitorax Complex (Bx- С), которые связываются с промотором гена Dll. У ракообразных ген Dll может экспрессироваться в присутствии белков генов Bx-C, то есть в данной регуляторной сети не предусматривается отрицательная связь между генами Dll и Bx-C.

Даже у относительно близких видов генетические пути развития гомологичных структур могут различаться. Например, обнаружено, что продукт гомеобокс-содержащего гена Lin39, играет значительную роль в дифферен- цировке клеток вульвы (органа размножения) у нематоды Caenorabditis ele- gans. Он является компонентом генетической сети, проводящей сигнал от клетки-индуктора к будущим клеткам вульвы и активирует экспрессию специфичных для них генов. У нематоды Pristionchuspacificus продукт гена Lin39 также принимает участие в формировании вульвы. Однако, у этого вида для запуска дифференцировки клеток вульвы не требуется индукционный сигнал, а белок гена Lin39 используется для предотвращения апоп- тоза (запрограммированной гибели) клеток — предшественников вульвы.

В данном случае можно говорить об изменении функциональной нагрузки гена. Приобретение новых и утрата старых функций ключевыми генами (точнее их продуктами), задействованными в регуляции развития — это еще одна интересная проблема. Этот процесс вполне реален, благодаря тому, что все подобные гены, как уже говорилось, плейотропны, т. е. выполняют сразу несколько функций. Функциональную диверсификацию гомеобокс-содержащих генов внутри какого-либо семейства связывают обычно с процессом дупликации. У продукта новой копии гена появляется возможность «специализироваться» на одной из выполняемых функций, которая могла быть побочной для продукта исходного гена. Вместе с тем, продукты новой копии гена продолжают выполнять и прежние функции. Такая «избыточность» генетических регуляторных сетей (существование нескольких копий одного гена и генов с перекрывающимися функциями) повышает надежность их функционирования — мутация одного из элементов этой сети не приводит к летальному результату. Именно это обеспечивает, например, возможность выживания особей, несущих мутацию такого плейотропного гена, как еу (ортолога Рах-6).

Компонентами генетических регуляторных сетей являются не только продукты гомеобокс-содержащих генов, но и многие белки, являющиеся сигнальными молекулами и рецепторами. Эти компоненты генетических регуляторных сетей, по-видимому, наиболее консервативны. Многие сигнальные пути, обеспечивающие проведение информации от цитоплазматической мембраны к ядру, являются общими, например, для грибов

и позвоночных животных. Молекулы сигнальных факторов еще более плейотропны (мультифункциональны), чем продукты гомеобокс-содержа- щих генов. Например, бета-катенин может выполнять роль структурного белка, обеспечивая связь цитоскелета с белками межклеточной адгезии, может работать как компонент сигнального пути, обеспечивая проведение сигнала от трансмембранных рецепторов к ядру, а может связываться в ядре клетки с транскрипционными факторами, модулируя их активность. У эмбрионов африканской шпорцевой лягушки, Xenopus Iaevis бета-катенин также участвует в разметке плана строения, концентрируясь перед гаструляцией в дорсо-анимальном секторе эмбриона.

Таким образом, ключевые гены путей развития можно воспринимать скорее как кофакторы, модулирующие активность полигенных регуляторных сетей, чем как MASTER GENES, строго детерминирующие развитие структур. По-видимому, ключевые гены на самом деле слабоспецифичны по отношению к какой-либо конкретной структуре и легко взаимно заменяются. Существование сложных и «избыточных» генетических сетей обеспечивает не только надежность, но и эволюцию генетических путей развития — возможность смены отдельными генами функции, передачу функции от одного гена другому, вовлечение в сеть ранее незадействованных генов. С другой стороны, благодаря множеству обратных связей, изменение каждого из компонентов генетической сети нежелательно — то есть консервативность компонентов сетей и является результатом их длительной коэволюции.

Следовательно, можно говорить не о мгновенном преобразовании отдельных «ключевых» генов, а только об эволюционном преобразовании регуляторных генетических сетей развития как целого.