March 25th, 2012

Дрозофила

dros001

Drosophila melanogaster – любимейший экспериментальный объект генетиков со времен великого Томаса Ханта Моргана. Дрозофила была выбрана Морганом на эту роль потому, что с ней технически удобно работать, а вовсе не по эволюционным соображениям. Она не является ничьим предком. Ее онтогенез — далеко не самый простой и уж тем более не самый типичный для многоклеточных животных. Тем не менее дрозофила с точки зрения эво-дево имеет по меньшей мере два преимущества:
1) Раннее развитие дрозофилы — не слишком простое, но и не слишком запутанное (чего никак нельзя сказать, например, о раннем развитии млекопитающих). Его достаточно легко свести к четкой схеме.
2) Дрозофила генетически изучена так хорошо и подробно, как ни одно другое животное за исключением человека (и то не факт).
Эти особенности делают дрозофилу очень удобным объектом для любых сравнений. Про любое животное всегда можно сказать, чем его развитие похоже на развитие дрозофилы, а чем отличается. Это — ориентир.
Вот почему с развитием дрозофилы имеет смысл познакомиться даже тому, кто не интересуется предметно ни ей самой, ни насекомыми.
Поскольку нельзя объять необъятное, хочу честно предупредить, что в разговоре о дрозофиле (по крайней мере в начале, при изложении основ) я буду не слишком самостоятелен. Здесь будет широко использован материал из блога замечательного человека Пола Захарии Майерса «Pharyngula». Особенно это касается иллюстраций. Пользуюсь случаем, чтобы поблагодарить профессора Майерса за его прекрасную просветительскую работу.
Итак, в следующих нескольких постах поговорим о гомеозисных генах, управляющих ранним развитием дрозофилы, в порядке стадий, на которых эти гены активны. Начнем с самой ранней стадии — с яйца.

Развитие дрозофилы: bicoid

У дрозофилы известна мутация под названием bicoid (сочетание латинских корней, буквально означающее что-то вроде «двухвостость»). Личинка мухи с мутацией bicoid лишена головы, но имеет два задних конца тела:

bicoid01

При этом у самой личинки состояние гена bicoid может быть совершенно нормальным (говоря генетическим языком, она может быть гомозиготой по аллелю дикого типа). Фенотипический эффект определяется состоянием гена bicoid не у данной личинки, а у мухи — ее матери. Это — ген с материнским эффектом.
В чем тут дело? У дрозофилы, как и у большинства многоклеточных животных, в процесс созревания яйца вовлечено довольно много соматических (неполовых) клеток, которые не участвуют потом в развитии зародыша, но расположены рядом с яйцом и чем-то ему помогают. Есть фолликул, окружающий яйцеклетку однослойным эпителием, и есть клетки-кормилки (трофоциты), которые синтезируют нужные для раннего развития вещества и переправляют их в яйцеклетку по цитоплазматическим мостикам:

bicoid2

Информационная РНК гена bicoid обозначена на этом рисунке синим цветом. Она синтезируется в трофоцитах и поступает из них в созревающую яйцеклетку, причем только с одного конца. В самой яйцеклетке экспрессии bicoid нет.
Так выглядит распределение иРНК гена bicoid в яйце дрозофилы:

bicoid03

Конец яйца, куда она поступает из трофоцитов, становится передним концом будущего тела (A), противоположный — задним (P). В самом зародыше экспрессии гена bicoid нет, а есть только синтез белка на его иРНК, поступившей в яйцо задолго до оплодотворения.
Известны опыты по инъекции в зародыш, лишенный продукта гена bicoid, цитоплазмы из переднего конца нормального зародыша. В той части пораженного мутацией зародыша, куда поступила эта цитоплазма, образуются головные структуры, даже если это середина туловища:

bicoid04

Развитие дрозофилы: bicoid и модель французского флага

Зародыши дрозофилы, матери которых имели в геноме от 1 до 6 функционирующих копий гена bicoid (такие были получены генетическими методами, через искусственные дупликации), так вот такие зародыши отличаются друг от друга по развитию. Чем больше у матери копий гена, тем больше доза его продукта и тем сильнее у зародыша развита голова (на схеме доля не-головных структур указана в процентах от общей длины тела — посмотрите на правую часть картинки):

bcddosage

Продуктом гена bicoid является белок-морфоген. Этот белок обладает в яйце монотонным градиентом концентрации: на переднем конце его концентрация самая высокая, на заднем — самая низкая. Головные структуры образуются там, где концентрация белка-морфогена выше определенного порога. Чем больше общая доза белка (а она прямо зависит от числа копий гена у матери), тем этот порог дальше от переднего конца и тем большая часть тела зародыша становится головой. Зависимость положения порога от суммарной дозы морфогена показана на левой части картинки.

Это еще одна типичная ситуация, где градиент концентрации морфогена влияет на морфогенез, как в модели французского флага. Только здесь всего лишь один порог и две зоны: голова и не-голова. Так что флаг получается скорее польский, с переменной протяженностью красного / белого полей.

Развитие дрозофилы: gap-гены

Следующую ступень генетической регуляции развития дрозофилы образуют gap-гены (gap genes). О них можно сказать следующее:
1) Gap-гены экспрессируются уже в клетках самого зародыша, как только их ядра становятся синтетически активны.
2) Область экспрессии каждого такого гена — полоса, соответствующая нескольким будущим сегментам.
3) Белки — продукты генов материнского эффекта являются факторами транскрипции, запускающими экспрессию gap-генов.
Если какой-то из gap-генов не работает, у зародыша будут отсутствовать те сегменты, которые должны развиться в области его экспрессии. Вот почему эти гены так называются (gap — разрыв, провал).
Области экспрессии нескольких gap-генов у дрозофилы (слева — передний конец):

gap01

Рассмотреть взаимосвязь генов материнского эффекта и gap-генов проще всего на примере гена hunchback, продукт которого маркирует головные сегменты. Экспрессия гена hunchback прямо регулируется продуктом гена bicoid: она включается, когда концентрация продукта bicoid достигает нужного порога:

gap02

Примечание: строго говоря, hunchback — это еще и ген материнского эффекта. Некоторая дополнительная доза его иРНК поступает из трофоцитов и распределяется по зародышу совершенно равномерно, а ее экспрессия регулируется на уровне трансляции. Пока это неважно.

Белоголовый, паразитические головастики и миксозои (1)

Прежде всего – благодарю ivanov_petrov за информацию об этом очень интересном ученом.
Итак... Юрий Аполлонович Белоголовый. Сравнительный анатом, ученик знаменитого Алексея Николаевича Северцова. Очень хороший ученик. Или очень плохой, как посмотреть. В научную ересь он впал, едва окончив университет. «Надводная часть» его научной биографии длится 9 лет: от публикации первого самостоятельного исследования (1908) до неудачной попытки защиты диссертации (1917). После революции то ли погиб, то ли эмигрировал.
Фотографию Белоголового я в Сети не видел, но видел в монографии уважаемого ivanov_petrov (Любарский, 2009). На ней — широколицый молодец с глубоко посаженными глазами и русой бородкой, на котором академический костюм с жилетом и галстуком смотрится как-то чужеродно. Кстати, он, похоже, был однокурсником Сергея Сергеевича Четверикова.
Белоголовый был, мягко говоря, очень оригинально мыслящим ученым. Он полностью отвергал понятие гомологии, считая, что любые тождества органических масс могут быть только аналогиями. Он объявлял бесполезной работу филогенетиков, потому что считал конкретный филогенез принципиально нереконструируемым (по крайней мере, средствами сравнительной анатомии и эмбриологии). Эти экстравагантные выводы основаны на очень спорной, но очень цельной и интересной системе идей, которая... гм, про нее как-нибудь в другой раз. Сперва самому разобраться надо.
А пока лучше скажу пару слов об эмбриологической работе Белоголового, которую он описал в монографии под удивительным названием: «Живые растворы организмов».
Тут, между прочим, возникает некая аналогия с названием вышедшей в 1669 году работы Николауса Стенона — «О твердом, естественно содержащемся в твердом». Той самой, с которой началась геология.
Стенон в своем труде о горных породах рассматривал твердые тела, возникающие в результате смешивания, растворения и кристаллизации других твердых тел. Белоголовый интересовался живыми организмами, возникающими в результате смешивания, диссоциации и самосборки элементов других живых организмов.
Он помещал в брюшную полость лягушек зародышей или личинок того же вида на разных стадиях развития — от икринки до вполне сформированного животного с конечностями. Зашивал их там (сама лягушка, при соблюдении антисептики, обычно переносила такую подсадку более-менее нормально). И смотрел, что с ними там происходит.
Лично меня больше всего впечатлили опытов со зрелыми головастиками — с вполне открытым ротовым отверстием и ясно развитыми задними конечностями, на которых намечались уже пять пальцев, пишет Белоголовый. Смертность у таких личинок была самой высокой, 80% погибали вскоре после опыта. Но 20% головастиков выживали, и жили в брюшной полости лягушки иногда по несколько месяцев. И вот с ними происходило нечто удивительное, вполне достойное «Острова доктора Моро»...

Развитие дрозофилы: регуляция экспрессии gap-генов

Вернемся к развитию дрозофилы и рассмотрим случай посложнее.
Экспрессия еще одного gap-гена, гена Krüppel, регулируется продуктом гена hunchback: она начинается, когда концентрация продукта hunchback достигает определенного нижнего порога, и кончается, когда концентрация продукта hunchback достигает верхнего порога. Область экспрессии Krüppel на фоне градиента hunchback — узкая полоса между порогами:

gap_expr02

Теперь мы можем изобразить взаимодействие генов графически:

gap_expr5

Расшифровка схемы:
1) bicoid активирует hunchback (плюс).
2) hunchback в малых дозах активирует Krüppel, в больших — ингибирует его (плюс-минус).
3) Слишком большие дозы Krüppel ингибируют hunchback (минус).
4) Krüppel, в свою очередь, ингибируется ранее не обсуждавшимся геном knirps.
Итак, мы видим небольшую, но самую настоящую генную сеть.

Белоголовый, паразитические головастики и миксозои (2)

Предупреждаю: описание, которое я сейчас буду цитировать, может показаться фантастикой. Так вот, если сомневаетесь — просто скачайте в библиотеке Алексея Шипунова монографию Белоголового «Живые растворы организмов» и почитайте. Я тоже не во всем уверен, но работа эта — не дилетантская. Материал большой, описания очень детальны, моменты, в которых автор сомневался, перепроверены отдельными сериями опытов.
Да, еще: пересказывать буду обстоятельно, даже рискуя утомить потенциального читателя занудством. «А то вы не сможете себе представить весь ход событий, как говаривал покойный сапожник Петрлик, когда приказывал своему мальчишке скинуть штаны, перед тем как выдрать его ремнём».
Итак, вот что происходит с головастиком после помещения его в брюшную полость лягушки:
Collapse )