Роль материнских факторов в формировании передне-задней оси зародыша дрозофилы

Материнские факторы формирования осей зародыша

В ходе индивидуального развития животных, начиная с самых ранних этапов, параллельно с клеточной спецификацией и дифференциацией клеточных и анатомических структур обнаруживаются процессы, связанные с формированием общего плана строения тела, или формирования паттерна. В ходе формирования паттерна единое вначале пространство зародыша подразделяется на ограниченное число доменов. Возникают эмбриональные поля, пространственно разделенные, хотя часто морфологически и не обособленные, системы неспецифицированных еще клеток, в рамках которых идут морфогенетические процессы и цитодифференциация. Важными элементами таких эмбриональных полей, предопределяющими их анизотропность, служат переднее-задняя, дорсо-вентральная, проксимо-дистальная и другие оси тела. С молекулярно-биологической точки зрения эмбриональные поля характеризуются или иным статусом экспрессии регуляторных генов. Формирование паттерна состоит в том, что в ходе развития в пространстве эмбрионального поля происходит изменение набора экспрессируемых регуляторных генов. Новый регуляторный статус этих субсистем отличается от существовавшего раньше и служит основой для активации последующих программ развития. Таким образом факторы, экспрессируемые в эмбриональных полях наряду с материнскими факторами, синтезированными в период оогенеза, создают позиционную информацию, которая необходима для пространственной координации процессов развития.

Начальные этапы формирования паттерна часто связаны с материнскими цитоплазматическими детерминантами, а предопределение осей зародыша во многом обусловлено процессами, происходящими в проэмбриональный период, т.е. в период формирования женских половых клеток.

Роль материнских факторов в формировании передне-задней оси зародыша дрозофилы

Современное понимание принципов формирования паттерна развития насекомых было заложено в конце 1980-х годов, прежде всего исследованиями Кристианы Нюссляйн-Фольхард и Эрика Висхауза. Этим авторам удалось выделить три группы генов материнского действия, которые ответственны за развитие передней и задней сегментированных областей, а также за развитие несегментированных терминальных участков тела: переднего – акрона и заднего – тельсона. Труды по генетике развития дрозофилы, в частности исследования роли генов материнского действия в формировании главных осей зародыша, принесли К. Нюссляйн-Фольхрд и Э. Висхаузу в 1995 г. звание лауреатов Нобелевской премии.

Гены, детерминирующие переднюю область тела. Среди генов «передней» группы ведущую роль играет ген bicoid. Благодаря активности этого гена в цистоцистах яйцевой камеры дрозофилы синтезируется иРНК, которая по цитоплазматическим мостикам транспортируется в формирующийся ооцит. К этому временив ооците возникает микротрубочковая система внутриклеточного транспорта. Эта система стабилизируется с помощью связанных с микротрубочками белков – кинезина и динеина, которые вместе с тем являются транспортными средствами. Используя энергию гидролиза АТФ, эти белки перемещают различные вещества и структуры вдоль микротрубочек. Молекулы кинезина движутся в сторону (+)конца микротрубочки, а молекулы динеина – в сторону (–)конца. В ооците дрозофилы микротрубочки ориентированы таким образом, что их (+)концы направлены к будущему заднему полюсу. Поэтому некоторые иРНК, поступающие в ооцит из цистоцистов, транспортируются вдоль этой транспортной системы в полярных направлениях.

В 3’-нетранслируемой области иРНК ^bicoid имеется два сайта, которые обладают сродством к белкам Exuperantia и Swalow. С помощью этих белков иРНК ^bicoid прикрепляется к молекулам динеина и концентрируется в ближайшей к цистоцистам зоне ооцита, куда обращены (–)концы микротрубочек. Благодаря этому, как выяснилось, данная область приобретает свойства переднего конца тела. Соответственно для правильного формирования паттерна тела животного необходимо нормальное функционирование метеринских генов exuperantia и swallow, тогда как мутации этих генов вызывают глубокие нарушения формообразования. После оплодотворения материнская иРНК ^bicoid транслируется, и образующийся белок диффундирует, создавая передне-задний градиент концентрации вдоль оси яйца. Белок Bicoid служит транскрипционным фактором, о чем свидетельствует как его структура (наличие гомеодомена), так и его ядерная локализация. Мишенью этого транскрипционного фактора служит ген hunchback. Вместе с тем белок Bicoid обладает способностью связывать иРНК ^caudal, главный детерминант заднего конца, и предотвращать таким образом дифференциацию задних структур в передней области зародыша.

Яйца гомозиготных мутантных самок bcd ^-/- белок Bicoid, естественно, отсутствует. Зародыши, которые развиваются из таких яиц, не имеют передних сегментированных отделов. Если в переднюю область яйца, взятого от самки bcd ^-/-, трансплантировать цитоплазму переднего конца яйца самки дикого типа, то нормальное развитие восстанавливается. Введение цитоплазмы, содержащей продукты гена bcd в среднюю область яиц bcd ^-/- формирует двусторонний градиент белка Bicoid, направленный из центральной области яйца к переднему и заднему концам. В результате развивается уродливая личинка с передними структурами в центральной области и с задними структурами на полюсах яйца.

Гены, детерминирующие заднюю область тела. Формирование задней области тела зародыша связано с активностью материнских генов nanos, oscar, valois, tudor, vasa, staufen и др. Ключевым здесь выступает ген nanos. иРНК ^nanos закрепляется на будущем конце ооцита с помощью белка Oskar. Поступающая в ооцит иРНК ^oskar связывается с белком Staufen, который соединяется с молекулами кинезина и по транспортной системе микротрубочек перемещается к их (+)концам, создавая предпосылки формирования будущей задней области зародыша. Трансляция иРНК ^oskar создает здесь высокую концентрацию белка Oskar, который связывает иРНК ^nanos, способствуя их накоплению. После оплодотворения иРНК ^nanos транслируется, и образующийся белок Nanos, который служит нативным транскрипционным фактором гена hunchback, закрывает путь развития структур головы.

Гены, детерминирующие терминальные несегментируемые области. Терминальная группа генов представлена генами torso и torsolike. Ген torso экспрессируется в цистоцистах. Соответствующая иРНК транспортируется в ооцит, и после трансляции дает белок плазматической мембраны, тироксиназный рецептор Torso, который равномерно распределен по поверхности яйца. В клетках фолликулярного эпителия, контактирующих с полярными областями ооцита, т.е. в участках, примыкающих к будущим переднему и заднему концам ооцита, экспрессируется ген torsolike. Фактором поляризации фолликулярного эпителия эпителия в задней области служит белок Gurken, секретируемый ооцитом. Экспрессия torsolike в фолликулярном эпителии полярных областей ведет к секреции в этих участках белка Torsolike, который, будучи лигандом, взаимодействует с рецептором Torso ооцита. Это взаимодействие вызывает в конечном счете активацию МАР-киназы в полярных клетках бластодермы, образующихся после оплодотворения, и инициирует транскрипцию генов tailless и huckebein. Последние ответственны за включение каскада процессов, связанных с развитием тельсона. В передней области зародыша, где высока концентрация белка Bicoid, эти процессы модифицируются так, что здесь формируется передний несегментируемый отдел акрон.