31.05.2015

За формирование передне-задней оси тела у комара и мухи отвечают разные гены

В формировании передне-задней полярности у эмбриона дрозофилы ключевую роль играет белок bicoid: там, где его больше всего, формируется голова. Однако у многих других насекомых ген bicoid не обнаружен, а генетические основы формирования передне-задней оси тела неясны. Как выяснилось, в развитии комара Chironomus riparius местоположение головы определяется другим геном, panish, механизм действия которого отличается от bicoid. Открытие показало, что системы генетической регуляции важнейших морфогенетических процессов, таких как формирование осей тела, более пластичны, чем считалось. Они неоднократно менялись в ходе эволюции, хотя сами процессы, регулируемые ими, при этом неизменно сохранялись.

Некоторые гены — регуляторы развития демонстрируют удивительную эволюционную консервативность. Например, ген PAX6 играет важную роль в развитии глаз у самых разных животных, а структура кодируемого им белка настолько консервативна, что мышиный PAX6 способен стимулировать развитие глаз у дрозофилы.

Однако эволюционная консервативность генов, регулирующих развитие, далеко не абсолютна. Нередко один и тот же фенотипический признак или онтогенетический процесс у разных организмов контролируется разными наборами «генетических переключателей». Например, у животных есть множество систем детерминации пола — молекулярных переключателей, направляющих развитие эмбриона по мужскому или женскому пути, хотя результат их работы одинаков: одни особи становятся самками, другие — самцами. Похоже, именно так обстоит дело и с переключателями, которые определяют, где у насекомого будет голова, а где — хвост.

У дрозофилы передне-задняя полярность эмбриона формируется при участии давно известного и хорошо изученного гена bicoid. Этот ген, предположительно произошедший путем дупликации от одного из Hox-генов (а именно от Hox3), кодирует белок — регулятор транскрипции (как и положено гомеобоксным генам). Материнские мРНК bicoid концентрируются на одном из полюсов яйца. Это приводит к формированию передне-заднего градиента концентрации регуляторного белка. Там, где его больше всего, развивается головной конец личинки. Подавление активности bicoid ведет к развитию безголовых двухвостых зародышей (особенно если одновременно нарушить работу еще одного гена, hunchback). Если же в такой эмбрион ввести мРНК bicoid, то там, куда ее введут, начинают формироваться структуры головного конца личинки. Можно получить и двухголовый эмбрион, если ввести мРНК bicoid в задний конец нормального эмбриона.

Казалось бы, такой важный регулятор должен обладать определенной эволюционной консервативностью. Однако в геномах большинства других насекомых, в том числе представителей отряда двукрылых (комары и мухи), ген bicoid попросту отсутствует. При этом у них, конечно, в ходе развития тоже формируются голова и хвост, но генетические основы этих процессов неясны. Удалось выявить ряд генов, регулирующих развитие головных и хвостовых структур у пчел и жуков, но ключевых регуляторов передне-задней полярности, подобных bicoid, среди них не нашлось.

Американские биологи обнаружили такой ген, изучая развитие комара-звонца Chironomus riparius. О своем открытии они рассказали в статье, опубликованной в свежем выпуске журнала Science.

Ранее было показано, что если облучить переднюю часть раннего эмбриона комара-звонца ультрафиолетом, то вместо головы у него развивается второй хвост. Это, по-видимому, означает, что для нормального развития головы необходимы какие-то материнские транскрипты (мРНК, считанные с генов матери): ультрафиолет разрушает их, а запас уже не пополняется. Вероятно, концентрация этих мРНК повышена в той половине яйца, из которой в норме развивается передняя часть насекомого.

Чтобы обнаружить эти транскрипты, авторы резали пополам ранние эмбрионы комаров (на стадии, когда гены самого эмбриона еще не включились и белки синтезируются на основе материнских транскриптов), а затем выделяли РНК по отдельности из передней и задней половинок. Среди 6604 выявленных транскриптов нашелся только один, которого в передней половине эмбриона было намного больше, чем в задней. Этот транскрипт кодирует белок длиной в 131 аминокислоту. Один из его участков (cysteine-clamp domain) похож на фрагмент белка Pangolin, участвующего в работе сигнального пути Wnt. Впрочем, другие функциональные участки Pangolin у нового белка, получившего название Panish, отсутствуют. Судя по аминокислотной последовательности, Panish работает в ядре и, скорее всего, является регулятором транскрипции (регулирует работу каких-то генов). Ген panish мог появиться путем дупликации фрагмента pangolin с последующими модификациями. Авторы нашли panish в геномах двух других видов комаров-звонцов, но за пределами семейства Chironomidae этот ген, по-видимому, не встречается.

Чтобы проверить, участвует ли panish в формировании передне-задней полярности, исследователи подавляли его активность при помощи РНК-интерференции, вводя в ранние эмбрионы комаров искусственные двухцепочечные РНК с последовательностью нуклеотидов, совпадающей с тем или иным участком panish. Это привело к развитию двухвостых, безголовых зародышей (рис. 1). Дополнительные эксперименты подтвердили, что panish необходим для формирования передне-задней полярности и головы у комара.

Выяснилось также, что действие panish отличается от действия bicoid. Если ввести в заднюю часть зародыша дрозофилы мРНК bicoid, получается бесхвостая личинка с двумя головами. Если же ввести в заднюю часть зародыша комара-звонца мРНК panish, вторая голова не вырастает и развитие идет более или менее нормально. Это может означать одно из двух: либо в передней части зародыша есть какие-то дополнительные факторы, которые, наряду с panish, необходимы для развития головы, либо на заднем конце зародыша имеются факторы, блокирующие действие panish. Чтобы разобраться в этом, авторы принялись отключать у эмбрионов другие гены, гомологи которых у дрозофилы участвуют в регуляции развития тех или иных структур головы или хвоста. В число «подозреваемых» попали комариные гомологи генов nanos, hunchback, orthodenticle/ocelliless, caudal и tailless.

Оказалось, что отключение этих генов в эмбрионе комара может приводить к разнообразным уродствам, но передне-задняя ось тела всё-таки формируется правильно. В частности, ген nanos, материнские мРНК которого концентрируются на заднем полюсе яйца, играет важную роль в формировании передне-задней полярности у дрозофилы, подавляя действие bicoid, но у комара nanos не препятствует работе panish и, по-видимому, не является ключевым участником формирования передне-задней оси тела.

Исключение составил ген tailless. У дрозофилы он необходим для нормального развития некоторых хвостовых и головных структур, но не влияет на передне-заднюю полярность. У комара Chironomus riparius отключение tailless привело к развитию уродливых бесхвостых эмбрионов с двумя сильно деформированными головами на обоих концах тела (рис. 2). Дальнейшие опыты подтвердили, что tailless у C. riparius подавляет работу генов, необходимых для развития передней части эмбриона (у дрозофилы tailless не обладает таким свойством). Ген panish, наоборот, подавляет работу «хвостовых» генов, в том числе и гена tailless. У нормальных эмбрионов tailless экспрессируется только в задней части, но если отключить panish, экспрессия tailless «размазывается» по всему зародышу. Этим panish отличается от своего аналога у дрозофилы, гена bicoid, который является не репрессором хвостовых генов, а активатором головных.

Таким образом, системы генной регуляции, управляющие формированием передне-задней оси тела, у дрозофилы и комара-звонца оказались разными (рис. 3). У дрозофилы ключевую роль в этом играют «передние» факторы bicoid и hunchback и «задний» фактор nanos, у комара им соответствует panish, найденный только у нескольких видов хирономид, и tailless, который есть у других насекомых, но выполняет иные функции.

Исследование еще раз показало, что регуляторные генные сети, управляющие ходом индивидуального развития, в том числе регуляторы наиболее фундаментальных и эволюционно консервативных морфогенетических процессов, вовсе не обязаны сами быть высоко консервативными. Процессы остаются, хотя наборы генетических переключателей, управляющих ими, могут меняться. Это справедливо и для гена bicoid, который встречается лишь в одной кладе эволюционно продвинутых мух (рис. 4, Cyclorrhapha), да и то не у всех представителей. Очевидно, он появился у предков этой клады, а затем несколько раз независимо утрачивался.

Эволюционная пластичность переключателей, управляющих важнейшими морфогенетическими процессами, может быть связана с двумя обстоятельствами. Первое — легкость приобретения такими переключателями новых функций, потому что они — просто переключатели и им всё равно, что переключать.

Подготовлено по материалам: Jeff Klomp, Derek Athy, Chun Wai Kwan, Natasha I. Bloch, Thomas Sandmann, Steffen Lemke, and Urs Schmidt-Ott. A cysteine-clamp gene drives embryo polarity in the midge Chironomus // Science. 2015. V. 348. P 1040–1042.

Александр Марков

Источники:

1. elementy.ru