Гомеозис в онтогенезе и филогенезе 
Гомеозис в онтогенезе и филогенезе
Реферат
На
тему: «Гомеозис в онтогенезе и филогенезе»
Гомеозис и гомеозисные мутации
Действие
генов теснейшим образом связано с онтогенезом, и эта их связь выявляется при
возникновении мутаций, которые резко прерывают развитие организма. Существуют,
однако, мутации другого класса, которые изменяют процесс онтогенеза, но не
прерывают его. Это гомеозисные мутации. На важную роль и теоретическое значение
этого рода изменения развития впервые указал Уильям Бэтсон (William Beateson) в
своей книге «Материалы к изучению изменчивости», опубликованной в 1894 г.
Его соображения при создании термина «гомеозис» и определение этого термина все
еще сохраняют силу и привлекают внимание к наиболее существенным чертам этой
концепции.
«Превращение
антенны насекомого в ногу, глаза ракообразного – в антенну, лепестка – в
тычинку и тому подобное – все это примеры одного рода. Желательно и даже
необходимо, чтобы такие изменения, состоящие в том, что один из членов ряда
меристических структур принимает форму или приобретает признаки, свойственные
другим членам ряда, были выделены в особую группу явлений… Поэтому я предлагаю…
термин гомеозис,…, поскольку главное здесь не в том, что произошло некое
изменение, а в том, что одно, изменившись, приобрело сходство с чем-то другим».
Затем
Бэтсон переходит к перечислению примеров гомеозисных изменений у столь
различных организмов, как млекопитающие и кольчатые черви. Если говорить о
млекопитающих, то описано, например, несколько редких особей вымерших
неполнозубых, у которых в крестцовом отделе позвоночника обнаружены позвонки,
похожие на грудные. Гораздо чаще, однако, гомеозисные изменения встречаются у
членистоногих – животных, целиком построенных из ряда метамерных сегментов; а
из членистоногих больше всего сведений о типах и механизмах гомеозиса получено
на насекомых. Остатки некоторых из древнейших вымерших насекомых найдены в
слоях, относящихся к каменноугольному периоду. У этих насекомых, как и у
современных крылатых насекомых, было четыре крыла, сходные по морфологии с
крыльями ныне живущих видов. В отличие от современных насекомых у них была,
кроме того, пара крыловидных придатков, или паранотальных лопастей, отходящих
от спинки первого грудного сегмента. Эти лопасти считались возможным
свидетельством того, что крылья возникли как выступающие наружу складки
интегумента. Они могли первоначально служить органами, помогающими насекомому
планировать. Примитивные признаки – расположение крыльев на втором и третьем
грудных сегментах и наличие паранотальных лопастей – у современных насекомых
отсутствуют. Однако они могут возникать в результате гомеозисной мутации у
таракана Blattella germanica. Росс (Ross) описал у этого примитивного
насекомого наследственную мутацию Prowings, вызывающую развитие
крылоподобных придатков на спинке переднегруди. Сходное гомеозисное изменение
описал Гершкович (Herskowitz) у Drosophila melanogaster. Другая
сцепленная с полом рецессивная мутация labiopedia описана у хрущака Tribolium
confusum. У особей, гомо- или гемизиготных по этой мутации, лабиальные
щупики превращаются в грудные ноги. Такое превращение наблюдается как на
личиночной, так и на взрослой стадии). При этом происходит полная перестройка,
вплоть до развития мускулатуры, обычно имеющейся у ног. Однако эти мышцы,
очевидно, лишены иннервации, так как лабиальные ноги неподвижны. Более резко выраженные
трансформации наблюдаются у тутового шелкопряда Bombyx mori (чешуекрылые).
У этого насекомого имеется комплекс мутаций, известных под названием серии E-аллелей
(Extra legs). Его гусеница обладает очень своеобразной морфологией: за
темно окрашенной головой с находящимися на ней глазами следуют три грудных
сегмента, несущие членистые ножки. На спинной стороне второго грудного сегмента
имеется темное глазчатое пятно. Брюшко состоит из восьми сегментов, за которыми
следует концевой хвостовой сегмент. Брюшные сегменты 3–6 и хвостовой сегмент
снабжены мясистыми ходильными ножками. На спинной поверхности второго брюшного
сегмента имеется пигментное пятно в форме полумесяца, а на спинной поверхности
пятого – пятно в форме звезды. Доминантные мутантные аллели Е-серии вызывают
перемещение этих пятен на другие сегменты. Так, у особей, гетерозиготных по
мутации EEl (Extra Crescents and legs), голова и грудь
такие же, как у дикого типа, но в отличие от последних на первом и втором
брюшном сегментах у них имеются ходильные ножки, а на третьем грудном и первом
брюшном – пигментные пятна в форме полумесяца. Мутация EN (Extra
legs – New additional crescent) вызывает появление полумесяца на третьем и
звезд – на шестом, седьмом и восьмом брюшных сегментах; на пятом брюшном
сегменте звезда исчезает. Эти модификации можно объяснить как результаты
изменения индивидуальностей (специфических особенностей) брюшных и грудных
сегментов (как на спинной, так и на брюшной их сторонах). В наиболее резкой
форме эти изменения проявляются у гомозигот по упомянутому выше аллелю EN.
Такой генотип детален и приводит к гибели у личинок ранних личиночных
возрастов.
Нормальная сегментация у дрозофилы
После
оплодотворения и слияния гамет у зародыша дрозофилы наблюдается ряд
синцитиальных делений дробления, т.е. деления ядер, не сопровождающиеся
образованием клеток зародыша. Первые девять таких делений происходят по всей
цитоплазме яйца, и после девятого деления большая часть ядер мигрирует в
кортикальную цитоплазму. За этим следуют еще четыре деления ядер, и после
завершения 13-го деления происходит целлюляризация, приводящая к образованию
бластодермы, состоящей примерно из 6000 клеток. Эта стадия изображена на рис. 8–6,
на котором соматические клетки бластодермы можно отличить по их морфологии от
сферических полярных клеток (презумптивные клетки зародышевого пути),
расположенных на заднем конце зародыша. Именно на этой стадии развития
детерминируется судьба клеток, т.е. определяется их назначение как в
личиночных, так и в имагинальных структурах. Кроме того, именно в этот момент
геном зиготы впервые начинает проявлять заметную транскрипционную активность.
Во время гаструляции на переднем конце зародыша образуется латеральная складка,
называемая головной бороздой. Эта борозда отделяет большую часть головы от
туловища. Одновременно происходит перенос полярных клеток с заднего конца
зародыша на его дорсальную поверхность путем удлинения зародышевой полоски. В
результате образования трех отдельных выпячиваний – вентральной борозды,
заднего и переднего зачатков средней кишки – мезодерма и передняя и задняя
энтодерма перемещаются внутрь зародыша. Вслед за этим, примерно на 8-й час
развития, поверхность зародышевой полоски покрывается рядом латеральных
складок, которые физически разделяют зародыш на сегменты. Сегменты зародыша
можно видеть на рис. 8–6; они соответствуют метамерным сегментам личинки и
имаго. Таким образом, после развития в течение 10 ч зародыш состоит из
трех зародышевых листков и разделен на голову, грудь и брюшко. Голова состоит
из клипеолабрального, процефалического, мандибулярного, максиллярного и
нижнегубного сегментов. Три последних сегмента объединяют под названием
гнатоцефалических. Грудь состоит из трех сегментов: переднегруди, среднегруди и
заднегруди. Остальные девять сегментов делятся на восемь брюшных и один
концевой хвостовой сегмент. Эмбриогенез завершается созданием этого основного
метамерного типа строения, образованием кутикулярных покровов и внутренних
органов личинки. Личинка вылупляется через 24 ч после оплодотворения яйца.
Передний вентральный край каждого из трех грудных и восьми брюшных сегментов
окаймлен рядами зубчиков, форма которых позволяет отличать брюшные сегменты
личинки от грудных. Сегменты головы инвертированы таким образом, что голова
оказывается внутри личинки, где гнатоцефалические сегменты дают начало ротовым
частям личинки. Зачатки имагинальных структур, или имагинальные диски, которые
детерминируются и на стадии клеточной бластодермы отделяются от клеток, дающих
начало тканям личинки, растут на протяжении трех личиночных стадий, а затем
достигают своего взрослого дифференцированного состояния во время метаморфоза
на стадии куколки. Взрослая особь подобно зародышу и личинке, имеет метамерное
строение. Различные
имагинальные диски, очевидно, происходят из клеток, распределенных по разным
метамерам зародыша. Голова взрослой особи несет глаза, антенны, клипеолабрум и
максиллярные и нижнегубные щупики. Три последних элемента ротовых частей имаго,
вероятно, происходят из соответствующих сегментов зародыша. У высших двукрылых,
к которым относится и дрозофила, на имагинальной стадии мандибулярный элемент
отсутствует. Глаза и антенны, по всей вероятности, происходят из
процефалической лопасти зародыша. Вся голова имаго развивается из трех дисков,
причем большая часть головной капсулы формируется из глазо-антеннального диска,
который дает также начало максиллярным щупикам, т.е. этот диск происходит из
нескольких сегментов. Два других диска происходят каждый из одного сегмента.
Все три грудных сегмента несут по паре ходильных ног, причем каждая пара
происходит из одного диска. Диски ног имеются на каждом из трех грудных
сегментов зародыша. Дорсальная сторона груди имаго образована в основном
мезотораксом и происходит из крылового диска. Дорсальные части как про-, так и метаторакса
сильно редуцированы. На метатораксе расположены уже упоминавшиеся жужжальца.
Наконец, восемь брюшных сегментов и концевые половые структуры имаго происходят
из соответствующих сегментов личинки. Происходят ли половые железы из
хвостового сегмента, не известно. Все границы между сегментами появляются
одновременно во время гаструляции. Установлено, однако, что процесс сегментации
не абсолютно мозаичен по своему характеру. Эксперименты Шубигера и Вуда
(Schubiger, Wood), а также Херта и Сандера (Herth, Sander) с наложением
лигатуры на зародышей, находящихся на разных стадиях дробления, показали, что
становление структуры сегментов с течением процесса дробления постепенно
усиливается. Полный набор сегментов образуется лишь по достижении стадии бластодермы,
когда настает время детерминации судьбы разных клеток. Очевидно, для нормальной
сегментации зародыша необходимо взаимодействие между его различными участками.
Дальнейшие сведения о природе факторов, определяющих характер сегментации, дали
эксперименты, в которых клетки и их потомков метили, вызывая в них путем
рентгеновского облучения соматические рекомбинации. Используя клеточные
маркеры, экспрессирующиеся независимо друг от друга и затрагивающие пигментацию
и морфологию кутикулярных элементов взрослой особи, Гарсиа-Беллидо
(Garcia-Bellido) и его сотрудники создавали на стадии клеточной бластодермы
клоны рекомбинантных клеток в зачатках, дающих грудные структуры взрослых
особей. Проследив за взаимоотношениями между клеточными линиями, они сумели показать,
что все потомки первоначально помеченной клетки оказываются только в одном
сегменте. Более того, клетки, происходящие от одной гомозиготной дочерней
клетки, обычно остаются друг подле друга, образуя пятно меченых клеток. Как
показали дальнейшие эксперименты с использованием Μ (Minute) –
мутаций, границы между такими участками отражают ограниченность клеточных
потенций, и сегменты в самом деле делятся на два таких ограниченных участка.
Клетки, гетерозиготные по доминантной мутации Μ (Μ/Μ +),
растут медленнее, чем гомозиготные клетки дикого типа (Μ +/Μ
+), а гомозиготные клетки по мутации М (М/М) гибнут. Если
клоны клеток М+/М+ индуцировать при помощи
соматической рекомбинации на фоне клеток Μ/Μ +, то
эти нормальные клетки обгоняют в росте своих гетерозиготных соседей. В больших
клонах клеток М+/М+ проявляются те же ограничения
потенций, которые наблюдались в предыдущих экспериментах. Итак, три сегмента,
из которых состоит грудь имаго, разделены на переднюю и заднюю области («компартменты»).
Все эти эксперименты с клонированием проводились на кутикулярных элементах
взрослых мух. Перенесение полученных при этом результатов на зародышей и
личинок до некоторой степени произвольно. Однако проведенный Корнбергом
(Kornberg) анализ мутантных аллелей локуса еп (engrailed) подтверждает
такую возможность. Leaky-мутации локуса еп вызывают превращение
элементов задних компартментов грудных сегментов в структуры передних
компартментов. Это особенно ясно выражено в случае имагинальной пластинки
крыла, которая у мутанта состоит из двух передних половинок,
зеркально-симметричных одна другой. Другие аллели вызывают гибель зародыша на
поздних стадиях развития. У этих мертвых особей обнаружены сходные
зеркально-симметричные дупликации всех грудных и брюшных сегментов. Поэтому создается
впечатление, что компартментализация происходит уже у зародыша и что это
распределение клеточных потенций внутри сегмента имеет место как у личинки, так
и у взрослой особи.
Соотношение между гомеозисом и нормальной сегментацией
В
детерминации индивидуальности сегментов, по-видимому, непосредственно участвуют
две группы гомеозисных локусов. Интересно указать, что эти два набора генов
представляют собой два кластера тесно сцепленных между собой локусов,
находящихся в правом плече третьей хромосомы. О членах группы, расположенной
дистальнее, мы уже говорили. Она известна под общим названием Bithorax
Complex, и в нее входит не менее 10 комплементарных локусов. В другую,
более проксимальную группу входит не менее 6 членов, и она известна под
названием Antennapedia Comple. Члены группы ВХ-С ответственны за
детерминирование индивидуальности каждого из сегментов, расположенных кзади от
сред-негрудного сегмента у личинки и у имаго. Как мы уже видели, в отсутствие
локусов bxи pbx заднегрудь имаго превращается в среднегрудь.
Мутация bxd (bithoraxoid) вызывает сходное превращение первого брюшного
сегмента в среднегрудной. В этом случае трансформация наблюдается также и у
личинки. Эти три рецессивные мутации комплементарны друг другу (т.е. особи с
генотипом bx/pbx или bx/bxd, например, обладают нормальным фенотипом, но
ни одна из трех не комплементарна доминантной мутации Ubx (Ultrabithorax). Льюис
(Lewis) пришел к выводу, что дефекты, вызываемые мутацией Ubx, соответствуют
мутациям в той части комплекса ВХ-С, которая ответственна за регуляцию
локусов bx, pbx и bxd. Особи, гомозиготные по какой-либо мутации Ubx,
гибнут на поздних стадиях зародышевого развития; при этом у них происходит
превращение третьего грудного и первого брюшного сегментов во вторую грудь – результат,
соответствующий представлениям Льюиса о функции локуса Ubx. Чем больше
дистальных локусов комплекса ВХ-С подвергается делеции (рис. 8–8,
Б), тем больше брюшных сегментов превращается в грудные сегменты. Так делеция
локусов iab-2, iab-3 и iab-8 приводит к превращению брюшных
сегментов в среднегрудь. При делеции всего комплекса ВХ-С все сегменты
от заднегрудного до 8-го брюшного превращаются в среднегрудь, как это
схематически показано на рис. 8–9. Все эти превращения – результат
отсутствия функции генов. Однако у комплекса ВХ-С есть и другие
доминантные варианты, приводящие к аномальной активации функций в пределах
этого комплекса. Доминантная мутация Cbx (Contrabithorax) приводит к
развитию мух, крылья которых превращены в жужжальца. Как показала генетическая
проверка, это вызвано дерепрессией функций локусов bx+ и pbx+
в среднегруди, где они обычно не проявляют активности. Такого рода мутации
существуют по крайней мере в трех точках комплекса ВХ-С и, согласно
предположениям, оказывают воздействие на cis-регуляторный участок,
контролирующий действие входящих в этот комплекс локусов, которое в норме
ограничено отдельными сегментами.
Комплекс
гомеозисных локусов, расположенный более проксимально, вызывает сходные
превращения сегментов в передних частях зародыша и имаго. Локус pb
(proboscipedia) необходим для нормального развития нижнегубного сегмента
взрослой особи. В отсутствие функции pb+ нижнегубные щупики
имаго превращаются в переднегрудные ноги. Делеция локуса Scr (Sex combs
reduced) приводит к превращению переднегруди в среднегрудь. Это лучше всего
видно на взрослых самцах дрозофилы, у которых половой гребешок (структура,
обычно имеющаяся только на переднегрудных ногах) отсутствует. Кроме того, о
превращении первой пары ног во вторую свидетельствует общая картина
распределения щетинок на переднегрудных ногах как у самцов, так и у самок.
Такое же превращение можно наблюдать у личинок, у которых типичная для
переднегруди морфология изменяется, так что переднегрудь становится похожей на
среднегрудь. Наконец, некоторые аллели локуса Antp обусловливают
превращение среднегруди и заднегруди в переднегрудь как у личинок, так и у
имаго. Это можно наблюдать у взрослых самцов, у которых при этом появляются
половые гребешки на всех шести ногах. При делеции всего комплекса ANT-C зародыш
гибнет на поздней стадии развития, перед самым вылуплением личинки первого
возраста. Изучение этих особей, а также более ранних стадий до наступления
гибели показало, что все их сегменты от максиллярного до заднегрудного похожи
на переднегрудные сегменты. Подобно комплексу ВХ-С, доминантное усиление
функции происходит также в результате мутаций, относящихся к комплексу ANT-C.
Наиболее очевидное из них – нарушение функции локуса Antp, вызывающее
превращение антенны в ногу. Функция аллеля Antp+, установленная
на основе фенотипа, получающегося при делеции этого локуса, заключается в
обеспечении надлежащего развития средне- и заднегруди. При доминантных мутациях
в локусе Antp эта функция проявляется в передних члениках антенны и в ее
зачатках. Аллель Antp+ не участвует в нормальном развитии
антенны, о чем свидетельствует нормальная морфология антенны, даже в том
случае, если в этом органе с помощью соматического кроссинговера создаются
гомозиготные клоны клеток Antp- Если же создать такие клоны
во второй и третьей паре ног, то развитие пойдет по типу переднегруди или
антенны. Таким образом, функция аллеля Antp+, очевидно,
необходима для нормального развития вентральных частей средне- и заднегруди, а
превращение антенны в ногу происходит в результате аномальной активации этой
функции в зачатке антенны.
Страницы: 1, 2
|
|
