| abstract
| - 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 (см. также: Выявлен белок, отвечающий за своевременное включение генов у эмбрионов, «Элементы», 02.09.2013). Однако эволюционная консервативность генов, регулирующих развитие, далеко не абсолютна (см.: Hox-гены оказались более эволюционно изменчивы, чем предполагалось раньше, «Элементы», 12.10.2013). 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 (см. также: Эволюция полового размножения у дрожжей: надстройка меняется, базис остается, «Элементы», 25.02.2014). 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.
|
![[RDF Data]](/fct/images/sw-rdf-blue.png)