Мутации и изменения, происходящие в онтогенезе

Если морфология представляет собой проявление сложного комплекса процессов развития, то эти процессы в свою очередь представляют собой проявление действия целого созвездия генов. Таково важное допущение, положенное в основу этой книги, и мы собрали по крайней мере prima facie данные в пользу того, что у Metazoa часть генома специфически участвует в регуляции онтогенеза и что характер эволюции этой части отличается от характера эволюции структурных генов. До сих пор, однако, мы ограничивались изолированными частными примерами генного контроля морфогенеза и не пытались ответить на центральный вопрос: каким образом гены определяют процесс развития?

Здесь мы в весьма прямом смысле возвращаемся к программе механики развития, выдвинутой Ру (Roux), однако, вместо того чтобы удалять клетки или другие структуры зародыша, с тем чтобы определить их роли в развитии, как это делали представители классической экспериментальной эмбриологии, генетика развития использует мутации как очень тонкий скальпель, дающий возможность уничтожать или изменять отдельные гены.

Генетическая модель, с помощью которой можно изучать любую систему, теоретически находящуюся под генетическим контролем, состоит в следующем. Для того чтобы проанализировать какой-либо процесс, в данном случае онтогенез, исследователь выявляет мутации, изменяющие этот процесс. Выявив такие мутации, он проводит фенотипическое сравнение мутантных особей с нормальными. Это сравнение помогает ему понять, как данный ген влияет на нормальное развитие. Однако, прежде чем продолжить описание метода проведения такого сравнения, следует указать, что воздействие мутаций на онтогенез проявляется двумя основными способами. Это, во-первых, дизруптивные изменения, при которых процесс нормального развития нарушается, что приводит к морфологическим аномалиям (например, к отсутствию некоторых структур). В наиболее резко выраженной форме такие мутации оказываются летальными. Во-вторых, это гомеозисные изменения, при которых под действием мутации развитие отклоняется от нормы, в результате чего какая-либо структура данного организма замещается гомологичным органом или конечностью. Мы отложим дальнейшее обсуждение мутаций этого второго типа до следующей главы и займемся здесь главным образом дизруптивными изменениями.

Анализ нарушений, вызываемых какой-либо дизруптивной мутацией, лишь в редких случаях сводится к простому сравнению конечного фенотипа гибнущей особи с нормальным фенотипом, потому что развитие - это сложный и высокоинтегрированный процесс. Огромное большинство происходящих в нем событий тесно связано с другими событиями и, в сущности, зависит от них. Это особенно ясно проявляется в том, что многие мутации обладают плейотропным действием, т. е. отсутствие или изменение одного гена может обусловить несколько морфологических изменений. Примером служат изменения, наблюдаемые у людей с так называемой аномалией Пельгера (Pg). Она наследуется у человека как простой доминантный аутосомный признак. У гетерозигот (Pg/+) нет никаких клинических симптомов, но для их нейтрофилов характерны аномально сегментированные ядра (рис. 7-1). У взрослого человека ядра полиморфноядерных нейтрофилов обычно состоят из четырех или пяти сегментов, у гетерозигот же Pg/+ ядра состоят всего из двух, реже из трех сегментов. Этот же признак обнаружен у кроликов, у которых он наследуется по тому же типу и сходным образом проявляется в картине крови. Скрещивая гетерозиготных кроликов, можно получить гомозиготных особей Pg/Pg. Ядра нейтрофилов у этих особей вообще не разделены на сегменты, и такой генотип сопровождается низкой жизнеспособностью. Для немногих выживших особей помимо этой особенности нейтрофилов характерна крайне выраженная карликовость с недоразвитием конечностей и грудной клетки (рис. 7-1). Здесь следует задать вопрос: какова причинная зависимость, если она существует, между этими двумя плейотропными нарушениями? Не исключена возможность, что оба этих фенотипических проявления представляют собой на самом деле результат третьего, пока еще неизвестного нарушения, вызванного аллелем Pg.

Рис. 7-1. Аномалия Пельгера у кроликов. А. Полиморфноядерные нейтрофилы нормальных ( +/+ ), гетерозиготных (Pg/+) и гомозиготных мутантных (Pg/Pg) кроликов. Б и В. Скелеты и общий вид взрослых кроликов Pg/+ (слева) и Pg/Pg(справа). Обратите внимание на резко выраженную недоразвитость конечностей у гомозиготных особей (Nachtsheim, 1950).

Широкий диапазон плейотропных воздействий наблюдается и при другом наследуемом изменении крови - при серповидноклеточной анемии. Она также наследуется у человека как простой аутосомный доминантный признак, отличаясь от аномалии Пельгера только тем, что нам точно известно вызывающее ее биохимическое нарушение. У людей, страдающих этим заболеванием, в β-цепях гемоглобина замещена аминокислота в положении 6. В условиях низкого напряжения кислорода эта единственная замена изменяет конформационные свойства образующегося гемоглобинового тетрамера. В капиллярах и в мелких венах эритроциты, содержащие такой мутантный гемоглобин, деформируются, приобретая характерную «серповидную» форму. Такое изменение формы влечет за собой два непосредственных следствия. Во-первых, организм распознает аномальные серповидные эритроциты и разрушает их, что приводит к развитию анемии. Во-вторых, серповидные клетки часто закупоривают капилляры, нарушая кровоснабжение в отдельных участках, а тем самым нормальный рост и функционирование соответствующих органов.

Многочисленные и разнообразные нарушения, вызываемые этой заменой одной аминокислоты, схематически представлены на рис. 7-2. Глядя на этот рисунок, нетрудно понять, что неосведомленный человек, рассматривая схему снизу, может истолковать сам синдром совершенно иначе, чем если бы ему была известна первопричина всех этих нарушений.

Рис. 7-2. Плейотропные эффекты замены одной аминокислоты в β-цепи гемоглобина Homo sapiens, которая приводит к развитию серповидноклеточной анемии (Strickberger, 1976).

Сталкиваясь со сложным фенотипом, образовавшимся к концу ветвящегося и переплетающегося своими ветвями онтогенетического пути, необходимо помнить о существовании дихотомии. Геном можно теоретически разделить на две части. Одна его часть состоит из тех генов, которые определяют так называемые жизненно важные (housekeeping) функции, а другая - из генов, непосредственно участвующих в детерминации, дифференцировке и морфогенезе. Жизненно важные функции - это те обычные метаболические процессы и процессы поддержания жизнедеятельности клетки, которые, хотя и не участвуют прямо в морфогенезе, создают биохимические условия, абсолютно необходимые для жизни. Мутантный индивидуум, у которого отсутствует одна из транспортных РНК (тРНК) или ДНК-полимераза, встречается с серьезными морфогенетическими проблемами. Однако такого рода нарушения основного метаболизма не обязательно затрагивают какой-нибудь конкретный орган, ткань или стадию развития. Такие мутанты следует отличать от тех, которые оказывают прямое воздействие на развитие.

Прежде чем можно будет прийти к каким-то определенным выводам о природе генетических дефектов, необходимо затронуть еще два очень важных момента. Первый из них касается первичного места действия данного гена. Иными словами, существует ли некая специфичная ткань или орган, в которых ген проявляет свою активность? Более того, автономен ли ген в своей активности? Этот вопрос связан с тем, что на самом деле существует плейотропия двух типов: 1) в случае относительной, или зависимой, плейотропии, как при описанной здесь серповидноклеточной анемии, существует одно первичное место действия гена (т. е. эритроциты), а все остальные наблюдаемые нарушения связаны с этим одним дефектом или возникают как его следствие; 2) в случае прямой, или истинной, плейотропии все разнообразные дефекты, возникающие в различных тканях и/или органах, вызываются непосредственным действием одного гена. Грюнберг (Grunberg) на основании своих исследований мутаций у мышей считал преобладающим типом относительную плейотропию. Однако известны также примеры прямых плейотропных эффектов.

Второй момент, который необходимо учитывать при любом серьезном обсуждении генетической регуляции развития, - это время, когда данный ген осуществляет свою активность. Когда начинается эта активность, продолжается ли она непрерывно, занимает ли она один дискретный интервал времени или несколько таких интервалов? Для ответа на этот сложный вопрос необходимо, конечно, установить характер продукта изучаемого гена.

 

Анализ времени и места действия генов

Методы, используемые для определения первичного места действия гена, сходны с применяемыми в классической эмбриологии и, в сущности, заимствованы из нее. В своей простейшей форме эти методы состоят в пересадке органа или кусочка ткани от мутантной особи нормальному реципиенту. Производят также и реципрокные пересадки. Эта операция обычно проделывается до проявления того или иного мутантного эффекта. Затем можно определить судьбу развивающегося органа или ткани в их новом окружении. Если генетический дефект рассматриваемого органа или ткани автономен для этой структуры, т. е. если она является первичным местом действия данного гена, то следует ожидать, что мутантная ткань будет продуцировать аномальный фенотип (даже и у нормального хозяина). Эксперименты сходного типа можно проводить на тканях или органах, выращиваемых в культуре, примерно таким же образом, как в описанных в гл. 5 экспериментах по совместному выращиванию дермы и эпидермиса мыши, ящерицы и курицы, только вместо соединения тканей от животных разных видов соединяют ткани или органы мутантных и немутантных особей.

Создание мозаичных особей проводилось в еще более широких масштабах Минц (Mintz) и ее сотрудниками. Этим исследователям удалось сращивать in vitro целых мышиных зародышей на стадии морулы. Таких «гибридных» зародышей имплантируют затем псевдобеременной самке. Получающиеся в результате мыши, происходящие от четырех родительских особей, состоят из смеси клеток двух разных генотипов, причем активны оба генотипа. Этот метод можно также использовать для анализа автономности экспрессии мутантных генов, сращивая мутантных и нормальных зародышей на стадии морулы.

Следует упомянуть еще об одном методе такого типа - о парабиозе. Он состоит в сращивании целых животных, а не просто органов или тканей. Необходимо указать, однако, что при таком сращивании не получается действительно интегрированных мозаичных особей. При всех этих методах необходимо, чтобы трансплантируемые ткани, органы или сращиваемые зародыши были совместимы. У низших позвоночных, таких как амфибии, это не представляет серьезной проблемы; однако у млекопитающих дополнительное осложнение возникает в связи с возможностью отторжения трансплантата, так что следует сначала убедиться в том, что мутантная и нормальная особи иммунологически совместимы.

Остается привести еще два метода, специфичные для генетики развития и применяемые почти исключительно при работе с Drosophila melanogaster. Это создание гинандроморфов и индукция мозаичных особей путем митотической рекомбинации. Гинандроморфами называют взрослых мух, тело которых состоит как из мужских, так и из женских тканей. Используя тип дробления, характерный для двукрылых, и их особую кольцевую Х-хромосому, таких мозаичных особей можно постоянно получать в лабораторных линиях. В норме X-хромосома дрозофилы имеет форму палочки, на одном конце которой находится центромера. Одна из мутантных форм этой хромосомы представляет собой замкнутое кольцо. Кольцо это обладает интересной особенностью: при нескольких первых делениях дробления оно нестабильно. Эта нестабильность может привести, в частности, к утрате кольцевой хромосомы одним из двух дочерних ядер, образующихся при первом делении дробления. Если утрата происходит на этой стадии, то в результате дальнейших делений дробления создается популяция ядер, одна половина которых содержит кольцевую Х-хромосому, а другая не содержит ее. Если зигота, начиная делиться, представляет собой гетерозиготную самку - палочка-Х/кольцо-Х, то после такой утраты половина ее ядер окажется женскими и будет содержать две Х-хромосомы - кольцо-Х/палочка-Х, а другая половина - мужскими и будет содержать только одну Х-хромосому - палочка-Х/О (пол у дрозофилы определяется соотношением Х-хромосом и аутосом, а не Y-хромосомой, как у млекопитающих). После восьми синцитиальных делений в яйце образуется скопление ядер. Это скопление, однако, не представляет собой случайной смеси типов ХО и XX. Ядра этих двух типов образуют две пространственно разделенные группы, расположение которых определяется плоскостью первого деления дробления. Поэтому, когда такая популяция ядер мигрирует к периферической цитоплазме, с тем чтобы образовать клеточную бластодерму, она мигрирует в виде двух соприкасающихся, но обособленных групп мужских и женских ядер. Взрослая муха, развивающаяся из такого гинандро-морфного зародыша, также будет мозаичной. Как показано на рис. 7-3, количество и расположение взрослой ткани мужской или женской природы непостоянно. Это происходит потому, что плоскость первого деления дробления располагается случайным образом по отношению к осям яйца. Поэтому если плоскость первого дробления делит яйцо по длинной оси на правую и левую половины, то из него разовьется билатеральный гинандроморф. Вариации этого простого случая приведут к большей или меньшей доле мужской ткани в зависимости от того, сколько ядер ХО находится в тех участках бластодермы, которым суждено сформировать взрослые ткани. Если мутантный ген локализован в X-хромосоме, то его эффекты можно проанализировать в мозаичной особи просто при помощи палочковидной Х-хромосомы, содержащей мутантный аллель (рис. 7-3). У образующегося в результате гинандроморфа часть клеток будет иметь нормальный женский генотип XX, а остальные клетки - мутантный мужской генотип ХО.

Рис. 7-3. Образование гинандроморфов у Drosophila melanogaster. Утрата нестабильной кольцевой Х-хромосомы при одном из ранних делений дробления приводит к образованию двух генотипически различных популяций ядер: XX (темные кружки) и ХО (светлые кружки). Если в клеточной бластодерме эти две популяции разделены по среднесагиттальной плоскости, то образуется мозаичная взрослая муха, у которой одна половина имеет мужскую, а другая - женскую морфологию. Если некольцевая Х-хромосома несет рецессивные гены-маркеры, то они экспрессируются в мужской ХО-половине. На это указывают укороченное крыло и белый глаз (муха в ряду А). Две мухи в нижнем ряду иллюстрируют результаты утраты кольцевой Х-хромосомы, за которой следует разделение либо в передне-заднем (Б), либо в косом (В) направлении (Strickberger, 1976).

Последний метод - индуцированная соматическая рекомбинация - не ограничивается анализом Х-хромосомы, а поэтому имеет несколько более широкое применение. Если данная муха гетерозиготна по какому-либо мутантному гену и его нормальному аллелю, то в результате нормальных митотических делений ядра всех ее клеток будут идентичны и также гетерозиготны. Если, однако, подвергнуть развивающийся организм воздействию рентгеновских лучей, то можно вызвать в его клетках кроссинговер между гомологичными хромосомами (подобно кроссинговеру при мейозе). Клеточное деление, происходящее после такого обмена, может привести к разделению двух кроссоверов (рис. 7-4). Получающиеся в результате дочерние клетки уже не будут гетерозиготными по мутантному гену; одна из них будет гомозиготна по данной мутации, а другая гомозиготна по нормальному аллелю. В дальнейшем дочерние клетки, происходящие от каждого из этих двух реципрокных типов, составят отдельные клоны и в зависимости от своего местоположения в организме животного и времени появления в процессе онтогенеза образуют мозаичные участки разного размера, находящиеся в разных местах тела взрослой особи. Следует указать, что, в сущности, такой мозаичный организм состоит из клеток трех разных типов, потому что два гомозиготных клона возникают на фоне гетерозиготной ткани (рис. 7-4). В этой ситуации можно также определить выживание мутантной ткани по сравнению с нормальной или относительные скорости их роста, потому что если расположить соответствующим образом маркеры в исходной гетерозиготной клетке, то единичный кроссинговер приведет к образованию участков-двойников, т.е. примыкающих одна к другой полосок тканей двух типов. Описанные выше методы создания мозаичных особей позволяют получить данные о специфичности места действия гена для любого дефекта, вызванного мутацией. То или иное морфологическое отклонение, обусловленное каким-либо мутантным геном, может быть результатом непосредственного воздействия данного гена на аномальную ткань как таковую или же результатом неспособности другой, морфологически незатронутой ткани поставлять какой-то компонент, необходимый для нормального развития этой аномальной структуры. Хорошим примером служит сцепленный с полом ген vermilion (v) у дрозофилы. У мух с мутацией v глаза ярко-красные в отличие от темно-красных глаз мух дикого типа. Это отклонение от нормы обусловлено тем, что у v-мутантов не синтезируются коричневатые пигменты - оммохромы, обычно содержащиеся в глазу. При помощи метода анализа мозаичных особей можно показать, что нарушение синтеза пигмента локализовано не в самом глазу. Например, у гинандроморфных мух с мужскими, а следовательно, v-мутантными головой и глазами и женским v + - туловищем глаза имеют нормальную пигментацию. Создавая мозаиков, содержащих нормальные и мутантные ткани в различных соотношениях, удалось установить, что на самом деле одна из стадий синтеза недостающего пигмента происходит в жировом теле личинки. Затем продукт, создаваемый на этой стадии, очевидно, переносится в развивающийся глаз, где он используется для образования глазного пигмента. Таким путем действительно можно различать истинные и относительные плейотропные эффекты любого генетического повреждения.

Рис. 7-4. Тест на выявление клеточной автономии летального фактора, основанный на соматическом кроссинговере, индуцированном рентгеновскими лучами. А. Вид грудного отдела D. melanogaster со спинной стороны. Два клона клеток, возникшие в результате соматического кроссинговера, образовали два участка-двойника, из которых один несет желтые, а другой - опаленные (singed) щетинки. Наличие «желтого клона» показывает, что летальный фактор неавтономен в своем действии. Б. Генотип по Х-хромосоме из гетерозиготной клетки, которая после кроссинговера дает начало двум гомозиготным дочерним клеткам, у - желтая окраска тела; l - летальный фактор; sn - опаленные щетинки (Hadorn, 1961).

Сочетая эти наблюдения с определением самых ранних отклонений от нормы, выявляемых в мутантном организме, иногда удается установить вероятные причинно-следственные зависимости и начать понимать природу данного генетического дефекта. Если, однако, наблюдаемая летальная фаза наступает на очень ранних стадиях развития, прежде чем сформируются обособленные структуры или органы, то определение точного места действия рассматриваемого гена затрудняется. Ранняя летальность может быть вызвана двумя разными причинами: отсутствием у зародыша какой-то необходимой биохимической функции (например, одного из элементов механизма белкового синтеза) или нарушением какой-либо ранней, но определенной морфогенетической активности. Как же нам различать дефекты этих двух типов? Один из способов состоит в определении времени действия изучаемого гена. Отсутствие функции, без которой совершенно невозможно обойтись и которая необходима всем клеткам, должно приводить к летальному исходу на всех стадиях развития и в тканях всех типов. Тот или иной конкретный ген, определяющий морфогенез, должен обладать более точным местом и временем действия.

В идеале нам хотелось бы иметь возможность как-то обойти раннюю летальную фазу, а затем восстановить рассматриваемый генетический дефект. Этого можно достигнуть двумя способами. Первый из них - метод соматической рекомбинации, который дополняется тем, что мутантные клоны индуцируются на разных стадиях онтогенеза. Если анализируемый ген действительно кодирует какую-то совершенно необходимую метаболическую функцию, то мутантные клоны не смогут выжить или создать нормальный фенотип независимо от времени или места их возникновения. Если, однако, этот ген активен в течение какого-то дискретного отрезка времени, то только мутации, возникшие после этого времени, смогут дать клоны клеток, которые выживут и у которых будет происходить нормальный морфогенез. Аналогичным образом мутантные гены, функционирующие только в определенной ткани или органе, не могут обеспечить развитие в этих структурах жизнеспособных клонов или клонов дикого типа. Возможны и такие случаи, когда активность данного гена ограничена дискретным отрезком времени и определенным местом. Мутация такого гена, если она возникла до этого времени, приведет к неспособности соответствующих клонов выжить или образовать нормальные структуры в определенной ткани. Однако мутации, возникшие на последующих стадиях развития, не затронут клетки этой ткани.

Наконец, наиболее информативный, хотя и ограниченный в своей применимости, метод состоит в выявлении условных мутаций, т. е. мутаций, проявляющихся при определенных условиях, например при повышенной температуре. В этом случае, изменяя температурный режим, можно сдвигать начало проявления мутационного эффекта на любой момент развития. (Конечно, при работе с гомойотермными животными мутации такого тина довольно бесполезны.) Рассмотрим в качестве примера температурочувствительный летальный ген дрозофилы, который приводит к гибели особи при 29°С (непермиссивная температура). Если выращивать мух при этой температуре, то мутантные особи гибнут на стадии куколки, тогда как при 20°С развитие протекает нормально. Культуры мутантных мух выращивают сначала при высокой температуре, а затем снижают температуру и наблюдают за судьбой насекомых. В реципрокных экспериментах мух сначала выращивали при низкой температуре, а затем повышали ее. В экспериментах с понижением температуры самый ранний срок проявления летального синдрома означает начало так называемого температурочувствительного периода (ТЧП). В реципрокных экспериментах с повышением температуры определяли самый поздний срок, после которого мутантный фенотип уже не экспрессируется. Этот срок соответствует окончанию ТЧП. Если удается обнаружить дискретный ТЧП, то это может быть подтверждено путем кратковременных воздействий (pulses) на культуры мутантных особей температур, подавляющих их развитие. Кроме того, можно воздействовать кратковременными изменениями температуры только на отдельные отрезки ТЧП, с тем чтобы определить, можно ли частично улучшить фенотип или же устранить некоторые плейотропные эффекты. Зависимость между ТЧП и фактическим временем гибели также может дать ценную информацию, особенно если ТЧП отделен от летальной фазы существенным промежутком времени. Сопоставив такого рода результат с ранними деталями и жизненно необходимыми функциями, можно убедиться, что если данный ген и его продукт необходимы организму постоянно, то ТЧП оказывается не дискретным, а непрерывным. Если же, однако, данная ранняя функция необходима зародышу только на ранних стадиях развития, то, после того как этот период пройден, воздействие непермиссивной температуры не окажется гибельным. Некий жизненно важный путь в необратимом процессе развития завершен. («Судьба мой путь предначертала, он только след ее пера» - Омар Хайям.) Каждый из описанных здесь методов может быть использован для выяснения отдельных вопросов, касающихся характера важных для процесса развития генетических повреждений. Кроме того, при совместном применении нескольких из этих методов можно получить действительно ценные сведения о том, каким образом нормальные гены участвуют в процессе развития. В полезности этого подхода можно убедиться на ряде примеров, таких как результаты, полученные Сузуки (Suzuki) и его сотрудниками при анализе двух температурочувствительных леталей у Drosophila melanogaster.

Первый из этих генов был впервые обнаружен как простой рецессивный сцепленный с полом летальный признак, который к тому же оказался чувствительным к температуре. Если мух выращивали при 29°С, то на стадии куколки они погибали, если же их выращивали при 22°С, они развивались нормально. Эксперименты со сдвигами температуры показали, что ТЧП непосредственно предшествует летальному периоду. Во время этих исследований у некоторых из выживающих особей был обнаружен измененный цвет глаз. Последующие генетические тесты показали, что температурочувствительный летальный ген представляет собой аллель уже описанного ранее локуса, названный ras (от raspberry - малиновый) по цвету глаз у мутантов. Известно, что эта мутация оказывает плейотропное действие на пигментацию, изменяя не только цвет глаз, но и пигментацию семенников взрослых особей и малъпигиевых сосудов личинок. Дальнейшие исследования с воздействием сдвигов температур на температурочувствительную мутацию ras позволили Грильятти (Grigliatti) и Сузуки определить, что ТЧП для пигментации мальпигиевых сосудов приходится на ранние личиночные стадии, а ТЧП для пигментации как глаз, так и семенников - на конец стадии куколки, наступая на четыре дня позднее. Следовательно, действие этого гена необходимо в течение двух отдельных периодов в процессе развития. Однако все еще оставалось невыясненным, является ли это относительным плейотропным эффектом или истинной плейотропией? Ответ на этот вопрос был получен путем определения автономности дефекта пигментации. Если отсутствие пигментации вызвано неспособностью одной ткани вырабатывать некий общий пигмент, который затем переносится к семенникам, мальгипиевым сосудам и глазам, то эти дефекты опосредованы или относительны. Однако, используя метод с кольцевой Х-хромосомой для создания гинандроморфов, удалось показать, что дефекты пигментации глаз и мальпигиевых сосудов автономны и специфичны для этих двух тканей; т. е., для того чтобы экспрессировать мутантный фенотип, данная ткань должна нести в своих клетках мутантный аллель. Поэтому создается впечатление, что один и тот же ген ras детерминирует синтез пигмента в трех разных тканях в течение двух различных периодов онтогенеза дрозофилы. Этот результат принципиально отличается от относительной плейотропии, наблюдаемой при синдроме серповидноклеточной анемии, и свидетельствует о существовании как истинной (прямой), так и относительной (опосредованной) плейотропии.

Еще более яркой иллюстрацией этого положения служит вторая мутация, проанализированная Сузуки и его сотрудниками. Эта мутация была названа shibire (что в переводе с японского означает «парализованная»); ее первоначально выделили как сцепленное с полом температурочувствительное поражение паралитического характера. Взрослые самцы и самки мух, несущие эту мутацию, при 22°С сохраняют нормальную подвижность. Если же повысить температуру до 29°С, то полностью парализованные мухи сейчас же падают на дно пробирки. Если вновь вернуть их в прежние условия (22°С), то через несколько минут они начинают двигаться и вскоре кажутся совершенно нормальными. Физиологическую основу этого дефекта установили Икеда (Ikeda) и его сотрудники; вводя микроэлектроды в летательные мышцы нормальных мух и мутантов shibire, они измеряли синаптический потенциал и потенциал действия, вызываемые раздражением двигательного нерва, иннервирующего эти мышцы. При нагревании до 29°С мышечные волокна мутантов никак не реагировали на раздражение, тогда как у мух дикого типа сохранялись нормальные реакции. Если, однако, мышцу раздражали непосредственно, а не через нерв, то у мутантов shibire удавалось вызвать ее сокращение даже при 29°С. Более того, Икеда и др. показали способность нервного волокна мутанта передавать импульсы при этой температуре. Таким образом, создается впечатление, что паралитическое поражение локализовано в нервно-мышечном синапсе, который теряет способность к проведению раздражения при температуре 29°С.

Это, однако, не единственный дефект, наблюдаемый у мутантов shibire. Пудри, Холл и Сузуки (Poodry, Hall, Suzuki) изменяли температуру, в которой содержались развивающиеся зародыши и личинки мух, с тем чтобы выяснить, не вызывает ли это у личинок паралича и каких-либо нарушений развития. Оказалось, что повышение температуры до 29°С на любой стадии развития приводит к параличу и гибели; отсюда следует, что для развития дрозофилы, по-видимому, необходимо нормальное функционирование локуса shibire. В экспериментах с кратковременными воздействиями (pulses) высокой температуры было показано, что переноса на 18 ч в температуру 29°С было достаточно, чтобы убить развивающихся личинок и зародышей. Более кратковременные тепловые воздействия (2, 4 и 6 ч) вызвали совершенно неожиданные дефекты развития. Шестичасовое воздействие выявило шесть критических периодов, в течение которых для нормального развития совершенно необходим ген shibire или его продукт, а в случае их отсутствия наступает смерть. Один период высокой чувствительности приходится на гаструляцию; в это время достаточно двухчасового теплового воздействия, чтобы убить насекомое. В этом случае гибель наступает не от необратимого паралича, как при 18-часовом воздействии, а, по-видимому, в результате какого-то другого нарушения.

Эксперименты с кратковременными тепловыми воздействиями выявили также ТЧП для нескольких внешне заметных дефектов у взрослых мух (рис. 7-5). Наиболее резко выраженный из них - вертикальный «рубец» на глазу, вызванный разрушением фасеток (рис. 7-6). Рубец возникает после кратковременного теплового воздействия в течение 3-6 ч, которое начинали примерно за 48 ч до наступления стадии куколки и прекращали сразу же после того, как куколка сформировалась (рис. 7-5). При соответствующем распределении этих воздействий во времени можно получить муху с двумя рубцами на глазу и показать, что в течение ТЧП положение рубца перемещается с заднего края глаза к переднему. Интересно отметить, что в этот период направление перемещения и расположение рубца на глазу соответствует волне клеточных делений, проходящих по развивающемуся глазу аналогичным образом.

Тепловое воздействие оказывает также влияние на образование щетинок и волосков на груди и на голове мухи, однако ТЧП для этих структур наступает несколько позднее, чем для глаза (рис. 7-5). Тепловые воздействия, оказываемые в начале ТЧП, приводят к дупликации щетинок, тогда как более поздние воздействия приводят к отсутствию щетинок этих же типов. Как и в случае рубцов на глазу при более поздних в течение ТЧП кратковременных воздействиях эти эффекты сдвигаются в направлении от заднего края глаза кпереди.

Возникновение у мутантов shibire дефектов во многих разных тканях показывает, что функция этого гена далеко не специфична и не ограничивается нарушением в области нервно-мышечного синапса. Это, возможно, лучше всего проявляется в том, что у зародышей, мутантных по данному гену, гаструляция - событие, происходящее задолго до того, как у зародыша можно обнаружить нервы или мышцы или же выявить их функцию, - крайне чувствительна к температуре.

Рис. 7-5. Периоды чувствительности к температуре, соответствующие различным генетически обусловленным нарушениям развития. Толстые черные полоски - периоды особенно высокой чувствительности мутантных особей к воздействию непермиссивных температур. Более длительные воздействия, чем те, которые необходимы для того, чтобы вызвать указанные на рисунке аномалии, приводят к гибели насекомых. А. Нарушения, вызываемые мутацией shibirets (Poodry, Hall, Suzuki, 1973). Б. Нарушения, вызываемые мутацией Notshts (Shellenbarger, Mohler, 1978; с изменениями).

Рис. 7-6. Микрофотографии (сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа) глаз взрослых мух shibirets, подвергавшихся температурному воздействию в период, когда это воздействие вызывает образование рубцов на глазах. А. Воздействие в начале периода - рубец сдвинут к заднему краю глаза. Б. Воздействие в середине периода - рубец проходит через центр глаза. В. Воздействие в конце периода - рубец сдвинут к переднему краю глаза. Г. Двукратное воздействие - образование двух рубцов (Фото А-В - Poodry, Hall, Suzuki, 1973; фото Г - Suzuki, 1973).

Предварительное заключение, которое можно вывести из этих исследований, состоит в том, что ген shibire вырабатывает какой-то компонент мембраны, необходимый для некоторых типов взаимодействия или обмена информацией между клетками. Этот компонент, по-видимому, необходим для различных процессов, связанных с его главной функцией-коммуникацией между клетками, - но каждый отдельный ТЧП с соответствующим ему дефектом отражает, возможно, то, в чем именно состоит роль данной специфичной функции на данной стадии развития. Здесь снова перед нами случай истинной плейотропии, демонстрирующий способность одного гена оказывать воздействие на несколько, казалось бы, в корне различных морфогенетических событий. Другой вывод, вытекающий из этих результатов, - полезность изучения температурочувствительных аллелей. Независимая от температуры мутация shibire вызвала бы просто гибель зародыша, едва приступившего к клеточной дифференцировке, и не дала бы никаких сведений ни о характере генного продукта, ни о многообразии его действия.

При интерпретации результатов анализа температурочувствительных мутаций следует, однако, учитывать ряд моментов, затрудняющих применение этого метода. Принято считать, что ТЧП позволяет установить, в какое время используется данный генный продукт, т. е., если речь идет о ферменте, тот период, в течение которого необходима его метаболическая функция. Это, однако, относится не ко всем случаям. Иногда чувствительность к температуре бывает обусловлена аномальным синтезом конкретного белка в процессе трансляции. Образующийся при этом белок неактивен даже при пермиссивной температуре. Кроме того, этот белок, если он был синтезирован при пермиссивных условиях, в дальнейшем уже нечувствителен к повышению температуры. Поэтому ТЧП для этого нарушения отражает не время действия гена, а время синтеза генного продукта. Зависимость между временем транскрипции гена, временем использования генного продукта и ТЧП данного чувствительного к температуре нарушения развития может быть определена только путем более глубокого изучения характера продукта рассматриваемого гена или же независимой оценки времени транскрипции этого гена. Поэтому, для того чтобы получить полное представление о роли какого-либо гена в процессе онтогенеза, необходимо применить несколько экспериментальных стратегий, заимствованных из разных областей науки.

Используя методы генетики развития, можно продемонстрировать существование обширного ряда генетических дефектов, возникновение которых приурочено к определенным периодам онтогенеза. Ниже мы рассмотрим гены разного типа, которые могут быть использованы эволюционным процессом для создания морфологических изменений.

 

Мутации с материнским эффектом

У таких разных организмов, как морские ежи и лягушки, события, происходящие на ранних стадиях дробления, и, в сущности, большая часть, если не все развитие, предшествующее гаструляции, не зависят от генома зиготы. Информацию, необходимую для выполнения этих начальных и решающих этапов онтогенеза, определяет материнский геном при образовании яйцеклетки. Как было показано в гл. 4 на примере закручивания раковины у Limnaea, такое заключение подтверждается существованием у широкого круга различных организмов так называемых генов с материнским эффектом. Мутации этих генов передаются по наследству чрезвычайно своеобразным способом. При скрещивании двух особей, гетерозиготных по какому-либо рецессивному признаку, следует ожидать, что этот признак проявится у 25% потомков. Однако в случае материнских (mat) мутаций особи mat/mat развиваются нормально. Более того, мужские особи с таким генотипом фертильны и при скрещивании с нормальными женскими особями дают нормальных потомков. В отличие от этого гомозиготные самки дают аномальных потомков. Это объясняется тем, что у таких самок образуются аномальные яйцеклетки, которые не могут завершить нормальное развитие (рис. 7-7). Самка mat/mat выживает, потому что она происходит от гетерозиготной (mat/+) матери, способной продуцировать нормальные яйца. Хотелось бы сделать вывод, что гены, дающие такие мутации, продуцируют какие-то «морфогены», которые образуются в развивающемся ооците в качестве «инструкции» для раннего развития. Однако возможно также, что яйцо неспособно развиваться просто вследствие какого-то общего нарушения метаболизма. Подходящим примером служит группа из пяти различных дефектов, наследуемых по материнскому типу и определяемых генами, локализованными в Х-хромосоме Drosophila melanogaster: tin (cinnamon), dor (deep orange), amx (almondex), fu (fused) и r (rudimentary). Все эти признаки, помимо того что они наследуются по материнскому типу, вызывают у взрослых особей заметные морфологические отклонения, по которым они и получили свои красочные названия. Гемизиготные самцы, обладающие любой одной из этих мутаций, жизнеспособны и фертильны, так же как и гетерозиготные самки. Скрещивая мутантных самцов с гетерозиготными самками, можно получить гомозиготных самок, которые при скрещивании с мутантными самцами оказываются совершенно стерильными. Например, самки dor/dor продуцируют яйца, развитие которых прекращается на стадии гаструляции. Остальные четыре мутации также вызывают гибель зародышей, но на несколько другой стадии, чем мутации dor. В характере наследования всех этих пяти мутаций есть еще одна аномальная особенность. Скрещивая гомозиготных мутантных самок с нормальными самцами, можно получить некоторое число потомков. Все это - гетерозиготные самки, развившиеся из яиц, оплодотворенных сперматозоидом, несущим Х-хромосому. Ни один самец не выживает. По-видимому, присутствие аллеля дикого типа рассматриваемого гена может несколько снизить дефектность яйца, даже если этот аллель вносится сперматозоидом. Это, конечно, подразумевает, что по крайней мере часть генома зиготы активна во время гаструляции.

Рис. 7-7. Передача летальной мутации, наследуемой по материнскому типу. Гомозиготность по гену mat (mat/mat) сама по себе нелетальна, если материнская особь была гетерозиготна по этому гену (mat/ +). Если же материнская особь была гомозиготна (mat/mat), то все ее потомки гибнут независимо от их фенотипа.

Как показал Геринг (Gehring), введение цитоплазмы яйца дикого типа зародышам dor спасает этих мутантных зародышей, восстанавливая их жизнеспособность. При дальнейшем анализе Курода (Kuroda) разработал проводимый in vitro тест на вещество dor + . Используя культуры клеток, выделенных из зародышей с мутацией dor, он обнаружил у мутантных мышечных клеток такие аномалии, как отсутствие способности к слиянию, которой обладают клетки нормальных зародышей. Если к культуре мутантных клеток добавляли экстракт из нормальных яиц, то этот дефект устранялся. Кроме того, используя цитоплазму зародышей dor разного возраста, спасенных при помощи сперматозоидов dor+, Курода показал, что dor + - вещество продуцируется во время гаструляции и после, но не до нее. С помощью этого теста он показал также, что спасающее вещество неустойчиво к нагреванию, а поэтому, возможно, представляет собой белок.

Остается, однако, неясным, в чем состоит нормальная функция гена dor + . Мы можем приступить к этому вопросу, рассмотрев, во-первых, плейотропный эффект мутации dor, вызывающей аномальную пигментацию глаз, а во-вторых, характер продукта другого мутантного гена - rudimentary, наследуемого по тому же типу. Аномальная пигментация глаз у мутантов dor связана с синтезом птеридинов - группы гетероциклических соединений, родственных нуклеиновым кислотам. Ген rudimentary, как показали Норби, Джарри и Фальк (Norby, Jarry, Falk), а также Роулс и Фристром (Rawls, Fristrom), кодирует первые три фермента, участвующие в биосинтезе пиримидинов. Об участии гена dor в метаболизме нуклеиновых кислот свидетельствует также то, что стерильность самок dor/dor можно частично ослабить, добавляя в среду, на которой выращиваются эти мухи, дополнительное количество пуринов. Поэтому возникает мысль, что аномалии, обусловливаемые мутацией dor, а возможно, и другими сходными с ней мутациями, возникают в результате нарушения синтеза или распада нуклеиновых кислот. На примере таких мутаций видно, как трудно отличать неспецифичные генетические мутации от мутаций, специфически воздействующих на механизмы, которые относятся только к морфогенезу.

Более вероятный кандидат на роль мутации, вызывающей недостаток фактора, необходимого для морфогенеза, - мутация oocytedeficient (о) у аксолотля (см. гл. 4). Пересаживая яичники от особей с мутацией о нормальным особям, Хамфри (Humphrey) показал, что влияние этого гена автономно, т.е. ограничено яичниками мутантных особей. Такой автономности нельзя ожидать, если дефект вызван недостаточностью какого-либо низкомолекулярного метаболита, способного распространяться путем диффузии. Однако, несмотря на обширные исследования Бриггса (Briggs) и его сотрудников, в результате которых было идентифицировано некое белковоподобное спасающее вещество, содержащееся в нормальных зародышах и ооцитах, точная природа этого дефекта неизвестна. Весьма любопытно, однако, что спасающий белок локализуется в зародышевом пузырьке (ядре ооцита), позволяя думать, что этот белок каким-то образом взаимодействует с генетическим материалом. В связи с такой возможностью интересно рассмотреть одну мутацию, обнаруженную недавно у дрозофилы. Мортен и Лефевр (Mortin, Lefevre) описали сцепленную с полом доминантную мутацию, локализованную в Х-хромосоме и названную ими Ultrabithoraxlike (Ubl). У самок, гетерозиготных по этой мутации (Ubl/+ ), жужжальца, или органы равновесия, имеющиеся у всех двукрылых, увеличены по сравнению со своими обычными размерами. Жужжальца расположены на третьем грудном сегменте и в эволюционном смысле представляют собой зачаточные крылья, играющие роль стабилизаторов во время полета. Мутация Ubl похожа на другую доминантную мутацию в третьей хромосоме, названную Ultrabithorax (Ubx), которая гомеозисна по своей природе. Более полное обсуждение этого и других гомеозисных локусов дается в гл. 8.

Увеличение жужжальца указывает на преобразование этого органа в направлении полностью дифференцированного крыла. Это проявляется в фенотипе самок мух, гетерозиготных по гену Ubl в Х-хромосоме (Ubl/ +) и по гену Ubx в третьей хромосоме (Ubx/+). Жужжальца таких мух снабжены маргинальными волосками и щетинками, характерными для крыла, а также крылевыми жилками; ни тех ни других структур на маленьких луковицеобразных жужжальцах обычно не бывает. Еще одно открытие Мортена делает мутацию Ubl очень подходящим объектом для обсуждаемого здесь вопроса: она обладает материнским эффектом (в отличие от Ubx). У гомозиготных самок и гемизиготных самцов аллель Ubl летален. Однако, снабдив муху дупликацией, содержащей нормальный аллель Ubl, можно получить взрослых самок с генотипом Ubl/Ubl/+ . При скрещивании с нормальными самцами эти самки фертильны и дают гетерозиготных потомков Ubl/+ . Если же скрещивать их с самцами Ubl/Y/+ (которые жизнеспособны благодаря той же самой дупликации), то эти самки оказываются совершенно стерильными и неспособны производить даже потомков Ubl/+ . Этот пример обладает одной любопытной особенностью, отличающей его от случая сходной стерильности, которая обнаружена у самок dor и которую можно устранить введением цитоплазмы мух дикого типа; она касается природы генного продукта локуса Ubl. Гринлиф (Greenleaf) и его сотрудники обнаружили в этом локусе еще одну мутацию, определяющую устойчивость к α-аманитину, который специфически подавляет РНК-полимеразу II эукариотических организмов. Эта полимераза - тот фермент, который осуществляет транскрипцию генов, кодирующих мРНК, т. е. структурных генов. Кроме того, подобно мутации Ubl в данном локусе, аллель, устойчивый к α-аманитину, во взаимодействии с геном Ubx детерминирует формирование крылоподобных жужжалец.

Как это разбирается в гл. 8, Гарсиа-Беллидо (Garcia-Bellido) и его сотрудники показали, что активность локуса Ubx необходима уже на стадии бластодермы, где он участвует в первичных детерминационных событиях, регулирующих сегментацию. Этот факт в сочетании с материнским эффектом мутации Ubl указывает на то, что для этих начальных событий, возможно, необходима полимераза, поставляемая с материнской стороны. Остается, однако, недоказанным, является ли взаимодействие измененной полимеразы с этими гомеозисными генами специфичным для этих локусов или же такая специфичность измененной полимеразы в действительности больше кажущаяся, чем реальная. Изменения в одной из субъединиц полимеразы II могут повлиять на связывание голофермента с промоторами многих или всех генов; так это взаимодействие, возможно, выявляет различную «силу» промоторов, причем промотор гена Ubx может быть очень слабым и чрезвычайно чувствительным к изменениям фермента. Так или иначе, установлено, что активность гена Ubx, правильное функционирование которого на ранних стадиях эмбриогенеза имеет решающее значение для нормального морфогенеза, может в значительной степени зависеть от материнского фермента, необходимого для генной транскрипции.

Непосредственная и чрезвычайно своеобразная роль описанных выше генов в морфогенезе остается проблематичной, однако Райс (Rice) и Герен (Garen) выделили из 3-й хромосомы Drosophila melanogaster группу мутаций с материнским эффектом, обладающих, по-видимому, специфическим действием на морфогенез. Три из них вызывают очень характерные и специфичные дефекты на стадии бластодермы у зародышей, происходящих от гомозиготных матерей. Первая мутация mat(3)1 не допускает образования нормальной разделенной на клетки бластодермы после начальных синцитиальных делений дробления. Однако на заднем конце зародыша все же образуются полярные клетки. В нормальном зародыше эта группа клеток - клетки зародышевого пути - предназначена для образования гамет. Поэтому создается впечатление, что у такого мутанта развиваются клетки зародышевого пути и несколько соматических клеток. Интересно, что, несмотря на отсутствие нормальной бластодермы, полярные клетки пытаются инвагинировать, как при нормальных обстоятельствах они сделали бы при гаструляции; это показывает, что по крайней мере некоторые из ранних перемещений клеток зародыша не нуждаются в межклеточных взаимодействиях или адгезиях.

Вторая мутация mat(3)6 также образует только частичную бластодерму. Ядра синцития мигрируют в кортикальную цитоплазму, как у нормальных зародышей; однако целлюляризация происходит только на переднем и заднем концах зародыша. Распределение клеток у этих двух мутантов на стадии бластодермы показано на рис. 7-8. У мутанта mat(3)6 опять-таки, как и у мутанта mat(3)1, полярные клетки пытаются инвагинировать и зародыш предпринимает абортивную попытку к гаструляции. В дальнейшей работе с зародышами mat(3)6 Райс и Герен определяли потенциальные возможности образуемых ими клеток. Как уже было показано Герингом (Gehring), если на стадии бластодермы разрезать зародыш пополам и инъецировать половинки взрослым самкам дрозофилы, то можно получить культуры клеток. Затем, пересаживая эти клетки из брюшка самки в метаморфизирующую личинку, можно испытать их способность к образованию имагинальных структур. Когда личинка превратится во взрослую особь, такая же дифференцировка произойдет и у всех инъецированных клеток, способных к образованию имагинальных тканей. Используя этот метод, Чен и Геринг (Chan, Gehring) продемонстрировали, что на стадии бластодермы передний конец зародыша уже детерминирован на образование только структур, располагающихся на переднем конце взрослой особи, а задний конец - только задних структур. Раис и Герен применяли этот метод к своим мутантным зародышам и обнаружили у них образование только самых передних, т. е. головных, и задних - брюшных - структур. Никаких элементов груди не возникало. Таким образом, создается впечатление, что у этих мутантов формируются лишь очень специфичные части клеточной бластодермы и что продукты материнских генов принимают участие в целлюляризации определенных частей раннего зародыша.

Рис. 7-8. Характер целлюляризации бластодермы у потомков трех самок дрозофилы, несущих мутации с материнским типом наследования. Зародыши расположены таким образом, что их передние концы находятся вверху, а дорсальная поверхность справа. Полярные клетки, расположенные на заднем конце зародыша, крупнее соматических клеток. А. Нормальная самка. Б. Мутант gs. В. Мутант mat (3)6. Г. Мутант mat (3)1 (Rice, Garen, 1975; Mahowald, Caulton, Gering, 1979).

Третью материнскую мутацию этого типа изучал Маховалд (Mahowald) со своими сотрудниками на другом виде - Drosophila subobscura. Это мутация gs (grandchildless), наследуемая по материнскому типу, но несколько иначе, чем мутации, которые изучали Раис и Герен. Самки, гомозиготные по рецессивному аллелю (gs/gs), фертильны и дают жизнеспособных потомков. Однако все их потомки как мужского, так и женского пола стерильны. Таким образом, исходная самка gs неспособна произвести F2 (т.е. «внуков»). В основе этого явления лежит тот факт, что у зародышей, происходящих от матерей gs/gs, не образуются полярные клетки, а следовательно, достигнув взрослого состояния, они неспособны производить гаметы. Более точная причина этой их неспособности состоит в том, что ядра полярных клеток, которые у нормального зародыша мигрируют во время дробления на самый задний его конец, у мутантного зародыша не проделывают этого в нужные сроки. Илмензе и Маховалд (Illmensee, Mahowald) показали, что этот участок зародыша содержит «детерминанты», с помощью которых определяется судьба этих полярных клеток, предназначенных для образования клеток зародышевого пути. Мутация gs, по-видимому, препятствует взаимодействию между ядром и цитоплазмой. Интересно, что у gs-зародышей ко времени образования бластодермы нарушается целлюляризация не только на заднем, но и на переднем конце зародыша. Это показано на рис. 7-8, на котором можно сравнить три мутации, нарушающие образование бластодермы. Любопытный момент состоит в том, что пространственное распределение целлюляризации у gs-зародышей реципрокно ее распределению у mat(3)6-зародышей.

Последняя и, вероятно, самая удивительная мутация, наследуемая по материнскому типу, - это мутация bic (bicaudal) у Drosophila melanogaster. Этот дефект, обусловленный аутосомным рецессивным геном, был впервые обнаружен Баллом (Bull), а позднее был проанализирован Нюсслейн-Фольгардом (Nusslein-Volgard). Гомозиготные самки bic/bic продуцируют зародышей, у которых при гаструляции обнаруживаются два задних конца и ни одного переднего. Удивительно, что, хотя потомки мутантов bic не могут вылупиться из яйцевой оболочки, эти двухвостые уроды, прежде чем погибнуть, завершают эмбриональное развитие и достигают личиночной стадии. Как показывает рис. 7-9, все нормальные кутикулярные структуры заднего конца тела образуются у этих зародышей на обоих концах. Их фенотип поразительно сходен с фенотипом, созданным экспериментально Кальтгоффом (Kalthoff) у двукрылого Smittia, обсуждавшегося в гл. 4. Поэтому разумно предположить, что локус bic ответствен за синтез какого-то продукта, локализованная активность которого сходна с активностью морфогенетического фактора, экспериментально разрушенного Кальтгоффом.

Рис. 7-9. Кутикулы личинок (вид сбоку) дрозофилы, происходящих от нормальной самки (вверху) и самки, гомозиготной по мутации bic (внизу). Микрофотографии сделаны методом темнопольной микроскопии. Личинки повернуты передним концом влево и дорсальной стороной вверх. У мутантных личинок на вентральной поверхности имеются только обильные брюшные зубчики. Форма и расположение этих зубчиков зеркально-симметричны по обе стороны от передне-задней средней линии. 1 - ротовые части; 2 - заднее дыхальце (Nusslein-Volhard, 1977).

Описанные выше примеры показывают участие материнского генома и его продуктов в событиях, происходящих на ранних этапах развития. Существование таких генов, как dor и r, демонстрирует влияние ферментов, поставляемых материнским организмом, на метаболизм раннего зародыша, тогда как дефекты, обнаруженные в результате исследования аллелей mat и bic, показывают, что материнский организм во время оогенеза передает также информацию, касающуюся расположения и организации структур. И наконец, эффекты, вызываемые мутацией Ubl у дрозофилы и мутацией о у аксолотля, вскрывают роль исходящей от материнского организма информации, необходимой для надлежащей активации генома зиготы.

 

Мутации, затрагивающие органогенез

Как мы убедились выше, события, происходящие на ранних стадиях развития, в значительной степени зависят от информации, поставляемой материнским организмом. Однако примерно ко времени гаструляции важную роль в дальнейшем развитии начинает играть генетическая информация самого зародыша, и организм приобретает возможность контролировать свою судьбу. Для морфогенетических событий, следующих за формированием бластодермы, необходим синтез РНК и ее трансляция в белок. О необходимости генетической информации зародыша можно также судить по большому числу мутаций, оказывающих влияние на события, происходящие после гаструляции, и указывающих, таким образом, на существование генов, регулирующих эти события. У этих мутаций не наблюдается наследования по материнскому типу.

В качестве примера можно воспользоваться локусом N (Notch) у Drosophila melanogaster. Notch-сцепленная с полом доминантная мутация, являющаяся одновременно рецессивной деталью. Гомозиготные самки (N/N) и гемизиготные самцы (N/Y) гибнут на стадии зародыша спустя примерно 6 ч после оплодотворения. Это время соответствует моменту, непосредственно следующему за гаструляцией, когда зародыш проделал примерно четвертую часть эмбриогенеза. Гистологические и морфологические исследования, проведенные Паулсоном (Paulson) на этих зародышах, показали, что вентральная и латеральная эктодерма, которая обычно дает начало эпидермису и нервным клеткам, образует только клетки, похожие на нейробласты, а эпидермиса не образует вовсе. Поэтому можно предполагать, что локус Notch необходим для дифференцировки из зародышевой эктодермы нервной ткани в противовес эпидермальной. Оказалось, однако, что это несколько упрощенное объяснение. Шелленберджер (Shellenbarger) и его сотрудники выделили из локуса Notch температурочувствительный аллель и охарактеризовали его. Мухи, содержащие этот аллель, при температуре 22°С развиваются нормально, тогда как при 29°С наблюдается описанная выше гибель зародышей. В экспериментах со сдвигами температур, подобных рассмотренным в начале этой главы для мутантов shibire, было установлено, что к дефекту локуса Notch и недостаточности продукта этого локуса зародыш чувствителен не только в этот ранний период эмбриогенеза. Результаты экспериментов с изменением температуры представлены на рис. 7-5. При помощи кратковременных повышений температуры были выявлены еще три периода, когда мутантному организму жизненно необходима нормальная активность локуса Notch. Воздействия непермиссивной температуры на личинок второго или третьего возраста или на куколок приводили к летальному исходу. Более того, кратковременные воздействия (pulses) в определенные периоды третьей личиночной стадии или на стадии куколки вызывали такие же рубцы на глазах и дефекты щетинок, как у мутантов shibire (рис. 7-5). Поэтому, подобно shibire, мутация Notch обладает гораздо более широким действием, чем можно было бы ожидать на основании ее главного фенотипического проявления. Все структуры, на которые она действует, эктодермального происхождения, и в своих дальнейших экспериментах с гинандроморфами Шелленберджеру удалось показать, что наблюдаемые морфологические дефекты автономны и присущи только эктодермальным клеткам. Таким образом, снова, как и в случае мутаций shibire, создается впечатление, что один и тот же продукт мутанта Notch необходим разным клеткам эктодермального происхождения в течение нескольких дискретных периодов на всем протяжении развития. Следует также отметить, что для завершения одного и того же набора онтогенетических событий необходимы два разных гена, Notch+ и shibire + , и что отсутствие того или другого из них приводит к удивительно сходному комплексу нарушений.

У домовой мыши (Mus musculus) имеется один сложный ген, Т-локус, который во многом сходен с только что описанной системой Notch. Первый аллель этого локуса был описан как аутосомный доминантный аллель, названный Brachyury (Т). У мышей, гетерозиготных по этому гену, Т/+, хвосты короткие. В гомозиготном состоянии (Т/Т) этот ген летален и зародыши гибнут внутриутробно. Вскоре после обнаружения этой доминантной мутации было установлено, что потомки от скрещивания гетерозигот (Т/+) с мышами дикого типа часто вовсе лишены хвоста. Оказалось, что эти бесхвостые мыши - результат рецессивных аллелей Т-локуса, часто встречающихся в природных популяциях мышей. Следовательно, эти бесхвостые мыши имели генотип T/t. От скрещиваний между такими гетерозиготными мышами T/t были получены бесхвостые мыши, размножающиеся в чистоте. Позднее было показано, что это обусловлено «сбалансированной системой леталей». Как оказалось, среди потомков от скрещивания гетерозигот летальными были не только гомозиготы Т/Т, чего следовало ожидать, но и гомозиготы t/t. Таким образом, выживали только гетерозиготы T/t, которые и давали следующее поколение. Эта интригующая ситуация была изучена как генетически, так и эмбриологически в ряде изящных работ Денна (Dunn), его учеников Беннета (Bennett) и Глюксон-Вэлша (Gluechsohn-Waelsch).

В результате генетических исследований вновь полученных линий, сбалансированных по леталям, было установлено, что скрещивания между бесхвостыми мышами, получившими свой рецессивный аллель t от разных популяций, часто давали нормальных потомков. В частности, от скрещивания T/t a x T/t b были получены нормальные и бесхвостые потомки в соотношении 2:1. Можно показать, что потомки с нормальными хвостами имеют генотип t a /t b . Таким образом, этот генотип был не только нелетальным, но и нормальным морфологически. Еще одна особенность этого локуса была обнаружена при скрещиваниях между самими линиями, сбалансированными по летал ям. Обычно скрещивание гетерозиготы T/t a с такой же гетерозиготой дает только бесхвостых потомков. Однако изредка (1:500 - 1:1000) среди потомков встречаются мыши с нормальными хвостами. Эти нормальные мыши почти всегда получаются в результате редкой генетической рекомбинации в 17-й хромосоме, в участке, соответствующем локусу Т или примыкающем к нему. Можно показать, что наличие хвоста у этих реком-бинантных потомков обусловлено тем, что одновременно с рекомбинацией произошло превращение первоначального аллеля t a в новый аллель t x , который комплементарен аллелю t a таким же образом, как некоторые t-аллели, происходящие от мышей дикого типа, комплементарны друг друга. Различие, конечно, состоит в том, что t x в данном случае непосредственно связан с t a своим происхождением. Было показано, что такое превращение одного аллеля t в другие комплементарные типы происходит с большинством выделенных рецессивов. Некоторые возникающие при этом аллели, например t x , могут в свою очередь при помощи того же механизма превратиться в другой комплементарный аллель, например t y . Такое превращение одного рецессивного аллеля t в другой приводит к образованию ряда постепенно переходящих один в другой аллелей, а в конечном итоге к созданию так называемых t viable, или t v , аллелей. Все эти последние аллели нелетальны, и бесхвостый фенотип экспрессируется только в случае гетерозигот Т/t v ; у особей t v /t v хвосты нормальные. Еще один класс рецессивных t-мутаций - это полулетали, жизнеспособность которых колеблется от 2 до 51% нормальной. Как и полностью летальные аллели, они путем постепенных превращений дают t v -типы. Комплементарные скрещивания (T/t a x T/t b ) всех как природных, так и полученных экспериментально рецессивных аллелей показали, что 111 существующих мутаций распадаются на 8 отдельных групп, причем ни одна из них не комплементарна Т-аллелю. Число членов во всех группах различно - от одного в группе (tw73 до 66 в группе аллелей t v . Из пяти доминантных Т-мутаций одна была вызвана воздействием рентгеновских лучей, а все другие мутации, обнаруженные в этом локусе, по-видимому, возникли спонтанно.

Мы рассмотрели несколько особенностей этого сложного ряда генетических дефектов, связанных между собой либо тем, что они комплементарны и определяются соседними локусами, либо тем, что они происходят друг от друга. Перейдем теперь к эмбриологическим особенностям экспрессии сложного локуса.

Каждая из восьми комплементарных групп обусловливает разного рода дефекты, проявляющиеся в период от ранних до поздних стадий развития зародыша. Морфологические проявления этих дефектов представлены на рис. 7-10 и 7-11. Самые ранние дефекты обнаружены у зародышей, гомозиготных по аллелю t12. Оплодотворение и деления дробления зиготы приводят к образованию шаровидной массы клеток, называемой морулой. Первый признак клеточной дифференцировки у мышей наблюдается при переходе от этой морулы к следующей стадии - бластоцисте, состоящей из трофобласта (трофэктодермы) и внутренней клеточной массы. Гомозиготные t12-зародыши не достигают этой стадии и недифференцированные «морулы» гибнут, не имплантируясь в стенку матки, в отличие от нормальных зародышей, которые делают это примерно на 4-й день после оплодотворения. Кроме того, t12-клетки, по-видимому, автономны в своем летальном действии. Химеры, содержащие эмбриональные клетки t12 и нормальные эмбриональные клетки, летальны, и их развитие не заходит дальше той стадии, на которой гибнут зародыши t12. Поэтому мутация t12, по-видимому, затрагивает локус, необходимый для первого шага в дифференцировке мышиного зародыша - возникновения трофобласта, из которого в конечном итоге формируются хорион и другие характерные для всех плацентарных млекопитающих внезародышевые оболочки, образующиеся из зиготы.

Рис. 7-10. Схематическое изображение событий, происходящих на ранних стадиях развития зародыша мыши. Сплошными стрелками показано течение нормального онтогенеза, а прерывистыми - момент отклонения от нормального развития зародышей, несущих различные t-аллели. Более подробные объяснения см. в тексте (Bennett, 1975; с изменениями).

Рис. 7-11. Мышиные зародыши на поздних стадиях развития, иллюстрирующие эффекты двух t-аллелей, действующих на поздних стадиях. Подле каждого зародыша приведена схема поперечного сечения, на которой показаны нервная трубка (заштрихована), хорда (черная точка под нервной трубкой) и сомиты (продолговатые структуры по обе стороны нервной трубки). Полное описание мутантных фенотипов дано в тексте (Bennett, 1975).

Следующий из аллелей, вступающих в действие на очень ранних стадиях, - это аллель tw73. Зародыши, гомозиготные по этому аллелю, образуют бластоцисту. Однако трофобласт таких мутантных зародышей не вступает в надлежащую связь со стенкой матки, и недостаточно хорошо имплантировавшийся зародыш вскоре гибнет.

В норме после успешной имплантации зародыша в стенку матки внутренняя клеточная масса начинает расти и подвергается дальнейшей дифференцировке. Одно из происходящих при этом событий - формирование внезародышевой и зародышевой эктодермы. Из первой в конечном счете образуются плацента и части внезародышевых оболочек, а из второй - собственно зародыш. Мутанты t0 не образуют внезародышевую эктодерму и гибнут на стадии раннего яйцевого цилиндра.

Далее у нормальных зародышей продолжается рост внутренней клеточной массы и образуется продолговатое скопление эктодермальных клеток, покрытое энтодермой и называемое яйцевым цилиндром. Внезародышевые клетки также продолжают пролиферировать и дифференцироваться. Зародыши, гомозиготные по аллелю tw5, доходят до стадии, похожей на яйцевой цилиндр, после чего клетки зародышевой эктодермы подвергаются пикнозу и гибнут. Клетки внезародышевой эктодермы, по-видимому, остаются незатронутыми и на протяжении нескольких дней продолжают нормально развиваться, несмотря на находящийся внутри мертвый зародыш, но в конце концов также гибнут.

На этой стадии развития мышиного зародыша, достигаемой через 6,5-7 сут после оплодотворения, начинается дифференцировка собственно зародыша. Это проявляется в формировании на яйцевом цилиндре первичной полоски и образовании между уже имеющимися зародышевыми эктодермой и энтодермой слоя мезодермальных клеток. У зародышей, гомозиготных по аллелю t9, нормальная мезодерма не образуется и соответственно не образуется ни одно из ее производных. Поскольку мезодермальные клетки образуются из зародышевой эктодермы в области первичной полоски, можно предположить, что мутантные эктодермальные клетки неспособны к такому превращению. Мутантные t9-зародыши, пересаженные в брюшную полость нормальных взрослых особей, образуют злокачественные опухоли, целиком состоящие из эктодермальных тканей.

Первичная полоска - это место образования трех зародышевых листков и развития первичной оси зародыша.

По обе стороны первичной оси на большей части ее длины образуются сомиты, а медиально по отношению к парным сомитам - хордомезодерма. Последняя индуцирует лежащую над ней нейральную эктодерму к формированию нервной трубки - структуры, которая в конечном итоге становится спинным мозгом, а на переднем конце головным мозгом. Все эти события происходят и у зародышей tw 1 . Однако после образования нервных структур вентральная часть нервной трубки и головной мозг у них дегенерируют. Сохраняющиеся дорсальные клетки физически замещают мертвые вентральные клетки, но, по-видимому, не могут заменить их функционально, потому что у этих мутантных зародышей всегда наблюдаются разного рода дефекты и они гибнут до рождения.

Конечное летальное состояние, обусловленное локусом Т, можно видеть у особей, гомозиготных по доминантному аллелю Т. Летальная фаза у этих особей сходна с наблюдаемой у мутантов tw 1 , т. е. она наступает позднее, чем в случае большинства других рецессивных аллелей. У особей Т/Т первичная полоска не достигает заднего конца зародыша. Поэтому ни одна из структур, зависящих от формирования мезодермы, в этой области никогда не развивается. Кроме того, что более важно, аллантоисная ножка плаценты у них не образуется, т.е. зародыш лишается необходимых для его жизни нормальных связей с плацентой. Вдобавок не развивается ни одна из структур самого зародыша, находящихся позади почек передних конечностей. Наконец, несмотря на, казалось бы, нормальный передний конец первичной полоски и на образование сомитов и хорды, эти последние структуры не сохраняются, а исчезают. В результате строение переднего конца зародыша оказывается сильно нарушенным.

Создается впечатление, что, хотя дефекты, наблюдаемые у этой галереи уродцев, развивающихся под действием мутаций в сложном локусе Т, очень разнообразны, все они имеют одну общую особенность. Как отметил Беннетт (Bennett), все летальные Т-аллели вызывают дефекты эктодермы. Эти дефекты выражаются в нарушении способности эктодермы мутантов либо нормально дифференцироваться (t12 и t0), либо нормально функционировать (tw73 и tw1). Описанные выше дефекты схематически представлены на рис. 7-12. Как показано на схеме, можно представить себе, что различные мутации локуса Т должны делать ряд последовательных выборов из двух возможностей, определяющих дальнейшую судьбу эктодермы и всех ее производных. Первоначально морула состоит из недифференцированных клеток. Мутация t12 препятствует принятию первого решения - выбору между трофобластом и внутренней клеточной массой. Затем мутация tw73 нарушает надлежащее функционирование трофобласта. Мутация t0 препятствует образованию внезародышевой эктодермы; ее эффект, возможно, аналогичен эффекту мутации t12. На параллельном этапе мутация tw5 убивает эктодерму собственно зародыша. Наконец, мутации t9, tw1 и Т нарушают различным образом либо способность зародышевой эктодермы дифференцироваться в мезодерму, либо способность мезодермы, если она уже образовалась, индуцировать или поддерживать нервную ткань.

Рис. 7-12. Предполагаемая цепь последовательных решений, которые должны приниматься в процессе дифференцировки эктодермы и ее производных у мыши. Над стрелками указаны различные t-аллели, блокирующие соответствующие процессы.

Первичное нарушение, лежащее в основе всех этих далеко идущих эффектов всего лишь одного локуса, составляет в настоящее время предмет многочисленных споров и экспериментальных исследований. Однако, какова бы ни была непосредственная причина (или причины) этих дефектов, совершенно очевидно, что локус Т играет первостепенную роль в морфогенезе одного из трех зародышевых листков мышиного зародыша. Поэтому он, подобно локусу Notch у дрозофилы, принимает важное участие в развитии организма в целом.

 

Мутации, воздействующие на развитие определенных органов

В то время как локус Т оказывает, по-видимому, самые разнообразные воздействия на все развитие эктодермы, существуют мутации, вызывающие более специфические дефекты. Примером служит мутация cardiac lethal (с) у аксолотля Ambystoma mexicanum. Эта мутация была впервые обнаружена и исследована Хэмфри (Humphrey). Хэмфри установил, что мутация с наследуется как простой аутосомный рецессивный признак, так что при скрещивании двух гетерозиготных особей (с/+) 25% потомков гибнет на ранних личиночных стадиях, вскоре после вылупления. Эти мутантные особи плавают, как нормальные личинки, но они раздуты переполняющей их жидкостью, а пищеварительная система и жабры у них недоразвиты (рис. 7-13). Первичная причина этих дефектов - нарушение развития сердца и его неспособность к сокращениям. Поэтому у мутантных личинок отсутствует кровообращение, а дышат они, вероятно, путем диффузии через кожу, что дает им возможность просуществовать лишь в течение ограниченного периода времени. Как показал Хэмфри путем сращивания нормального и мутантного зародышей, это нарушение развития сердца носит автономный характер.

Эксперимент Хэмфри схематически представлен на рис. 7-14. У мутантного и нормального зародышей, взятых до закладки сердца, удаляли по кусочку ткани с боковых поверхностей тела. Затем зародышей соединяли по месту раны и давали им срастись. В тех случаях, когда такие сросшиеся особи завершали развитие, было установлено, что нормальный партнер ослаблял раздутость и другие дефекты зародыша с/с, давая ему возможность выжить. Однако сердце мутантного партнера навсегда оставалось простой трубкой, неспособной к сокращениям, и кровообращение мутанта целиком обеспечивал нормальный партнер.

Установлено, что у позвоночных многие органы, в том числе сердце, развиваются в результате определенных индукционных взаимодействий, происходящих во время развития. В частности, Джекобсон и Дункан (Jacobson, Duncan) показали, что у хвостатых амфибий развитие сердца из мезодермальных зачатков индуцируется головным участком энтодермы. Причиной того, что особям с/с не удается образовать сердце, может быть неспособность головного участка энтодермы индуцировать этот процесс или же неспособность сердечной мезодермы реагировать на индуктор. Для того чтобы выяснить, какая из этих двух причин вызывает нарушение развития,

Хэмфри пересаживал нормальную сердечную мезодерму с/с-реципиентам, а мезодерму с/с-мутантов - нормальным реципиентам. Оказалось, что мезодерма с/с способна образовать сокращающееся сердце под индукционным воздействием нормального головного участка энтодермы, тогда как мутантные зародыши не могут обеспечить развитие нормального сердца. Эти результаты можно интерпретировать как указание на отсутствие индукционной активности головного участка энтодермы у мутанта с/с. Однако возможно также, что мутантные особи активно подавляют формирование сердца. Эксперименты, проведенные Лемански (Lemanski) и его сотрудниками, делают последнее предположение менее вероятным. Эти авторы выращивали in vitro мезодермальные зачатки сердца мутантных и нормальных зародышей. В использованных ими условиях в нормальной сердечной мезодерме происходили сильные сокращения, а в мутантной их не было. Если считать, что сокращения мутантной ткани подавлялись in situ, то выращивание in vitro должно было снять это воздействие. Более того, при совместном культивировании мезодермы мутанта с/с и головного участка энтодермы нормального зародыша в мутантной ткани начинались сокращения; это показывает, что мутантная мезодерма способна нормально реагировать на соответствующее индукционное воздействие. Таким образом, ген «cardiac lethal», очевидно, обусловливает неспособность головного участка энтодермы обеспечить индукционный сигнал, запускающий дифференцировку сердца из его мезодермального зачатка.

Рис. 7-13. Нормальная личинка аксолотля Ambystoma mexicanum (А) и мутантная личинка (Б), гомозиготная по аллелю с. Тело мутантной личинки раздуто вследствие накопления избыточной жидкости (Kulikovski, Manasek, 1978).

Рис. 7-14. Схема метода парабиоза. Двух аксолотлей, различающихся по генотипу (показано наличием или отсутствием точек), сращивают на ранних стадиях эмбриогенеза. Как показывает дальнейшее развитие, нормальная особь способна «спасти» своего мутантного партнера.

Исследования, проведенные на другой аутосомной рецессивной мутации аксолотля - eyeless (e), дали результаты, прямо противоположные полученным на cardiac lethal. Как показывает ее название, особи, гомозиготные по этой мутации (е/е), лишены глаз. Она вызывает также два других плейотропных дефекта - темную пигментацию и стерильность. Основной дефект возникает на самых ранних стадиях развития глаз, которое блокируется в начале формирования глазных пузырей или до этого. Подобно сердцу, глаз формируется в результате индуктивного взаимодействия, происходящего между передним участком нейральной эктодермы в презумптивном переднем мозге (передняя медуллярная пластинка) и хордомезодермой, располагающейся под этим участком во время гаструляции. Индуцированная нервная ткань образует боковые выросты, которые в конце концов инвагинируют, образуя глазные бокалы. Ван Дейзен (Van Deusen) исследовал природу дефекта, обусловливаемого мутацией е, пересаживая прехордальную мезодерму из спинной губы бластопора мутантных и нормальных зародышей в бластулы. При пересадке мезодермы е/е в нормальные бластулы она индуцировала развитие глазных пузырей, пересадка же нормальной мезодермы в бластулы е/е не приводила к индукции раннего развития глаза. Такие же результаты были получены при реципрокных трансплантациях, если кусочки мезодермы брали в более поздние сроки ранней гаструляции, но до формирования глазных пузырей: нормальная эктодерма была способна образовать глазные пузыри под действием как нормальной, так и е/е-мезодермы, а эктодерма е/е не индуцировалась ни той, ни другой мезодермой. Поэтому можно полагать, что дефект eyeless вызывается, очевидно, неспособностью эктодермы реагировать на мезодермальный индуктор. В пользу такого заключения свидетельствует также то, что если пересадить морфологически дифференцированный глаз от нормальной особи к е/е-особи, то он приживается и функционирует. Таким образом, после того как глазной пузырь индуцирован, генотип е/е способен поддерживать полностью сформированный глаз. Однако два других плейотропных дефекта мутантов е/е - пигментация и стерильность - все еще требуют объяснения. Избыточно пигментированный фенотип можно без труда создать экспериментально, удалив у нормальной особи глазные пузыри; это приводит к развитию у слепой личинки очень сильной пигментации. И наоборот, если пересадить развивающейся особи е/е зачаток нормального глаза, то ее пигментация становится нормальной. Это показано на рис. 7-15, на котором представлены фотографии нормальной личинки, мутанта е/е и одноглазой личинки е/е. Избыточная пигментация - следствие одного лишь наличия или отсутствия глаз, а поэтому она обусловлена относительной плейотропией.

Рис. 7-15. Личинки аксолотля: мутант eyeless (А), особь с генотипом eyeless, которой был пересажен глаз от нормальной особи (Б), и нормальная особь (В). Пересадка привела к ослаблению пигментации по сравнению с мутантной особью (А) и приблизила ее к нормальному фенотипу (В) (Ерр, 1978).

Некоторые особи, использованные для пересадок и операций с глазными пузырями, достигали половозрелости. Это позволило установить, что экспериментально ослепленные особи фертильны, тогда как особи е/е, которым пересаживали нормальные глаза, оставались стерильными. Следовательно, стерильность не вызывается просто отсутствием глаз. Кроме того, ван Дейзен сумел показать, что в яичниках мутантных особей (е/е), пересаженных нормальным особям, происходил оогенез. Дальнейшими экспериментами по пересадке было установлено, что стерильность обусловлена дефектом мутантного гипоталамуса и его неспособностью индуцировать выделение передней долей гипофиза гонадотропных гормонов. Зачаток гипоталамуса, находящийся в головной нейральной эктодерме, непосредственно примыкает к зачатку глаза. Возможно поэтому, что нарушение функции этого эктодермального органа вызвано той же неспособностью реагировать на индукцию, которая обнаружена при образовании глаз и представляет собой результат прямой плейотропной активности гена eyeless в эктодермальных клетках, дающих начало и глазу, и гипоталамусу.

В обоих описанных выше случаях заключение о существовании индуктора и его воздействии на реагирующую ткань выводится на основании морфогенетических особенностей каждой системы. К сожалению, конкретных данных о природе индукторов и о способах их действия очень мало. Однако в одном случае мы располагаем более определенной информацией. Речь идет о мутантном гене, оказывающем влияние на развитие половых признаков у млекопитающих, - о локусе Tfm (Testicular feminization locus). У человека, мышей и крыс этот ген наследуется как сцепленный с полом. Есть также данные о поведении этого гена у собак и быков. Самки, гетерозиготные по мутантному гену, т. е. Tfm/+ , по существу, нормальны, но половина их генотипически мужских потомков (Tfm/Y) имеют женский фенотип и при этом стерильны. Для того чтобы понять механизм действия этого гена, следует вспомнить, что у всех млекопитающих пол зародыша в начале развития еще не детерминирован. До того как произойдет развитие гонад и у зародышей XX, и у зародышей XY, имеются системы как вольфова протока (мужская), так и мюллерова канала (женская), а также недифференцированный мочеполовой синус. У зародыша с генотипом XX вольфовы протоки дегенерируют, мюллеровы каналы образуют фаллопиевы трубы, матку и влагалище, а мочеполовой синус - женские наружные половые органы. Эта морфогенетическая программа представляет собой, так сказать, исходный этап, который имеет место даже в отсутствие яичников, например у кастрированного самца. В отличие от этого у зародышей XY из зачатка гонады быстро развиваются семенники, которые рано начинают синтезировать и секретировать тестостерон. Затем этот гормон активно способствует развитию первичных мужских половых признаков, индуцируя образование из вольфова протока семявыносящего протока, семенных пузырьков и семяизвергающего канала, а из мочеполового синуса - образование наружных мужских половых органов. Кроме того, имеющиеся в семенниках клетки Сертоли секретируют фактор, вызывающий регрессию мюллерова канала. Изучение развития «самцов» Tfm-мышей, проведенное Оно (Ohno), а также Лайон (Lyon) и ее сотрудниками, показало, что мутация Tfm подавляет способность всех тканей самца реагировать на андрогены и таким образом, из-за устранения влияния андрогенов, развитие идет по пути самки. Установлено, что в крови мышей Tfm/Y содержится достаточное количество тестостерона и что их семенники продуцируют фактор, вызывающий рассасывание мюллерова канала. Поэтому такие особи не просто имитируют кастрированных самцов. Кроме того, введение им больших доз экзогенного тестостерона не ослабляет нарушения развития, вызываемого мутацией Tfm. Оно и Лайон показали также, что, вводя нормальным и кастрированным самцам мышей тестостерон, можно заставить их почки продуцировать в больших количествах фермент алкогольдегидрогеназу, тогда как у почек Tfm-«самцов» такую реакцию вызвать не удается. Следовательно, отсутствие реакции на андроген не ограничено лишь половыми органами, а затрагивает и те органы, которые одинаковы у обоих полов. Дальнейшим подтверждением этому служит тот факт, что у «мужчин» с мутацией Tfm при половом созревании не вырастают волосы в подмышечных впадинах и на лобке, как это обычно происходит у человека в качестве нормальной реакции на повышение уровня гормонов на этой стадии развития.

Как показали Оно, а также Мейер (Meyer) и его сотрудники в основе этого дефекта лежит отсутствие специфического белка, служащего рецептором тестостерона, который, по-видимому, содержится во всех тканях особей как мужского, так и женского пола. У особей Tfm/Y этот рецептор не синтезируется. Известно, кроме того, что у самок Tfm/+ этот рецептор продуцируется только в половине клеток вследствие инактивации Х-хромосомы, описанной Лайон. Очевидно также, что, хотя у особей женского пола рецептор андрогена образуется, для их нормального полового развития наличие его необязательно. Лайон создала самца мыши, происходящего от четырех родительских особей, сращивая бластоцисты +/Y и Tfm/Y по методу, изображенному на рис. 4-17. Некоторые из полученных таким образом химерных самцов оказались фертильными и передавали своим потомкам Х-хромосому, несущую мутацию Tfm. Благодаря этому Лайон смогла создать гомозиготных самок Tfm/Tfm. Такие самки нормальны во всех отношениях и фертильны, свидетельствуя тем самым, что нормальное половое развитие самки может происходить в отсутствие продукта гена Tfm.

Примеры мутаций Testicular feminization у млекопитающих и eyeless и cardiac lethal у аксолотлей демонстрируют неразрывную связь генов с морфогенезом отдельных органов и систем органов на ранних и относительно поздних стадиях развития. Важная роль генов этого типа в эволюции была проиллюстрирована в гл. 6 на примере слепой рыбы, обитающей в пещерах. Генетические изменения, вызывающие слепоту пещерной рыбы и отсутствие глаз у аксолотлей, негомологичны, и это служит иллюстрацией еще одной особенности генетической регуляции развития. Развитие любого органа или системы органов определяется не одним геном, а группой генов - заключение, выведенное также в результате изучения у дрозофилы мутаций Notch и shibire, вызывающих почти идентичные нарушения на сходных стадиях онтогенеза. Кроме того, экспрессия подобного рода генов, обладающих широким спектром действия, может модифицироваться разнообразными генетическими изменениями, в том числе изменениями генетического фона и включением в развивающуюся систему новых генов. Таким образом, формирование организма и входящих в него органов - результат координированных комплексов активностей и взаимодействий генов. Эволюционный процесс может использовать возникающие в разных пунктах этих комплексов пертурбации, каждая из которых может привести к морфологическому изменению. Следует также указать, что, хотя в сумме все эти комплексы генных активностей образуют гармоничное целое, связь между ними может и нарушаться. Мутации могут изменять один процесс развития независимо от других, создавая диссоциабельность, столь необходимую для морфологической эволюции.

 

Гибель клеток в процессе нормального развития

Дегенерация вольфовых протоков в процессе развития особей женского пола и мюллеровых каналов у особей мужского пола - примеры наличия структур, которые вначале развиваются, а затем подвергаются некрозу. Эти процессы, подобно всем другим рассматриваемым здесь онтогенетическим событиям, находятся под контролем генов. Специфическим примером служит развитие конечностей у четвероногих. У цыпленка почки конечностей закладываются в виде латеральных утолщений соматоплевры примерно на 55-м часу развития. Эти почки вырастают из тела зародыша в виде выступов, покрытых эктодермой и заполненных мезодермальной тканью. По мере продолжения роста начинают проступать контуры конечности, будь то крыло или нога. Процесс формирования контуров сопровождается отмиранием клеток в ряде мезодермальных участков конечности. На ранних стадиях образования почки конечности участки некроза можно выявить с помощью некоторых прижизненных красителей; такие участки есть и на переднем, и на заднем краях почки, там, где она соединяется со стенкой тела, а также в центре почки. Эти три участка называются соответственно передней и задней некротическими зонами и темными пятнами (рис. 7-16). Передняя и задняя зоны обеспечивают формирование контуров проксимальных областей конечности, а темное пятно - отделение большой берцовой кости от малой в ноге и лучевой от локтевой - в крыле. Происходящее на более поздних стадиях развития конечности разделение пальцев сопровождается некрозом межпальцевых участков (рис. 7-16).

Сондерс и Фаллон (Saunders, Fallen), изучая заднюю некротическую зону (ЗНЗ) почки крыла цыпленка, выявили несколько интересных особенностей этой группы клеток. Максимальной протяженности ЗНЗ достигает на 96-м часу развития; к этому времени гибнет 1500-2000 клеток. Эти клетки фагоцитируются популяцией из почти 150 макрофагов. Если мезодерму проспективной ЗНЗ извлечь из почки крыла за 40 ч до того, как становится заметным некроз, и пересадить ее на боковую поверхность тела реципиента, она все равно гибнет и притом в те же сроки. Сроки некротизации и гибели заложены в самих клетках ЗНЗ и не зависят от возраста реципиента. Однако мезодермальные клетки, находящиеся в почке конечности, которая примыкает к эксплантированной ЗНЗ, не погибают. Поэтому можно думать, что клетки ЗНЗ обладают механизмом, получившим название «внутренние часы смерти». Эти часы запускают механизм гибели клеток на очень ранних стадиях развития конечности, после чего клетки идут по предначертанному им пути. Ход этих часов, однако, до некоторой степени обратим. Если ЗНЗ пересадить на дорсальную поверхность почки крыла, то ее клетки не гибнут. Причину этого изучали, выращивая клетки ЗНЗ вместе с различными другими фрагментами мезодермы. Выращивание мезодермы из ЗНЗ с соматической мезодермой приводит к такому же результату, как пересадка ее in vitro на боковую поверхность зародыша-реципиента: клетки ЗНЗ гибнут в надлежащие сроки. Если, однако, ЗНЗ культивировать с дорсальной мезодермой крыла, то она не гибнет. Создается впечатление, что мезодерма из ненекротической области крыла защищает ЗНЗ от гибели, останавливая «часы смерти». Это было подтверждено экспериментами, в которых клетки ЗНЗ сначала пересаживали на дорсальную поверхность почки крыла, а затем лишали их защитных воздействий дорсальной мезодермы крыла, удаляя их с места пересадки через разные сроки после того, как по «часам смерти» они должны были бы погибнуть. Будучи удалены с места пересадки, эти клетки погибали; выживали только те из них, которых содержали in vitro в условиях защиты не менее 6 дней. К этому времени «часы» совершенно останавливались и клетки ЗНЗ выживали, даже в отсутствие дорсальной мезодермы крыла. Таким образом, гибель клеток, происходящая в проксимальных частях крыла, представляет собой результат действия двух факторов: неких независимых от остального организма клеточных часов, запускаемых в определенной группе клеток, и местоположения этих клеток относительно остальной мезодермы конечности.

Анализ гибели клеток в межпальцевых участках позволил выявить еще один уровень регуляции. Как видно из рис. 7-16, гибель клеток в этих участках лапы утки невелика, и в результате между вторым, третьим и четвертым пальцами образуются перепонки. В промежутке между первым и вторым пальцами, где происходит некроз, перепонки нет. Сондерс и Фаллон создавали химеры, соединяя мезодерму из почки ноги утки с эктодермой цыпленка и наоборот. Такие гибридные почки ноги они пересаживали затем на боковую поверхность тела куриного зародыша, служившего реципиентом, и наблюдали за некрозом межпальцевых клеток. В обоих случаях картина некроза соответствовала тому, что характерно для утки. Отсюда можно сделать вывод, что утиная эктодерма, подобно мезодерме дорсальной поверхности крыла, может подавлять некроз, наблюдаемый обычно при развитии ноги цыпленка. Однако эктодерма куриного зародыша не индуцирует некроз в утиной мезодерме. Возможно, поэтому, что регуляция некроза в межпальцевых участках происходит таким же образом, как в ЗНЗ; т.е. что это автономная особенность межпальцевой мезодермы, которая может проявиться или не проявиться в зависимости от среды, в которой окажутся презумптивные некротические клетки.

Рис. 7-16. Развитие задней конечности цыпленка и утки. Участки гибели клеток на задних и передних краях ноги зародышей, а также некроз в межпальцевых участках у зародышей цыпленка (но не утки) показаны точками. Мутация talpid, по-видимому, элиминирует некроз на большей части участков, что приводит к образованию широкой веслообразной конечности со сросшимися пальцами, схематически изображенной в центре рисунка. Темные участки на нормальной и мутантной конечности цыпленка соответствуют участкам образования хряща (Saunders Jr., Fallen, 1966; Hinchliffe, Thorogood 1974; с изменениями).

Хинчлифф и Торогуд (Hinchliffe, Thorogood), проведя анализ мутации ta (talpid) у цыпленка, показали, что гибель клеток в процессе развития конечности действительно находится под генетическим контролем. Мутация ta наследуется как простой аутосомный рецессивный признак и в гомозиготном состоянии обусловливает костную полидактилию и синдактилию мягких тканей в крыле и ноге. Полидактилия возникает в результате слияния лучевой и локтевой костей и большой и малой берцовых костей. Образующиеся при этом конечности, особенно нога, широкие и веслообразные, и на них бывает по 6-7 пальцев вместо четырех нормальных (рис. 7-16). Для развития этих конечностей характерно почти полное отсутствие гибели клеток. Ширина мутантной лапы объясняется отсутствием передней и задней некротических зон, поскольку при этом не происходит определения контуров, которые у нормальных особей сужают эту часть конечности. Слияние костей предплечья или голени - результат отсутствия темного пятна. Это несостоявшееся разделение костей может быть также результатом расширения дистальных частей конечности и кажущейся зеркальной симметрии ее строения (рис. 7-16). Кроме того, у мутантов отсутствуют межпальцевые некротические зоны, имеющиеся в нормально развивающейся конечности, и в дальнейшем пальцы у них не отделяются друг от друга. Интересно отметить, что синдактилию сходного типа наблюдал Джонсон (Johnson) у мутантных мышей polysyndactylous, но без костной полидактилии. Остается еще установить, оказывает ли мутация talpid воздействие на «часы смерти» или же она дает возможность «спасающему фактору», продуцируемому дорсальной мезодермой, достигнуть обреченных на гибель клеток. Какой бы ни была непосредственная причина, ясно, что процесс некроза клеток регулируется генетически и что в создании дефинитивной морфологии конечности позвоночных гибель клеток играет важную роль. В связи с этим последним моментом следует указать, как это делают Хинчлифф и Торогуд, что простые раздвоенные структуры, наблюдаемые в конечностях мутантов talpid, напоминают по своему характеру элементы, имеющиеся в плавниках древних кистеперых рыб, таких как Eusthenopteron и Sauripterus. Возможно, поэтому, что сложный тип развития конечностей, обнаруженный у высших четвероногих позвоночных, мог возникнуть в результате процесса клеточного некроза, регулируемого и моделируемого генетически.

Существуют также мутации, расширяющие зоны некроза. Такие мутации дрозофилы, как Bar (полосчатые глаза) или vestigial (зачаточные крылья), сильно уменьшающие глаза или крылья, действуют путем увеличения участков гибели клеток, наличие которых составляет один из элементов нормального развития этих двух структур. Мутации wingless и rumpless у кур действуют, по-видимому, при помощи сходного механизма, создающего возможность для увеличения зоны некроза. Можно представить себе, что изменения этого типа (в менее резко выраженной форме) играют важную роль в редукции или элиминации структур, необходимых на одной стадии развития, но ненужных на более поздней стадии. Простым примером служит хвост у головастиков лягушек. В этом случае, как и в случае мутаций, подавляющих гибель клеток, существуют два возможных уровня регуляции процесса элиминации хвоста: внутренние часы смерти могут активизироваться в большем числе клеток или же внешние факторы, такие например как способное к диффузии защитное вещество, содержащееся в дорсальной мезодерме крыла, могут быть элиминированы.

 

Гены, вступающие в действие на более поздних стадиях развития и в процессе роста

Ясно, что мутации генов, непосредственно определяющих морфогенетические пути, в особенности тех генов, которые действуют на ранних стадиях, могут вызывать чрезвычайно резкие изменения развития. Однако существуют также гены, действующие на более поздних стадиях, и, хотя эти гены оказывают влияние на общую морфологию данного организма, оно во многих случаях не влечет за собой явных вредных последствий. К таким генам относятся гены, контролирующие особенности роста организма после становления общей морфологии и органогенеза. Они были обнаружены по экспрессии мутаций, которые влияют на действие гормонов, что приводит к гигантизму или карликовости. Изменения формы (например, относительных размеров конечностей) могут быть результатом изменений характера роста, вызываемых плейотропными эффектами, сопровождающими основной гормональный эффект мутации. Изменения такого типа несомненно приводили к эволюционным изменениям (например, гигантизм у европейских пещерных медведей в плейстоцене или карликовость у слонов, обсуждавшихся в гл. 2), однако подобные поздние изменения развития не вызывали коренных перестроек морфологии. Несмотря ни на что, карликовый слон - это все-таки несомненно слон.

Известна, однако, одна мутация, изменяющая размеры организма, которая демонстрирует пластичность процесса развития и заслуживает поэтому особого внимания. Это - мутация gt (giant) у Drosophila melanogaster. Этот сцепленный с полом рецессивный признак был впервые обнаружен Бриджесом (Bridges) и Габерчевски (Gaberchevsky) в 1928 г. Весь процесс развития дрозофилы - от оплодотворения до достижения половозрелости - обычно занимает 10 дней. У мутантов gt этот процесс продолжается на 2-5 дней дольше. Образующиеся при этом особи морфологически не отличаются от обычных мух, но они вдвое крупнее. Способ возникновения этого изменения представляет значительный интерес. Развитие мух gt протекает нормально на протяжении всего эмбрионального периода и вплоть до приближения личинок к концу третьего возраста. Однако в тот момент, когда нормальные особи окукливаются и начинают метаморфоз, особи gt продолжают оставаться в личиночном состоянии. Именно на личиночных стадиях и в начале стадии куколки происходит пролиферация имагинальных дисков - клеток, предназначенных для формирования тканей взрослой мухи, а от числа этих клеток зависят размеры имаго. У личинок gt в течение этого растянутого периода личиночного развития, по-видимому, происходит по меньшей мере одно дополнительное клеточное деление. Об этом можно судить потому, что те клетки личинки, которые политенны (например, клетки слюнных желез), участвуют по крайней мере в одном, а иногда и в двух дополнительных циклах синтеза ДНК. Личинки gt после этого 2-5-дневного добавочного периода роста образуют куколку, которая примерно вдвое крупнее обычной. Затем происходит метаморфоз и после несколько удлиненной стадии куколки появляется на свет морфологически нормальная взрослая особь двойного размера. Следовательно, насекомое способно регулировать свое развитие, так что, несмотря на явную дополнительную пролиферацию, предшествующую дифференцировке, никаких дополнительных элементов (органов) не образуется. Мы уже сталкивались с такой пластичностью развития (см. гл. 4) в эволюции ранних событий онтогенеза у оболочников и низших хордовых. У этих организмов число и сроки делений дробления изменялись в зависимости от относительного значения личиночной стадии у разных видов.

Это привело к тому, что у разных видов доля массы раннего зародыша, участвующая в образовании специализированных личиночных органов, различна. Отсюда следует, что две совершенно различные морфогенетические системы способны согласованно произвести крупные изменения и создать вполне интегрированный организм.

К другим генам, действующим в конце развития, относятся гены, регулирующие распределение продуцируемых пигментов по поверхности тела и их количество; эффекты изменчивости этих генов совершенно очевидны в природных популяциях большинства организмов. Хотя такого рода изменения несомненно имеют важное значение для процессов отбора, а тем самым и для эволюции, они, вероятно, несущественны для морфологических изменений per se.

Наш основной принцип заключается в том, что онтогенез находится под контролем генов. Как было показано, этот контроль осуществляется на нескольких уровнях. С помощью мутаций, наследуемых по материнскому типу, можно продемонстрировать генетическую регуляцию организации яиц у таких видов, как дрозофила, у которой раннее развитие имеет мозаичный характер. Другие мутации, такие как tailless у мыши или cardiac и eyeless у аксолотля, указывают на существование генетического контроля, действующего на последующих стадиях развития, точно так же как для надлежащего функционирования каскадных онтогенетических событий, приводящих к дифференцировке основных зародышевых листков, необходима специфическая генетическая информация, а для органогенеза - соответствующие индукционные взаимодействия. Наконец, генетические изменения могут изменять события, происходящие на поздних стадиях развития, в том числе процессы роста и пигментацию, а тем самым и дефинитивную форму взрослого организма. Эволюционный процесс может отбирать изменения экспрессии генов, играющих важную роль в развитии, и создавать таким образом новые морфогенетические пути. Необходимо, однако, подчеркнуть различие между генами этого класса и природой мутаций (изменений экспрессии), важных для эволюционного изменения. Большая часть обсуждавшихся в этой главе мутаций обладает резко выраженными и гибельными эффектами. Их значение состоит в том, что они позволяют выявить генетические элементы, лежащие в основе некоторых процессов развития. В морфологической же эволюции, по всей вероятности, участвуют мутации, обладающие менее ясно выраженным эффектом. Все мутации, изменяющие сроки или продолжительность событий или силу взаимодействий, будут приводить к эволюционной модификации путей развития. Для становления структуры и для морфогенеза решающее значение имеют также гены и мутационные изменения совершенно иного типа. Им посвящены остальные главы.