Гомеозис и гомеозисные мутации

Действие генов теснейшим образом связано с онтогенезом, и эта их связь выявляется при возникновении мутаций, которые резко прерывают развитие организма. Существуют, однако, мутации другого класса, которые изменяют процесс онтогенеза, но не прерывают его. Это гомеозисные мутации. На важную роль и теоретическое значение этого рода изменения развития впервые указал Уильям Бэтсон (William Beateson) в своей книге «Материалы к изучению изменчивости», опубликованной в 1894 г. Его соображения при создании термина «гомеозис» и определение этого термина все еще сохраняют силу и привлекают внимание к наиболее существенным чертам этой концепции.

«Превращение антенны насекомого в ногу, глаза ракообразного - в антенну, лепестка - в тычинку и тому подобное - все это примеры одного рода. Желательно и даже необходимо, чтобы такие изменения, состоящие в том, что один из членов ряда меристических структур принимает форму или приобретает признаки, свойственные другим членам ряда, были выделены в особую группу явлений ... Поэтому я предлагаю ... термин гомеозис , ..., поскольку главное здесь не в том, что произошло некое изменение, а в том, что одно, изменившись, приобрело сходство с чем-то другим».

Затем Бэтсон переходит к перечислению примеров гомеозисных изменений у столь различных организмов, как млекопитающие и кольчатые черви. Если говорить о млекопитающих, то описано, например, несколько редких особей вымерших неполнозубых, у которых в крестцовом отделе позвоночника обнаружены позвонки, похожие на грудные. Гораздо чаще, однако, гомеозисные изменения встречаются у членистоногих - животных, целиком построенных из ряда метамерных сегментов; а из членистоногих больше всего сведений о типах и механизмах гомеозиса получено на насекомых.

Остатки некоторых из древнейших вымерших насекомых найдены в слоях, относящихся к каменноугольному периоду. У этих насекомых, как и у современных крылатых насекомых, было четыре крыла, сходные по морфологии с крыльями ныне живущих видов. В отличие от современных насекомых у них была, кроме того, пара крыловидных придатков, или паранотальных лопастей, отходящих от спинки первого грудного сегмента. Эти лопасти считались возможным свидетельством того, что крылья возникли как выступающие наружу складки интегумента. Они могли первоначально служить органами, помогающими насекомому планировать. Примитивные признаки - расположение крыльев на втором и третьем грудных сегментах и наличие паранотальных лопастей - у современных насекомых отсутствуют. Однако они могут возникать в результате гомеозисной мутации у таракана Blattella germanica. Росс (Ross) описал у этого примитивного насекомого наследственную мутацию Prowings, вызывающую развитие крылоподобных придатков на спинке переднегруди. Сходное гомеозисное изменение описал Гершкович (Herskowitz) у Drosophila melanogaster.

Другая сцепленная с полом рецессивная мутация labiopedia описана у хрущака Tribolium confusum. У особей, гомо- или гемизиготных по этой мутации, лабиальные щупики превращаются в грудные ноги. Такое превращение наблюдается как на личиночной, так и на взрослой стадии (рис. 8-1). При этом происходит полная перестройка, вплоть до развития мускулатуры, обычно имеющейся у ног. Однако эти мышцы, очевидно, лишены иннервации, так как лабиальные ноги неподвижны.

Рис. 8-1. Головы нормальной (Б) и мутантной - labiopedia, (А) особей хрущака Tribolium confusum со спинной стороны. Показаны элементы ротовых частей, превращающиеся у мутантных особей в конечность. Дистальные части нормальных губных элементов (щупик и пальпигер) превращаются в обычную ногу с вертлугом на проксимальном конце и тарзальными коготками на дистальных концах (Daly, Sokoloff, 1965).

Более резко выраженные трансформации наблюдаются у тутового шелкопряда Bombyx mori (чешуекрылые). У этого насекомого имеется комплекс мутаций, известных под названием серии E-аллелей (Extra legs). Его гусеница обладает очень своеобразной морфологией: за темно окрашенной головой с находящимися на ней глазами следуют три грудных сегмента, несущие членистые ножки. На спинной стороне второго грудного сегмента имеется темное глазчатое пятно. Брюшко состоит из восьми сегментов, за которыми следует концевой хвостовой сегмент. Брюшные сегменты 3-6 и хвостовой сегмент снабжены мясистыми ходильными ножками. На спинной поверхности второго брюшного сегмента имеется пигментное пятно в форме полумесяца, а на спинной поверхности пятого - пятно в форме звезды. Морфология гусеницы дикого типа показана на рис. 8-2, А. Доминантные мутантные аллели Е-серии вызывают перемещение этих пятен на другие сегменты. Так, у особей, гетерозиготных по мутации E El (Extra Crescents and legs), голова и грудь такие же, как у дикого типа, но в отличие от последних на первом и втором брюшном сегментах у них имеются ходильные ножки, а на третьем грудном и первом брюшном - пигментные пятна в форме полумесяца. Мутация E N (Extra legs - New additional crescent) вызывает появление полумесяца на третьем и звезд - на шестом, седьмом и восьмом брюшных сегментах; на пятом брюшном сегменте звезда исчезает. Эти модификации можно объяснить как результаты изменения индивидуальностей (специфических особенностей) брюшных и грудных сегментов (как на спинной, так и на брюшной их сторонах). В наиболее резкой форме эти изменения проявляются у гомозигот по упомянутому выше аллелю E N . Такой генотип детален и приводит к гибели у личинок ранних личиночных возрастов. Морфология особей E N /E N показана на рис. 8-2, Г. Все брюшные сегменты превращены у них в грудные сегменты, снабженные членистыми конечностями, характерными для этих метамеров.

Рис. 8-2. Нормальная и мутантная личинки тутового шелкопряда Bombyx mori. А. Нормальная личинка пятого возраста: от первых трех сегментов отходят пигментированные ходильные ноги; на дорсальной поверхности второго и пятого брюшных сегментов имеются пигментированные пятна, а от вентральной поверхности брюшных сегментов 3-6 отходят мясистые ходильные ноги. Б. Личинка пятого возраста, гетерозиготная по доминантной мутации Е El (Extra crescents and legs). Обратите внимание на добавочные серповидные пятна на третьем грудном и первом брюшном сегментах и на наличие ходильных ног на двух первых брюшных сегментах. Создается впечатление, что два первых брюшных сегмента и третий грудной сегмент приобрели некоторые признаки задних брюшных сегментов. В. Личинка пятого возраста, гетерозиготная по доминантной мутации E N (Extra legs new additional crescent), у которой наблюдаются сходные изменения пигментации на дорсальной стороне тела, но нет изменений на вентральной стороне. Г. Поздний зародыш, гомозиготный по аллелю E N . Обратите внимание на наличие грудных ног на большей части брюшных сегментов; у нормальных особей такие придатки имеются только на первых трех сегментах тела (грудных) (Tanaka, 1953).

Гомеозисные мутации, аналогичные наблюдаемым у жуков и бабочек, обнаружены также у двукрылых - насекомых, достигших наиболее высокого развития. Мутации ВХ-С (Bithorax Complex) Drosophila melanogaster приводят к таким же изменениям сегментов, как и мутации Е-аллелей. У взрослых особей дрозофилы, гомозиготных по двум рецессивным мутациям, bx (bithorax) и pbx (postbithorax), обнаружены удивительные изменения, показанные на рис. 8-3. Подобно всем двукрылым, дрозофила обладает лишь одной парой крыльев, отходящих от второго грудного сегмента взрослой особи. Вторая пара крыльев, располагающаяся у других крылатых насекомых на третьем грудном сегменте, у них редуцировалась до маленьких утолщений, называемых жужжальцами или органами равновесия. У двойных мутантов bx pbx эти жужжальца превращаются в крылья. Кроме того, у взрослой мутантной особи третий грудной сегмент, который у дрозофилы обычно бывает довольно маленьким, становится похожим на большой второй грудной сегмент.

Рис. 8-3. Нормальная (А) и мутантная (Б) взрослые особи дрозофилы. Гомеозисные мутации (bx 3 pbx/Ubx) вызьшают превращение обычно небольшой спинки заднегруди и жужжалец в хорошо заметную среднегрудь и вторую пару крыльев.

У дрозофилы встречается также ряд мутаций, превращающих ротовые части в другие структуры. Эти гены составляют другой генный комплекс ANT-C (Antennapedia Complex). При мутации pb (proboscipedia) у дрозофилы, так же как и при мутации labiopedia у хрущака, лабиальные щупики превращаются в ходильные ноги. Однако некоторые аллели proboscipedia вызывают превращение щупиков в антенны (рис. 8-4). Другая доминантная мутация Antp (Antennapedia) вызывает превращение, которое упоминается в первоначальном бэтсоновском определении гомеозиса. При этом антенны у взрослой мухи превращаются в полностью сформированные ноги, отходящие от головы мухи в стороны (рис. 8-4). Задача, конечно, состоит в том, чтобы, не ограничиваясь простым перечислением этих дефектов, попытаться объяснить, как возникают эти кажущиеся магическими изменения.

Рис. 8-4. Микрофотографии головы и ротовых частей нормальных и мутантных особей Drosophila melanogaster, сделанные при помощи сканирующего электронного микроскопа. А. Голова нормальной особи. Б. Ротовые части нормальной особи. В. Особь, гетерозиготная по мутации Antennapedia, у которой в результате гомеозисного превращения члеников антенн на голове образовались ноги, содержащие большую часть члеников нормальной ноги; однако дистальные элементы этой структуры все еще сохраняют сходство с концевыми члениками антенны. Г. Ротовые части особи, гомозиготной по мутантному аллелю proboscipedia. Обычные псевдотрахеальные ряды микрощетинок нижней губы замещены структурами, напоминающими аристы, или концевые членики нормальной антенны. Другие мутантные аллели в этом локусе вызывают превращение нижнегубных лопастей в ноги. (Фотографии любезно предоставлены д-ром Turner.)

Самые обширные генетические исследования по гомеозисным дефектам проводятся на Drosophila melanogaster. У этого насекомого имеется широкий набор мутаций, вызывающих более или менее значительные изменения характера сегментов, и ряд работ, в которых изучались влияния этих мутаций на развитие, помогли выявить генетические механизмы, участвующие в определении общего плана строения тела и индивидуальности отдельных сегментов, поскольку они регулируются гомеозисными локусами. В целом экспрессия класса гомеозисных мутаций заключается в изменении направления детерминации. Поэтому их считали мутациями, нарушающими интерпретацию позиционной информации, определяемой материнским геномом в яйце и раннем зародыше. Кроме того, их рассматривали как морфогенетические двоичные переключатели, транслирующие позиционную информацию по типу «или-или». Однако группа гомеозисных мутаций довольно неоднородна как по своим генетическим свойствам, так и по своему влиянию на развитие. Распределение гомеозисных локусов, идентифицированных у Drosophila melanogaster, по ее четырем хромосомам схематически показано на рис. 8-5. Гомеозисные локусы имеются во всех ее хромосомах и содержат как доминантные, так и рецессивные аллели.

Рис. 8-5. Схема распределения большинства известных гомеозисных мутаций между четырьмя хромосомами Drosophila melanogaster. Черными кружками показано положение центромеры в Х-хромосоме и во 2-й, 3-й и 4-й хромосомах. На правом плече 3-й хромосомы имеются два кластера гомеозисных локусов: ANTC-C (Antennapedia) и BX-C (bithorax). Остальные сокращения означают (в порядке их расположения на карте): sa - sparse arista; opht - ophtalmoptera; rdp - reduplicated; Ubl - Ultrabithoraxlike; ds - dachsous; oph - ophtalmopedia; esc - extra sex comb; awu - augenwulst; en - engarailed; Opt G - Ophtalmoptera of Goldschmidt; Pc - Polycomb; tet - tetraltera; ss a - spineless aristapedia; tuh - tumorous head; Pw - Pointed wing; eyr - eyes-reduced; 1(4)29 - lethal 29 (в 4-й хромосоме).

Разнообразие свойств, наблюдаемых при этих генетических дефектах, заставляет думать, что они, возможно, различаются по механизмам, участвующим в реализации каждого отдельного превращения. Иными словами, некоторые из них могут быть связаны с генами-переключателями, непосредственно участвующими в процессах детерминации, тогда как другие не связаны с ними. На это указывает тот факт, что мутантные аллели нескольких из этих локусов обладают плейотропным действием, вызывая не только гомеозисные, но и другие неспецифические аномалии фенотипа. Хорошим примером служит мутация ss a (spineless-aristapedia), которая вызывает превращение антенны в ногу, сходное с описанным для доминантной и неаллельной к ней мутации Antp. Помимо этих гомеозисных превращений мутанты ss a отличаются опущенными крыльями, тонкими щетинками и слиянием члеников лапки; таких эффектов нельзя было ожидать от гена-переключателя, определяющего выбор между двумя альтернативными типами развития. Поэтому мы можем сделать вывод, что аллель ss a детерминирует гомеозис косвенным путем, быть может, через какой-то дефект, затрагивающий метаболизм. Возможную природу этого косвенного воздействия вскрывает анализ группы диск-специфичных летальных мутаций дрозофилы, проведенный Ширном (Shearn) и его сотрудниками. Эти нарушения не оказывают прямого действия на эмбриогенез в той мере, в какой это относится к развитию нормальной личинки. Однако имагинальные диски, из которых при нормальном развитии во время метаморфоза образуется интегумент взрослой особи, у мутантов не пролиферируют или же вообще не формируются. Обнаружены температурочувствительные аллели для нескольких из этих локусов. Перенос мутантных личинок в условия непермиссивной температуры в разные сроки на стадии пролиферации имагинальных дисков приводит не к элиминации соответствующих дисков, а к гомеозисным трансформациям у взрослых особей, получающихся из этих личинок. Поскольку было показано, что ко времени изменения температуры диски уже были детерминированы, мутация, очевидно, вызывает изменение детерминации после ее первоначального возникновения. Такого же рода изменение наблюдали Е. Хадорн (Е. Hadorn) и его ученики при выращивании имагинальных дисков in vitro. Диски, эксплантированные в брюшную полость взрослых самок, растут, а если разрезать их на части, то у них продолжается клеточное деление. Если ввести такие фрагменты в метаморфизирующих личинок, то они сами метаморфизируют. В большинстве случаев из такого выращенного диска образуется структура, соответствующая диску, первоначально взятому в культуру; т.е. из диска крыла получаются структуры крыла, даже если он выращивался в культуре в течение нескольких лет. Именно такого рода эксперименты позволили показать, что детерминация ткани диска происходит рано и ее дифференцировка завершается на стадии куколки. Однако из полученных таким образом дисков после метаморфоза не всегда развиваются ожидаемые структуры, а иногда получаются производные других дисков. Это явление было названо трансдетерминацией. Такое изменение детерминации вызывается у этих клеток не единичным мутационным событием, как в случае гомеозиса, а, скорее, изменением характера генной экспрессии. Дальнейшее изучение этого явления, проведенное Стребом (Strub), показало, что не все клетки данного диска (в частности, диска ноги) способны к трансдетерминации. Для того чтобы данная группа клеток могла реализовать свою потенциальную способность к трансдетерминации, она должна находиться по соседству с разрезанным или повержденным участком диска и в ней должно происходить деление клеток. Возможно, что мутации discless, изучавшиеся Ширном, и мутации ss a вызывают гомеозисные нарушения, стимулируя эти события (т.е. локальные повреждения клеток или их гибель, за которыми следует компенсаторная пролиферация за счет соседних клеток) in situ. Таким образом, изменение судьбы клеток вызывается изменением направления их детерминации, как это происходит при трансдетерминации, а не воздействием на первоначальное детерминирующее событие.

Другую косвенную причину гомеозиса можно продемонстрировать на примере мутаций в локусе Ubl (Ultrabithoraxlike), упоминавшихся в гл. 7. Мортен и Лефевр (Mortin, Lefevre) показали, что эта сцепленная с полом доминантная мутация имитирует аутосомную мутацию Ubx (Ultrabitorax), которая близка к упоминавшимся выше мутациям bx и pbx. Мутация Ubx, подобно bx и pbx, вызывает превращение жужжалец взрослых особей в крылья и некомплементарна ни мутации bx, ни мутации pbx (см. рис. 8-3). Мутация Ubl вызывает аналогичную трансформацию и взаимодействует с мутацией Ubx, вместе с которой они вызывают более выраженную трансформацию, чем каждая из них по отдельности. Гомозиготные особи Ubl/Ubl гибнут; выделены также другие летальные аллели Ubl, которые не вызывают никаких гомеозисных превращений и не взаимодействуют с мутацией Ubx. Гринлиф (Greenleaf) и его сотрудники провели биохимические исследования гена Ubl и показали, что аллель Ubl + кодирует одну из субъединиц РНК-полимеразы II, необходимой для транскрипции генов, определяющих синтез матричных РНК (мРНК). Поскольку гомеозисным эффектом обладает лишь один аллель гена Ubl, а нуль-аллели им не обладают, можно заключить, что этот единственный гомеозисный аллель обусловливает синтез какого-то измененного фермента, который в свою очередь оказывает влияние на транскрипцию гена Ubx. Заключение о таком опосредованном эффекте недавно подтвердил Мортен, показав, что аллель Ubl оказывает действие на несколько других негомеозисных локусов по всему геному: просто локус Ubx обладает наибольшей чувствительностью к этому изменению фермента.

Все предшествующее обсуждение показывает, что необходимо провести исчерпывающий анализ генетических и морфогенетических свойств каждого локуса, прежде чем делать какие-либо общие выводы о механизме гомеозисных превращений, а следовательно, и о роли каждого отдельного гена в нормальном развитии. Такого рода обширное исследование было проведено на двух группах локусов; оно привело к заключению, что обе группы оказывают свое действие, участвуя в первоначальных детерминирующих событиях, контролирующих индивидуальность сегментов, т. е. специфическую дифференцировку каждого из них. Прежде чем обсуждать возможные механизмы, с помощью которых эти локусы вызывают трансформации, необходимо рассмотреть нормальный процесс сегментации у дрозофилы.

 

Нормальная сегментация у дрозофилы

После оплодотворения и слияния гамет у зародыша дрозофилы наблюдается ряд синцитиальных делений дробления, т.е. деления ядер, не сопровождающиеся образованием клеток зародыша. Первые девять таких делений происходят по всей цитоплазме яйца, и после девятого деления большая часть ядер мигрирует в кортикальную цитоплазму. За этим следуют еще четыре деления ядер, и после завершения 13-го деления происходит целлюляризация, приводящая к образованию бластодермы, состоящей примерно из 6000 клеток. Эта стадия изображена на рис. 8-6, на котором соматические клетки бластодермы можно отличить по их морфологии от сферических полярных клеток (презумптивные клетки зародышевого пути), расположенных на заднем конце зародыша. Именно на этой стадии развития детерминируется судьба клеток, т.е. определяется их назначение как в личиночных, так и в имагинальных структурах. Кроме того, именно в этот момент геном зиготы впервые начинает проявлять заметную транскрипционную активность. Во время гаструляции на переднем конце зародыша образуется латеральная складка, называемая головной бороздой. Эта борозда отделяет большую часть головы от туловища. Одновременно происходит перенос полярных клеток с заднего конца зародыша на его дорсальную поверхность путем удлинения зародышевой полоски. В результате образования трех отдельных выпячиваний - вентральной борозды, заднего и переднего зачатков средней кишки - мезодерма и передняя и задняя энтодерма перемещаются внутрь зародыша. Вслед за этим, примерно на 8-й час развития, поверхность зародышевой полоски покрывается рядом латеральных складок, которые физически разделяют зародыш на сегменты. Сегменты зародыша можно видеть на рис. 8-6; они соответствуют метамерным сегментам личинки и имаго. Таким образом, после развития в течение 10 ч зародыш состоит из трех зародышевых листков и разделен на голову, грудь и брюшко. Голова состоит из клипеолабрального, процефалического, мандибулярного, максиллярного и нижнегубного сегментов. Три последних сегмента объединяют под названием гнатоцефалических. Грудь состоит из трех сегментов: переднегруди, среднегруди и заднегруди. Остальные девять сегментов делятся на восемь брюшных и один концевой хвостовой сегмент.

Эмбриогенез завершается созданием этого основного метамерного типа строения, образованием кутикулярных покровов и внутренних органов личинки. Личинка вылупляется через 24 ч после оплодотворения яйца. Передний вентральный край каждого из трех грудных и восьми брюшных сегментов окаймлен рядами зубчиков, форма которых позволяет отличать брюшные сегменты личинки от грудных. Сегменты головы инвертированы таким образом, что голова оказывается внутри личинки, где гнатоцефалические сегменты дают начало ротовым частям личинки. Зачатки имагинальных структур, или имагинальные диски, которые детерминируются и на стадии клеточной бластодермы отделяются от клеток, дающих начало тканям личинки, растут на протяжении трех личиночных стадий, а затем достигают своего взрослого дифференцированного состояния во время метаморфоза на стадии куколки.

Взрослая особь подобно зародышу и личинке, имеет метамерное строение. Различные имагинальные диски, очевидно, происходят из клеток, распределенных по разным метамерам зародыша. На рис. 8-7 схематически показано происхождение разных частей имаго из метамеров зародыша.

Рис. 8-6. Бластодерма (A), стадия сегментированной зародышевой полости (Б) и личинка первого возраста (В) Drosophila melanogaster. Микрофотографии, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. Линиями соединены соответствующие друг другу сегменты 8-часового зародыша и сформировавшейся личинки. Головы зародыша и личинки показаны прерывистой скобой. Обозначения сегментов: CL - клипеолабральный; РС - процефалический; Ма - мандибулярный, Мх - максиллярный; Lb - нижнегубной; О - глазной; T1-Т3 - первый, второй и третий грудные; A1-A8 - от первого до восьмого брюшные; D - дорсальный валик. (Фотография любезно предоставлена д-ром F. R. Turner.)

Рис. 8-7. Схема, показывающая соответствие между сегментами 8-часового зародыша и имаго Drosophila melanogaster (обозначения те же, что на рис. 8-6).

Голова взрослой особи несет глаза, антенны, клипеолабрум и максиллярные и нижнегубные щупики. Три последних элемента ротовых частей имаго, вероятно, происходят из соответствующих сегментов зародыша. У высших двукрылых, к которым относится и дрозофила, на имагинальной стадии мандибулярный элемент отсутствует. Глаза и антенны, по всей вероятности, происходят из процефалической лопасти зародыша. Вся голова имаго развивается из трех дисков, причем большая часть головной капсулы формируется из глазо-антеннального диска, который дает также начало максиллярным щупикам, т. е. этот диск происходит из нескольких сегментов. Два других диска происходят каждый из одного сегмента. Все три грудных сегмента несут по паре ходильных ног, причем каждая пара происходит из одного диска. Диски ног имеются на каждом из трех грудных сегментов зародыша. Дорсальная сторона груди имаго образована в основном мезотораксом и происходит из крылового диска. Дорсальные части как про-, так и метаторакса сильно редуцированы. На метатораксе расположены уже упоминавшиеся жужжальца. Наконец, восемь брюшных сегментов и концевые половые структуры имаго происходят из соответствующих сегментов личинки. Происходят ли половые железы из хвостового сегмента, не известно.

Все границы между сегментами появляются одновременно во время гаструляции. Установлено, однако, что процесс сегментации не абсолютно мозаичен по своему характеру. Эксперименты Шубигера и Вуда (Schubiger, Wood), а также Херта и Сандера (Herth, Sander) с наложением лигатуры на зародышей, находящихся на разных стадиях дробления, показали, что становление структуры сегментов с течением процесса дробления постепенно усиливается. Полный набор сегментов образуется лишь по достижении стадии бластодермы, когда настает время детерминации судьбы разных клеток. Очевидно, для нормальной сегментации зародыша необходимо взаимодействие между его различными участками. Дальнейшие сведения о природе факторов, определяющих характер сегментации, дали эксперименты, в которых клетки и их потомков метили, вызывая в них путем рентгеновского облучения соматические рекомбинации. Используя клеточные маркеры, экспрессирующиеся независимо друг от друга и затрагивающие пигментацию и морфологию кутикулярных элементов взрослой особи, Гарсиа-Беллидо (Garcia-Bellido) и его сотрудники создавали на стадии клеточной бластодермы клоны рекомбинантных клеток в зачатках, дающих грудные структуры взрослых особей. Проследив за взаимоотношениями между клеточными линиями, они сумели показать, что все потомки первоначально помеченной клетки оказываются только в одном сегменте. Более того, клетки, происходящие от одной гомозиготной дочерней клетки, обычно остаются друг подле друга, образуя пятно меченых клеток. Как показали дальнейшие эксперименты с использованием Μ (Minute)-мутаций, границы между такими участками отражают ограниченность клеточных потенций, и сегменты в самом деле делятся на два таких ограниченных участка. Клетки, гетерозиготные по доминантной мутации Μ (Μ/Μ+), растут медленнее, чем гомозиготные клетки дикого типа (Μ+/Μ + ), а гомозиготные клетки по мутации М (М/М) гибнут. Если клоны клеток М + /М + индуцировать при помощи соматической рекомбинации на фоне клеток Μ/Μ + , то эти нормальные клетки обгоняют в росте своих гетерозиготных соседей. В больших клонах клеток М + /М + проявляются те же ограничения потенций, которые наблюдались в предыдущих экспериментах. Итак, три сегмента, из которых состоит грудь имаго, разделены на переднюю и заднюю области («компартменты»). Все эти эксперименты с клонированием проводились на кутикулярных элементах взрослых мух. Перенесение полученных при этом результатов на зародышей и личинок до некоторой степени произвольно. Однако проведенный Корнбергом (Kornberg) анализ мутантных аллелей локуса еп (engrailed) подтверждает такую возможность. Leaky-мутации локуса еп вызывают превращение элементов задних компартментов грудных сегментов в структуры передних компартментов. Это особенно ясно выражено в случае имагинальной пластинки крыла, которая у мутанта состоит из двух передних половинок, зеркально-симметричных одна другой. Другие аллели вызывают гибель зародыша на поздних стадиях развития. У этих мертвых особей обнаружены сходные зеркально-симметричные дупликации всех грудных и брюшных сегментов. Поэтому создается впечатление, что компартментализация происходит уже у зародыша и что это распределение клеточных потенций внутри сегмента имеет место как у личинки, так и у взрослой особи.

 

Соотношение между гомеозисом и нормальной сегментацией

В детерминации индивидуальности сегментов, по-видимому, непосредственно участвуют две группы гомеозисных локусов. Интересно указать, что эти два набора генов представляют собой два кластера тесно сцепленных между собой локусов, находящихся в правом плече третьей хромосомы. О членах группы, расположенной дистальнее, мы уже говорили. Она известна под общим названием Bithorax Complex, и в нее входит не менее 10 комплементарных локусов. В другую, более проксимальную группу входит не менее 6 членов, и она известна под названием Antennapedia Complex. Связи этих двух комплексов друг с другом и с другими гомеозисными локусами приведены на рис. 8-5. На рис. 8-8 показан состав каждого комплекса и его местоположение в политенных хромосомах. Члены группы ВХ-С ответственны за детерминирование индивидуальности каждого из сегментов, расположенных кзади от сред-негрудного сегмента у личинки и у имаго. Как мы уже видели, в отсутствие локусов bx и pbx заднегрудь имаго превращается в среднегрудь. Мутация bxd (bithoraxoid) вызывает сходное превращение первого брюшного сегмента в среднегрудной. В этом случае трансформация наблюдается также и у личинки. Эти три рецессивные мутации комплементарны друг другу (т. е. особи с генотипом bx/pbx или bx/bxd, например, обладают нормальным фенотипом, но ни одна из трех не комплементарна доминантной мутации Ubx (Ultrabithorax). Льюис (Lewis) пришел к выводу, что дефекты, вызываемые мутацией Ubx, соответствуют мутациям в той части комплекса ВХ-С, которая ответственна за регуляцию локусов bx, pbx и bxd. Особи, гомозиготные по какой-либо мутации Ubx, гибнут на поздних стадиях зародышевого развития; при этом у них происходит превращение третьего грудного и первого брюшного сегментов во вторую грудь - результат, соответствующий представлениям Льюиса о функции локуса Ubx. Чем больше дистальных локусов комплекса ВХ-С подвергается делеции (рис. 8-8, Б), тем больше брюшных сегментов превращается в грудные сегменты. Так делеция локусов iab-2, iab-3 и iab-8 (рис. 8-8, Б) приводит к превращению брюшных сегментов в среднегрудь. При делеции всего комплекса ВХ-С все сегменты от заднегрудного до 8-го брюшного превращаются в среднегрудь, как это схематически показано на рис. 8-9. Все эти превращения - результат отсутствия функции генов. Однако у комплекса ВХ-С есть и другие доминантные варианты, приводящие к аномальной активации функций в пределах этого комплекса. Доминантная мутация Cbx (Contrabithorax) приводит к развитию мух, крылья которых превращены в жужжальца. Как показала генетическая проверка, это вызвано дерепрессией функций локусов bx + и pbx + в среднегруди, где они обычно не проявляют активности. Такого рода мутации существуют по крайней мере в трех точках комплекса ВХ-С и, согласно предположениям, оказывают воздействие на cis-регуляторный участок, контролирующий действие входящих в этот комплекс локусов, которое в норме ограничено отдельными сегментами.

Комплекс гомеозисных локусов, расположенный более проксимально (ANT-C, рис. 8-8, A), вызывает сходные превращения сегментов в передних частях зародыша и имаго. Локус pb (proboscipedia) необходим для нормального развития нижнегубного сегмента взрослой особи. В отсутствие функции pb + нижнегубные щупики имаго превращаются в переднегрудные ноги. Делеция локуса Scr (Sex combs reduced) приводит к превращению переднегруди в среднегрудь. Это лучше всего видно на взрослых самцах дрозофилы, у которых половой гребешок (структура, обычно имеющаяся только на переднегрудных ногах) отсутствует. Кроме того, о превращении первой пары ног во вторую свидетельствует общая картина распределения щетинок на переднегрудных ногах как у самцов, так и у самок. Такое же превращение можно наблюдать у личинок, у которых типичная для переднегруди морфология изменяется, так что переднегрудь становится похожей на среднегрудь. Наконец, некоторые аллели локуса Antp обусловливают превращение среднегруди и заднегруди в переднегрудь как у личинок, так и у имаго. Это можно наблюдать у взрослых самцов, у которых при этом появляются половые гребешки на всех шести ногах. При делеции всего комплекса ANT-C зародыш гибнет на поздней стадии развития, перед самым вылуплением личинки первого возраста. Изучение этих особей, а также более ранних стадий до наступления гибели показало, что все их сегменты от максиллярного до заднегрудного похожи на переднегрудные сегменты. Проявление этих двух последних нарушений у зародыша представлено на рис. 8-9.

Рис. 8-8. Схематическое изображение участков политенных хромосом Drosophila melanogaster, в которых локализованы комплексы ANT-C(A) и ВХ-С(Б). Над каждым участком указаны локусы, входящие в эти комплексы, pb - proboscipedia; zen - zerknult; Dfd - Deformed; ftz - fushitarazu; Scr - Sex combs reduced; Antp - Antennapedia; abx - anteriobithorax; bx - bithorax; Cbx - Contrabithorax; Ubx - Ultrabithorax; bxd - bithoraxoid; pbx - postbithorax; Hab - Hyperabdominal; Uab - Ultraabdominal; Мер - Miscadestral pigmentation; tuh - tumorous head; iab - infraabdominal.

Рис. 8-9. Схема превращений сегментов, наблюдаемых после частичных или полных делеций комплексов ANT-C и ВХ-С. Трансформированные сегменты отмечены пунктиром, и на них указано, в какие сегменты они превратились. Слева, над каждой схемой-различные генотипы. Показанные здесь трансформации представляют собой упрощенную компиляцию эффектов, оказываемых этими мутациями на взрослых особей, личинок и зародышей. Однако в большинстве случаев лишь предполагается, что эти трансформации имеются у зародыша в начальный момент, когда отдельные сегменты приобретают свою индивидуальность. Еу - глаз; An - антенна; остальные обозначения, те же что на рис. 8-6.

Подобно комплексу ВХ-С, доминантное усиление функции происходит также в результате мутаций, относящихся к комплексу ANT-C. Наиболее очевидное из них - нарушение функции локуса Antp, вызывающее превращение антенны в ногу. Функция аллеля Antp + , установленная на основе фенотипа, получающегося при делеции этого локуса, заключается в обеспечении надлежащего развития средне- и заднегруди. При доминантных мутациях в локусе Antp эта функция проявляется в передних члениках антенны и в ее зачатках. Аллель Antp+ не участвует в нормальном развитии антенны, о чем свидетельствует нормальная морфология антенны, даже в том случае, если в этом органе с помощью соматического кроссинговера создаются гомозиготные клоны клеток Antp - . Если же создать такие клоны во второй и третьей паре ног, то развитие пойдет по типу переднегруди или антенны. Таким образом, функция аллеля Antp + , очевидно, необходима для нормального развития вентральных частей средне- и заднегруди, а превращение антенны в ногу происходит в результате аномальной активации этой функции в зачатке антенны.

При делеции как комплекса ВХ-С, так и комплекса ANT-C получается картина сегментации, изображенная в нижнем ряду рис. 8-9: голова зародышей образована тремя сегментами, за которыми следует ряд одинаковых сегментов, похожих на переднегрудные. Такие зародыши гибнут. Следовательно, гены, входящие в эти два комплекса, необходимы для определения особой судьбы большинства различных гнатоцефалических, грудных и брюшных сегментов. Отдельные локусы функционируют в определенных сегментах, причем эта функция не выходит за пределы отдельных сегментов. Трансформации сегментов, вызываемые делецией генов, входящих в комплексы ВХ-С или ANT-C, или мутациями этих генов, не сводятся лишь к поверхностному изменению внешних кутикулярных структур. Если извлечь из личинок имагинальные диски, диссоциировать их и допустить реагрегацию клеток, то клетки одинаковых дисков соединяются друг с другом, а клетки из разных дисков отделяются одни от других. Если, однако, антенны трансформированы в результате гомеозиса в ногу, то эти клетки антенны-ноги воссоединяются и совместно образуют нормальные бластемы ноги. Эти результаты указывают на то, что поверхностные свойства клеток и их способности к распознаванию друг друга изменились под действием мутации.

С помощью метода соматической рекомбинации была сделана попытка оценить число клеток, из которых на стадии клеточной бластодермы состоят различные имагинальные диски в момент их детерминации. Для диска, из которого образуются жужжальца, их число равно примерно 10, а для диска крыла - около 20. Кроме того, удалось проследить за динамикой пролиферации этих двух дисков, получая рекомбинантные клоны их клеток на более поздних стадиях развития. С помощью этого метода Гарсиа-Беллидо (Garcia-Bellido) и его сотрудникам удалось показать, что у двойных мутантов bx pbx изменяется как динамика роста, так и число клеток, вовлеченных в диск жужжальца на стадии клеточной бластодермы. Оба этих свойства, подобно морфологии диска, изменяются, и жужжальца становятся похожими на крыло, т.е. на производное среднегруди. То обстоятельство, что программа развития как личинки, так и имагинальных дисков при гомеозисе изменяется на очень ранней стадии (для зачатков, по-видимому, на стадии клеточной бластодермы), можно считать указанием на важную роль гомеозисных генов в фактической детерминации судьбы клеток. В пользу такого утверждения свидетельствует возможность получить фенокопии трансформаций, типичных для мутантов bithorax, путем нагревания зародышей, находящихся на стадии клеточной бластодермы. У зародышей в возрасте 2 ч, подвергнутых температурному шоку, возникают ненаследственные изменения развития, сходные с изменениями, наблюдаемыми у мутантов bx. Как показал Гарсиа-Беллидо, к таким же результатам приводит обработка зародышей того же возраста эфиром. Эффективность такой обработки значительно возрастает, если изменить дозу генов комплекса ВХ-С посредством гетерозиготных делеций bx и pbx; при этом частота фенокопии повышается. Эти наблюдения являются убедительным доводом в пользу того, что мишенью, на которую направлено действие гомеозисных локусов, служат ранние процессы детерминации. Эти локусы необходимы, однако, и для поддержания такого состояния. Температурочувствительные мутации в локусах bx и pbx обладают температурочувствительным периодом, соответствующим третьей личиночной стадии (спустя 4-5 дней после детерминации клеток имагинальных дисков). Таким образом, характер детерминации этих клеток можно изменить после его первоначального формирования, но до дифференцировки, происходящей в процессе метаморфоза.

Результаты генетических и эмбриологических исследований гомеозисных генных комплексов Antennapedia и bithorax показывают, что эти локусы действительно играют роль переключателей, определяющих судьбу отдельных сегментов. Переключение происходит в период детерминации и, по-видимому, представляет собой результат позитивного действия названных локусов этих комплексов на батареи других генов. Следует отметить, что альтернативный путь развития, происходящий в отсутствие этих генов, не бывает хаотическим; в норме он наблюдается у некоторых других частей животного, так что эти гены можно в самом деле рассматривать как переключатели, производящие выбор из нескольких альтернативных состояний. Изменение реакции, вызванное гомеозисной мутацией, не приводит, как хотелось бы Гольдшмидту, к появлению «перспективных монстров», обладающих потенциальными возможностями для макроэволюционных событий. На самом деле изменения эти носят атавистический характер и могут дать сведения об истории генетических регуляторных механизмов, приобретенных в процессе эволюции. Вероятно, особенно ясно это можно продемонстрировать на примере эволюционной истории насекомых.

 

Филогения членистоногих, или как гомеология повторяет филогению

Филогенетические взаимоотношения крупных групп членистоногих представлены на рис. 8-10. Эта филогения построена на основании данных палеонтологических, эмбриологических, сравнительно-анатомических и различных других исследований.

Членистоногие возникли от некого предка, сходного с кольчецами, по всей вероятности, в конце докембрия, а первая значительная радиация этой группы началась в кембрии. Среди ископаемых остатков, найденных в нижнепалеозойских отложениях, обнаружены представители всех групп членистоногих, за исключением насекомых. Насекомые появляются в верхнем палеозое, т. е. примерно 350 млн. лет назад. Если в отношении происхождения членистоногих от кольчецов (или от какой-то сходной с ними группы) существует известное единодушие, то по вопросу о том, являются ли главные группы членистоногих моно- или полифилетическими, единого мнения нет. Мы не собираемся вступать в эту дискуссию, а сконцентрируем внимание на той части филогении, которая относится к группе членистоногих Uniramia и от которой в конечном счете произошли насекомые. Изменения в характере сегментации у этой группы членистоногих можно проанализировать в свете гомеозисных мутаций дрозофилы.

К признакам, позволяющим считать кольчецов предками членистоногих, относятся лежащая в основе их строения метаметрия, расположение нервной системы на вентральной стороне, а сердца - на дорсальной стороне тела; это признаки, которыми обладают все членистоногие. Несмотря на эти общие для обеих групп признаки взрослых особей, они сильно различаются по ранним стадиям развития. Для кольчецов, так же как для моллюсков, характерно спиральное дробление, тогда как у членистоногих дробление в общем центролецитальное, описанное выше для дрозофилы. Поэтому одним из крупнейших событий в возникновении членистоногих было резкое изменение раннего развития при сохранении взрослыми особями основного плана строения.

На рис. 8-11 показаны поздние стадии развития морской полихеты Polydora ciliata. После дробления и гаструляции у этого червя образуется свободноплавающая личинка - трохофора. Эта личинка разделена двумя венчиками ресничек на три обособленные области. Передняя, предротовая, часть отделена от средней, туловищной, части прототрохом. Задняя, пигидиальная, отделена от средней части телотрохом. В процессе развития личинки ее туловищная часть разделяется на три обособленных туловищных сегмента. На этой стадии у личинки можно различить в общей сложности шесть сегментов: предротовой, ротовой, три туловищных и хвостовой, или пигидий. Личинка продолжает расти путем добавления новых сегментов в зоне нарастания, находящейся между последним туловищным сегментом и пигидием. Этот рост кзади сопровождается постепенным усложнением структур, специфичных для каждого вида, на самых задних сегментах. После того как личинка достигнет полного развития, она в результате метаморфоза превращается во взрослого червя. Этот последний вопрос нас здесь не интересует; нам достаточно отметить сегментарную структуру животного и то, как эта сегментарная структура изменяется на «следующей» стадии филогенеза насекомых.

Рис. 8-10. Филогенетические связи между главными группами членистоногих с упором на линию, давшую начало современным насекомым (Hexapoda).

Рис. 8-11. А-В. Сегментация тела морской полихеты Polidora. А. Ранняя личиночная стадия. Б. Более поздняя личиночная стадия после добавления нескольких сегментов к зоне нарастания на заднем конце тела. В. Молодая взрослая особь. Г-Е. Зародыши и взрослая форма онихофор. Г. Вентральная сторона зародыша Peripatoides novaezealandiae на ранней стадии образования зародышевой полоски; как и у кольчецов, добавление новых сегментов происходит на заднем конце тела. Д. Вентральная сторона головы зародыша P. capensis, состоящей из трех сегментов - антеннального, челюстного и ротового - и головных сосочков. Е. Обобщенная взрослая онихофора (рисунок сделан с зафиксированных экземпляров); все туловищные сегменты одинаковы, и на каждом из них имеется по одной паре членистых ходильных ножек с коготком на конце (А-В - Wilson, 1928; Г - Sheldon, 1889; Д - Sedgwick, 1888).

Когда впервые были открыты онихофоры, их сочли «недостающим звеном» между кольчецами и высшими членистоногими. На первый взгляд это кажется правильным, и они в самом деле представляют собой промежуточную форму. Однако онихофоры не являются прямыми предками насекомых. Дробление у них центролецитальное, и у видов, имеющих крупные, богатые желтком яйца, бластодерма образуется на поверхности массы желтка путем целлюляризации. В процессе гаструляции на среднебрюшной поверхности бластодермы формируются две эктодермальные зародышевые полоски и происходит инвазия мезодермальных клеток в бластодерму. Крупные гаструляционные перемещения клеток возникают только в связи с образованием переднего зачатка средней кишки. Эти перемещения начинаются на презумптивном переднем конце животного и распространяются к хвостовому его концу. Вслед за началом этих перемещений начинается процесс сегментации. Ранняя стадия сегментации Peripatoides novaezealandiae показана на рис. 8-11, Г. На переднем конце животного имеется хорошо заметный антеннальный сегмент, за которым на этой стадии следует ряд сходных сегментов, дающих сомиты. Как и у личиночных форм полихет, новые сегменты образуются субтерминально, в задней зоне нарастания. Сегментация завершается до рождения на свет (большинство видов онихофор живородящие или яйцеживородящие). На рис. 8-11, Д изображена более поздняя стадия эмбриогенеза Peripatopsis capensis, соответствующая началу развития головы. Голова состоит из переднего антеннального сегмента, единственного челюстного сегмента, на котором находится рот, и сегмента, несущего ротовые сосочки, где открываются протоки слизистых желез. Позади головы расположен ряд одинаковых туловищных сегментов, от каждого из которых у взрослой особи отходит членистая нога, снабженная коготком.

Антеннальный, челюстной и сосочковый сегменты - цефализированные туловищные сегменты, которые мобилизованы, в эволюционном и онтогенетическом смысле, функционировать в качестве ротовых частей. Надежных данных о наличии у онихофор процефалического сегмента, подобного имеющемуся у кольчецов и высших Uniramia, нет (табл. 8-1). Отчасти поэтому современные онихофоры считаются реликтами, а не подлинным промежуточным звеном между кольчецами и следующей ступенью в филогенезе насекомых.

Таблица 8-1. Соответствие между сегментами кольчецов и членистоногих, принадлежащих к группе Uniramia

У многоножек - очередной ступени филогенетической лестницы, по которой мы следуем,- имеются разного рода второстепенные изменения общего плана развития, наблюдаемого у онихофор. Дробление у них продолжает оставаться центролецитальным, хотя у некоторых групп гаструляция несколько изменена. Многоножки делятся на две основные группы - дигнатические и тригнатические - различающиеся по сегментации головы (табл. 8-1, рис. 8-10). Возможно, что дигнатические многоножки появились в процессе эволюции позднее, несмотря на менее сложное строение их головы. После гаструляции зародышевая полоска пересекается рядом борозд, в результате чего образуется группа сегментов: у тригнатических многоножек - это головные, антеннальные, премандибулярные, мандибулярные, максиллярные. нижнегубные и от 3 до 6 туловищных сегментов. Эта стадия показана на примере Hanseniella (на рис. 8-12, Д и Е). Как и у онихофор, полный комплект сегментов взрослой особи создается в процессе эмбриогенеза (в зоне нарастания между предпоследним задним сегментом и анальной областью). Дальнейшее развитие приводит к совершенствованию строения ходильных ног, имеющихся на каждом из туловищных сегментов, и к формированию ротовых частей из мандибулярного, максиллярного и нижнегубного сегментов (рис. 8-12, Ж и 3). Премандибулярный сегмент несет лишь временный придаток и не играет заметной роли в формировании головы взрослой особи. Лежащие впереди антеннальный и процефалический сегменты несут антенны и клипеолабрум соответственно. Таким образом, у многоножек в образовании головы участвуют не три, как у онихофор, а шесть сегментов. Но, так же как и у онихофор, эти специализированные сегменты возникли в результате заимствования элементов из послеротовой туловищной области раннего зародыша. У дигнатических многоножек наблюдается своеобразное отличие в типе сегментации. Сегмент, соответствующий нижнегубному сегменту тригнатических многоножек, не участвует в образовании ротовых частей взрослой особи. Вместо этого он превращен в специализированный шейный сегмент (collum), образуя подобие шейки между головой и первым туловищным сегментом (рис. 8-12, А и Б). В остальном характер сегментации у обеих групп многоножек сходен. В частном примере Pauropus silvaticus, представленном на рис. 8-12, А-Г, есть еще одно резкое и существенное различие. Для класса Pauropoda, к которому относится эта многоножка, характерен анаморфоз, а не эпиморфоз, как у описанного выше представителя Chilopoda. При развитии с анаморфозом животное вылупляется с неполным набором туловищных сегментов. Как видно на рис. 8-12, В, у только что вылупившейся особи имеются всего три туловищных сегмента. Остальные сегменты, имеющиеся у взрослой особи, приобретаются в результате субтерминального их добавления в зоне нарастания на заднем конце животного. Это нельзя считать признаком дигнатизма как такового, потому что у Symphyla - группы тригнатических многоножек - также наблюдается анаморфоз. Существование личиночной формы, имеющей всего три туловищных сегмента, было сочтено частичным доказательством того, что насекомые возникли от какого-то сходного с многоножками предка в результате педогенеза. В такой возможности убеждает изучение примитивных бескрылых насекомых (Apterygota).

Рис. 8-12. Зародышевая, личиночная и взрослая стадия (А-Г) дигнатической многоножки Pauropus, зародышевые стадии тригнатической многоножки Hanseniella (Д-3) и взрослая тригнатическая многоножка Scutigerella (И). А. Десятидневный зародыш с намечающейся сегментацией тела. Б. Стадия ранней куколки. В. Личинка первого возраста вскоре после вылупления. Г. Взрослая особь после добавления туловищных сегментов в зоне нарастания на заднем конце тела. Д. Вся зародышевая полоска 8-дневного зародыша (вид сбоку). Е. Ротовые части того же зародыша, что на Д (вид снизу). Ж. Зародыш непосредственно перед вылуплением (вид сбоку). 3. Голова и ротовые части того же зародыша, что на Ж (вид снизу). И. Взрослая особь (вид сверху). (А, Б, Д-3 - Anderson, 1973; В, Г, И - по Snodgrass, 1952; с изменениями).

Среди бескрылых насекомых есть группы, раннее развитие которых сходно с развитием либо многоножек, либо крылатых насекомых. Андерсон (Anderson) считает эти вариации функциональными адаптациями каждой отдельной группы, а не существенными различиями, опровергающими наличие связи между многоножками и насекомыми. Наиболее ярко выраженное сходство между многоножками, бескрылыми и крылатыми насекомыми и между самими бескрылыми касается способа сегментации зародышевой полоски. У бескрылых, так же как и у тригнатических многоножек, в начале процесса сегментации имеется шесть головных сегментов, за которыми следуют три туловищных сегмента. В процессе дальнейшего развития в субтерминальной зоне нарастания кпереди от терминального хвостового сегмента образуются остальные туловищные сегменты (рис. 8-13, Г и Д). Гнатоцефалические сегменты пополняются за счет туловищных элементов зародыша и их придатков, модифицированных в ротовые части. Главное отличие бескрылых от многоножек состоит в том, что их туловище разделено на грудь, состоящую из трех сегментов, и брюшко из восьми сегментов. Ходильные ноги имеются только на груди, а придатки брюшка сильно редуцированы (рис. 8-13, Е). Сравнение рис. 8-12, В и Г и 8-13, Е выявляет поразительное сходство в строении тела анаморфных многоножек и примитивных бескрылых насекомых; главное различие между ними - подавление у бескрылых насекомых развития конечностей на сегментах, расположенных позади третьего туловищного сегмента.

Последняя ступень в филогенезе - крылатые насекомые (Pterygota). Мы уже рассматривали некоторые аспекты раннего развития этой группы на примере Drosophila melanogaster (см. рис. 8-6). События раннего развития, описанные для дрозофилы, наблюдаются у всех других крылатых насекомых, и нет нужды повторять их. В качестве примера более примитивной формы мы сочли нужным, однако, рассмотреть сегментацию зародышевой полоски у жука Bruchidius (рис. 8-13). Так же как и у дрозофилы, у этого жука, по-видимому, нет задней зоны нарастания и сегментация происходит единовременно. У него имеются три гнатоцефалических и три грудных сегмента, образующие соответственно ротовые части и грудь. В отличие от бескрылых насекомых три грудных сегмента у него дифференцированы, причем от второго и третьего сегментов отходят крылья.

Рис. 8-13. Вид сбоку сегментированных зародышей и вылупившихся особей крылатого насекомого Bruchidius (А-В) и бескрылого Campodea (Г-Ε). А. Полностью сегментированная зародышевая полоска. Б. Укорочение зародышевой полоски. В. Стадия вылупления. Г. Сегментирующаяся зародышевая полоска; сегментация происходит на заднем конце полоски. Д. Полностью сформировавшаяся и сегментированная зародышевая полоска. Е. Взрослая особь. При сравнении рис. В и Ε с многоножками, изображенными на рис. 8-12, В и Г, бросается в глаза сильное сходство между этими формами, которое отчасти и послужило основанием для гипотезы о происхождении примитивных насекомых в результате педогенеза от предка, сходного с многоножками (А-В - Anderson, 1973; E - Snodgrass, 1952).

У двукрылых произошли дальнейшие изменения: вторая пара крыльев, отходящая от заднегруди, редуцировалась, превратившись в жужжальца, а спинка переднегруди сильно уменьшена и у дрозофилы сведена к узкой полоске кутикулы (см. рис. 8-7). Брюшные конечности, которые у бескрылых редуцированы, у всех крылатых насекомых совершенно отсутствуют. Кроме того, премандибулярный головной сегмент у них плохо различим или отсутствует вовсе. Эта редукция головных сегментов заходит еще дальше у дрозофилы, у которой мандибулярный сегмент участвует в формировании ротовых частей личинки, но не имаго. На рис. 8-14 суммированы изменения сегментов, наблюдаемые у Uniramia. Следуя по филогенетической лестнице от кольчецов до крылатых насекомых, можно видеть постепенное возникновение сегментированной структуры и последующую утрату некоторых, но не всех ее элементов. Сравнение рис. 8-14 и 8-9 позволяет провести довольно интересную параллель. Выпадение функции генов bx + и pbx + превращает двукрылую дрозофилу в более примитивную четырехкрылую форму. Функция гена Antp + необходима для развития средне-и заднегрудных сегментов. В отсутствие этого гена грудь зародыша состоит из трех переднегрудных сегментов, которые не несут крыльев, т.е. частично подражают бескрылым формам. В отсутствие всего комплекса ВХ-С задний конец зародыша состоит из ряда одинаковых грудных или туловищных сегментов. Такой набор сегментов напоминает тригнатических многоножек. Наконец, в отсутствие комплексов ANT-C и ВХ-С развиваются зародыши с тремя головными сегментами и рядом одинаковых туловищных сегментов, что напоминает строение онихофор. Таким образом, постепенно удаляя относительно небольшое количество генетического материала, нам удалось пройти довольно большой отрезок эволюционного пути.

Рис. 8-14. Схема предполагаемой эволюции характера сегментации насекомых в процессе филогенеза. А. Кольчецы. Б. Онихофоры. В. Многоножки. Г. Бескрылые насекомые. Д. Крылатые насекомые. Сопоставляя эту схему с рис. 8-9, можно видеть, что постепенное выпадение гомеозисных локусов приводит к прогрессирующему упрощению сегментации у дрозофилы, которое до некоторой степени имитирует филогению насекомых. (Snodgrass, 1935).

Мы не хотели бы, чтобы читатель принял эти аналогии слишком буквально, и считаем необходимым подчеркнуть, что описанные здесь атавизмы нельзя считать подлинными. Делеция генов привела лишь к изменению индивидуальности некоторых сегментов, но при этом они несомненно остаются сегментами дрозофилид. Это показывает, что содержащиеся в этих локусах гены участвуют в спецификации развивающейся структуры - в регуляции онтогенеза как такового. Они играют роль переключателей, определяя судьбу клеток путем регуляции действия генов, экспрессирующихся в каждом отдельном сегменте. Находящиеся под их контролем структурные гены, по-видимому, эволюционировали совместно с этими контролирующими гомеозисными локусами, но в то же время в известном смысле обособленно от них.

На основе описанной здесь филогении насекомых и тонкой структуры двух комплексов генов мы представляем себе эволюцию гомеозисных форм как ступенчатую дупликацию с последующей дивергенцией функций. Самый подходящий отрезок филогенеза, где легче всего наблюдать этот процесс, - переход от многоножек к бескрылым и далее к крылатым насекомым. Гены iab определяют дифференцировку груди и брюшка. В отсутствие этих генов брюшные сегменты становятся грудными. Поэтому у генов iab возникла функция, которая могла подавлять развитие конечностей у задних сегментов. Льюис (Lewis) показал, что у дрозофилы имеется несколько таких локусов, возможно, по одному на каждый из восьми брюшных сегментов.

Однако у бескрылых насекомых эти сегменты добавляются один за другим в процессе эмбриогенеза; и возможно, что им для этого нужен только один ген, который многократно активируется по мере добавления новых брюшных сегментов. С возникновением типичного для крылатых одновременного формирования всех сегментов могла произойти серийная дупликация гена iab как необходимый элемент такого изменения развития.

Можно считать, что члены комплекса ANT-C возникли в какой-то ранний момент эволюции насекомых. Переход от предка, сходного с кольчецами, к онихофорам, а затем к многоножкам был связан с вовлечением послеротовых туловищных сегментов и превращением их в гнатоцефалические сегменты, дающие начало ротовым частям. Этот процесс осуществляется, по крайней мере частично, локусом proboscipedia. Кроме того, гены Scr+ и Antp + (см. рис. 8-8, А) функционируют как переключатели, необходимые для детерминации характерных черт (индивидуальности) первого и второго грудных сегментов. Можно представить себе, что функции этих генов возникли, дуплицировались и дивергировали во многом таким же образом, как функции локусов ВХ-С. Возможно даже, что эти два комплекса связаны между собой через дупликацию: элементы комплекса ANT-C дали начало путем дупликации какому-то предшественнику комплекса ВХ-С.

До сих пор мы рассматривали типы трансформаций, вызываемых гомеозисными генами, а также место и сроки функционирования этих генов, не касаясь того, как они осуществляют переключение. Этот последний вопрос фактически состоит из двух частей: как регулируются сами гомеозисные гены и как они в свою очередь регулируют характер генной экспрессии в пределах каждого сегмента? Прежде чем попытаться ответить на эти два вопроса, необходимо обсудить существующие представления о способе становления пространственной структуры.