Лекция 7 ФОРМИРОВАНИЕ ОСЕЙ ЗАРОДЫША ДРОЗОФИЛЫ И СПЕЦИФИКАЦИЯ СТРУКТУР ТЕЛА ВДОЛЬ ОСЕЙ (продолжение)

Гомейозисные (гомеотические) мутации впервые были описаны в 1894 Вильямом Бейтсоном (Willam Bateson) и характеризуются изменением места расположения известных структур вдоль продольной оси тела животного. За характеристику гомеотических (гомейозисных) генов у дрозофилы Э. Льюис (E. B. Lewis) был удостоен в 1995 г. Нобелевской премии. Было установлено, что гомеотические гены начинают функционировать на ранних этапах развития зародыша и могут оставаться активными в некоторых отделах взрослого организма

Гомейозисная мутация гена Ultrabithorax у дрозофилы (подавление активности гена ultrabithorax) приводит к образованию второй пары крыльев вместо жужжалец wildtype Ultrabithorax

Эктопическая активность гомеотического гена Antennapedia (gain of function) в головном отделе (в норме активного во втором торакальном сегмента) превращает антенну в ногу (см. рисунок). В случае мутации гена Antennapedia (loss of function) во втором торакальном сегменте вместо ноги образуется антенна, благодаря активности более «антериорных» гомеотических генов.

Кластер гомеотических генов дрозофилы – Hom-C на 3-й хромосоме. Активность генов в зародыше и во взрослой особи. Последовательное расположение генов в кластере определяет последовательность их экспрессии в парасегментах вдоль передне-задней оси

8 гомеотических (гомейозисных) генов дрозофилы контролируют идентичность тела как у эмбриональной так и взрослой форм насекомого labial (lab) proboscipedia (pb) Deformed (Dfd) Sex combs reduced (Scr) Antennapedia (Antp) Ultrabithorax (Ubx) abdominal A (abd-A) Abdominal B (Abd-B)

Районы экспрессии гомеотических генов в бластодерме зародыша дрозофилы и несколькими часами позже в нервной системе (тёмные полосы - белок, светлые -иРНК)

Гомеотические ены Активности гомеотических генов инициируются продуктами экспрессии генов сегментации (gap и pair rule) и полярности сегментов, а затем поддерживаются независимо от них.

Гомеотические гены кодируют транскрипционные факторы -ТФ, содержащие ДНК- связывающий гомеодомен (60 а.о.), имеющий структуру - спираль-поворот-спираль- Helix-Turn-Helix (HTH). Участок ДНК, кодирующий гомеодомен - гомеобокс (180 н.п.). Не все гомеобокс-содержащие гены - гомеотические, а только входящие в состав кластера генов - Hom-C. Все гомеодомен-содержащие ТФ одинаково узнают центральную последовательность TAAT-пар нуклеотидов, но различаются по узнаванию фланкирующих TAAT пар нуклеотидов.

Первоначальную экспрессию кластера гомеотических генов инициируют сегментационные гены: gap-гены и гены pair-rule. В дальнейшем за экспрессию гомеотических генов у дрозофилы негативно отвечают гены Polycomb - их белковые продукты, локально изменяя конформацию хроматина, подавляют экспрессию генов Hom-С, и дают возможность осуществлять экспрессию этих генов лишь в отдельных участках развивающегося организма За постоянную позитивную активность генов Hom-С отвечают белки семейства Trithorax, поддерживающие определенные участки хроматина в активном состоянии и позволяют тем самым экспрессироваться определенным генам кластера Hom-С.. Постериорно функционирующие гомеотические гены действуют через свои белковые продукты (ТФ) как репрессоры более антериорных генов кластера Некоторые гомеотические гены (lab, dfd) позитивно поддерживают свою экспрессию собственными белковыми продуктами – ТФ.

Имагинальные диски позиционированы в отношении сегментов личинки, что объясняет корреляцию сегментов личинки и взрослой мухи

Карта судьбы имагинальных дисков и гистобластов дрозофилы, отвечает за спецификацию структур, формирующихся из них.

Кластер гомеотических генов дрозофилы - Hom-C. Активность генов в зародыше и во взрослой особи. Последовательное расположение генов в кластере (на з-й хромосоме) определяет последовательность их экспрессии в парасегментах вдоль передне-задней оси

Кластеры гомеотических генов высоко консервативны. Они сформированы в явном виде у Bilateria и присутствуют в организмах всех типов животных, включая человека.

Ортологичные гомеотические гены у всех животных (включая и саму дрозофилу) обозначаются сейчас как гены семейства Hox (Hox-гены)

У позвоночных выявляется не менее четырех кластеров паралогичных гомеотических генов. Число генов в Hox – кластерах позвоночных больше, чем у беспозвоночных, но не все паралогичные гены в Hox- кластерах позвоночных сохраняются в отдельных кластерах.

Гены гомеотических кластеров Hox-C мыши и HOX-C человека контролируют метамерию заднего отдела головного мозга и формирование спинного мозга

Гомеотические гены в кластере работают в гнездовом режиме. Кластеры гомеотических генов Hox-C мыши и HOX-C человека контролируют формирование позвоночника. Их экспрессия определяется градиентом ретиноевой кислоты (возрастающим в передне-заднем направлении).

Использование консерватизма гомеотических генов в молекулярном анализе филогенетических связей организмов. Поправка существующих представлений о филогенетических взаимоотношениях у первичноротых: клады Ecdysozoa и Lophotrochozoa (сгруппированные на основе анализа Hox-генов) не соответствуют классическим представлениям о филогенезе

Предполагаемая макроэволюционная роль гомейозисных мутаций - вклад биологии развития в эволюционную теорию. Однократная мутация одного или группы Hom-C генов может привести к образованию (утрате) пары крыльев или ножек

Экспрессия гена Distall-less важна для образования конечностей у насекомых, в том числе и для образования ложных ножек у личинки бабочки.

Отсутствие экспрессии гомеотических генов Abd A и Ubx даёт возможность гену Distall-less экспрессироваться (маркировка красным цветом) в брюшных сегментах личинки бабочки и обусловливать формирование ложных ножек. Нарушение экспрессии AbdA и Ubx в ряде мест на брюшных сегментах критично для эволюции личиночных форм высших насекомых

Формирование дорсо-вентральной оси у Drosophila. Дорсо-вентральная полярность зародыша формируется позднее передне-задней, хотя за неё также отвечают продукты экспрессии материнских генов, главный из которых Dorsal. Его белковый продукт - фактор транскрипции (синтезируется спустя 90 минут после оплодотворения при трансляции иРНК Dorsal, запасённой в ооците). За формирование дорсо-вентральной оси отвечает 11 генов материнского эффекта

Число и характер генов, принимающих участие в формировании общего плана строения зародыша Drosophila Three general classes of genes specify the body plan: 1. Maternal effect genes (~33). 2. Segmentation genes (~25). 3. Homeotic selector genes (~25).

Начальный этап дорсолизации (проходит до оплодотворения) - миграция ядра ооцита из постериорного района ближе к трофоцитам и дорсальным фолликулярным клеткам, начало экспрессии гена gurken с установлением градиента белка Gurken в этой области яйцеклетки (градиент белка Gurken)

Градиент Gurken (белок, родственный эпидермальному ростовому фактору- EGF) в дорсальной части мембраны ооцита воспринимается фолликулярными клетками с помощью рецептора Torpedo (родственного рецептору EGF). Экспрессия гена Gurken подтверждается результатами гибридизации in situ и иммунохическим окрашиванием

Комплекс взаимодействий Gurken (ооцит)- Torpedo (фолликулярные клетки) приводит к поляризации клеток фолликулярного эпителия на дорсальные и вентральные, благодаря односторонней активации синтеза белка Pipe в фолликулярных клетках с будущей вентральной стороной зародыша

Сигнал из вентральных фолликулярных клеток в цитоплазму зародыша. События происходят в перивителлиновом пространстве уже после оплодотворения. Взаимодействие Nudel- и x -факторов (модифицированно участием Pipe) запускает каскад активации протеаз с сигналингом через Toll-рецептор. ТФ - Dorsal освобождается из комплекса с Cactus (последний разрушается после фосфорилирования пртеинкиназой Pelle), Dorsal транслоцируется в ядро. Формируется ядерный градиент Dorsal, вентрализующий зародыш

Гаструляция и дальнейшее развитие зародыша дрозофилы

Figure Fate map of a Drosophila embryo at the cellular blastoderm stage. The embryo is shown in side view and in cross-section, displaying the relationship between the dorsoventral subdivision into future major tissue types and the anteroposterior pattern of future segments. A heavy line encloses the region that will form segmental structures. During gastrulation the cells along the ventral midline invaginate to form mesoderm, while the cells fated to form the gut invaginate near each end of the embryo. Thus, with respect to their role in gut formation, the opposite ends of the embryo, although far apart in space, are close in function and in final fate. (After V. Hartenstein, G.M. Technau, and J.A. Campos-Ortega, Wilhelm Roux' Arch. Dev. Biol.194: , 1985.) Формирование дорсо-вентальной оси дрозофилы происходит в ходе гаструляции

Начало гаструляции у Drosophila:16 наиболее вентральных клеток мигрируют внутрь зародыша и образуют в дальнейшем мезодерму (регистрируется по образованию «мезодермальных» белков Twist и Snail). Энтодерма закладывается путём впячиваний с антериорной и постериорной сторон зародыша.

Схематическое представление гаструляции

Действие градиента Dorsal определяет дорсо-вентральную полярность в ходе гаструляции. Dorsal – транскрипционный фактор, по разному регулирует экспрессию генов, ответственных за спецификацию структур вдоль дорсо-вентральной оси зародыша

Действие градиента Dorsal определяет дорсо-вентральную полярность в ходе гаструляции. Dorsal – транскрипционный фактор, по разному регулирует экспрессии генов, ответственных за спецификацию структур вдоль дорсо-вентральной оси зародыша

Консерватизм сигнальной цепочки, действующей через Toll- рецепторы у дрозофилы и млекопитающих (эффект коопции). Сигнальная цепочка, действующая через Toll-рецептор, используется для запуска воспалительного ответа у млекопитающих и для активации антифунгального и антибактериального действий у личинок и взрослых мух. Гомологичные белки отмечены одинаковым цветом

Использование гомологичных компонентов сигнальной цепочки, включая ТФ: Dorsal/Dif /Relish, в иммунных реакциях у дрозофилы (антифунгальный- Relish и антибактериальный-Dif ответы) и у человека (NF-kappaB)

Декартовы координаты районов экспрессиия генов, задаваемые пересечением передне-задней и дорсо-вентральной осей, определяют закладку органов и участков тела насекомого (на примере закладки слюнной железы)