Вопрос №30. Молекулярные механизмы развития на примере дрозофилы

В любой науке прорыв становится возможным только после нахождения удобной модели для решения определенной задачи. Модель должна обладать простотой, адекватностью, удобством работы. В области дифференцированной экспрессии генов модель – муха дрозофила: маленькая – занимает мало места, плодовита (100 потомков от одной пары), короткий жизненный цикл (следующее поколение через 20 дней), дешевое разведение мухи и простой уход.

Дрозофила относится к членистоногим и имеет сегментированное строение:

I. Голова – пять сросшихся сегментов.

1 – антенны – обонятельно-осязательные ноги.

2 – (глаза).

3 – мандибулы – верхние челюсти.

4 – максиллы – нижние челюсти.

5 – нижняя губа (верхняя губа – складка кожи).

II. Грудь – три сегмента.

1 – ходильные ноги (гексаподы).

2 – ходильные ноги + крылья.

3 – ходильные ноги + жужелица.

III. Брюшко – восемь сегментов. Производных конечностей нет. Кроме: створок яйцеклада у прямокрылых; клешнеобразных выростов на конце тела у уховерток.

Ходильные ноги разных видов: у дрозофилы – бегательные, задние конечности кузнечиков – прыгательные, у плавунцов – плавательные, у медведки – копательные, у богомолов – хватательные.

Крылья располагаются на 2-ом и 3-ем сегменте груди. Жужжальца – стабилизаторы, чтобы насекомое не вертелось в полете. Конечность – подвижный вырост тела, состоящий из сегментных структур, т.е. щупальце осьминога – не конечность. Внутри конечности есть собственная мускулатура.

Развитие начинается с личинки. Яйцо имеет вытянутую форму. Ключевыми ТФ являются два, определяющие развитие передних и задних конечностей (т.е. там где I – зад, где II- перед). После их дифференцировки организм разделяется на несколько областей: первая – образование зачатков сегментов, вторая – параллельно идет закладка транскрипционных факторов, которые определяют судьбу этих сегментов.

Пусть будет 3 – ТФ, у него есть ген, I и II – активаторы транскрипции. Транскрипция пойдет там, где концентрация факторов больше. Пусть есть 4, для которого транскрипция идет там, где есть и I и 3. Его транскрипция будет позже, чем транскрипция 3. Благодаря этому создается весьма тонкие градиенты в зародыше. Это обеспечивает каскадная транскрипция. (Предположим, что изначально личинка дрозофилы имеет 2 ТФ, по-разному распределенных по яйцу. ТФ опр-ют экспрессию опр-ых участков генов. Тогда один из них, ТФ₁, отвечает за развитие структур переднего конца, а другой, ТФ₂, - за развитие заднего конца. Оба ТФ распределены по личинке, но их работа связана с конц-цией, т.е. ТФ₁ не м. работать в заднем конце, т.к. ТФ₂ там блокирует его работу. Но Оз мало всего 2 ТФ, а для трехмерных Оз, как min, нужны 3 ТФ. Синтез ост-ых ТФ в зародыше зависит от конц-ции предшествующих. Предположим, что ТФ₁ и ТФ₂ отвечают за экспрессию гена, кодирующего ТФ₃. Экспрессия будет нах-ся там, где конц-ции ТФ₁ и ТФ₂ примерно равны. Допустим, есть еще ген 4, кодирующий ТФ₄ и зависящий от ТФ₁ и ТФ₃, и ген 5, кодирующий ТФ₅ и зависящий от ТФ₃ и ТФ₂. Зона их экспрессии будет там, где конц-ции соответствующих ТФ будут примерно равны. Это все обеспечивает регуляцию развития во времени).

Факторы, определяющие нормальное развитие дрозофилы. У дрозофилы (как и у др. насекомых) главную роль в спец-ции будущих сегментов тела играет конц-ция разных ТФ в теле зародыша. Грудные сегменты явл-ся уникальными. 1 сегмент развивается под влиянием "генов головы" и "генов груди". 2 сегмент, который явл-ся настоящим грудным сегментом, развивается под влиянием "генов груди", а 3 - "генов груди" и "генов брюшка". Док-ть, что конц-ция разных ТФ играет роль в спец-ции сегментов, можно след. образом. Если удалить "ген брюшка" в 3 грудном сегменте, т.е. он будет развиваться под влиянием "гена груди", то особь будет иметь 2 грудных сегмента с крыльями (но у такой дрозофилы будет плохая координация движения).

Такие вещи в определители не входят. Возникает мысль, что прототипный вариант насекомого без дифференциации грудных сегментов – это шестикрылые насекомые. Эволюция – последовательность из накладывающихся друг на друга программ дифференцировки. Бывает, что конечности на голове – ходильные ноги; также бывает ротовой аппарат расчленяется на структуры, где угадываются конечности – все эти насекомые были получены «отключением» действия одного сегмента на другой.

Сегментарные структуры человека: позвоночник, спинномозговые нервы, фаланги пальцев, пары конечностей, доли легкого, мускулатура брюшного пресса. Бывают мутации: «чертово» ребро – тринадцатое, шейные ребра, короткопалость – пальцы из двух фаланг, но мускулатура в пальца такая же, как и в нормальных – короткие толстые пальцы.

Для круглых червей характерно строго детерминированное дробление, настолько, что известно количество клеток в каждом органе и в организме в целом. Некоторые клетки в процессе развития умирают (апоптоз – виден на примере головастика).

Evoderotics

Второй грудной сегмент насекомых ближе всего к прототипу. Следовательно первые крылатые насекомые должны были быть шестикрылыми, но их нет. Есть 4хкрылые насекомые с крыльями на 2м и 3ем сегментах груди, на первом – маленькие неподвижные выросты.

Пра-вариант цветков:

Как у магнолиевых – много элементов, лепестков, тычинок, пестиков, между которым нет резких границ.

Как у перечного дерева – очень примитивный цветок, с очень малым количеством структур – только половые органы и придаток.

Какой же из них проще?

Концепция Evo-Dero: изучать эволюцию на генетическом уровне.

Т. о. общим принципом развития Оз явл-ся клеточная диф-ка, в основе которой лежит диф-ая экспрессия генов, ключевой механизм которой - диф-ая транскрипция.