Тема № 8. Генетика индивидуального развития

Краткое содержание:

1. Ооплазматическая сегрегация и полярная плазма

2. Формирование градиентов в яйцеклетке

3. Гены сегментации

4. Гомеозисные гены, их роль в развитии

5. Гипотеза Э. Льюиса о механизме функционирования гомеозисных генов 6. Гомеобокс и гомеодомен. Принцип коллинеарности

7. Гены — господа и гены — рабы. Опыты Вальтера Геринга

Одна из ключевых проблем современной биологии — проб­лема индивидуального развития. Этой проблемой занимается особый раздел генетики - генетика развития, которая оформилась на стыке, по крайней мере, трех научных дисциплин — генетики, эмб­риологии и молекулярной биологии. Именно комбинация этих методических подходов позволяет проследить путь от гена к формированию зародыша и, в конце концов, - к признаку у взрослого организма.

Совсем недавно были открыты новые гены и генные каскады, знание которых преобразило наши представления о законах индивидуального развития.

1. Ооплазматическая сегрегация и полярная плазма

Какой момент можно считать началом индивидуального развития? Первое деление дробления? Оплодотворение яйце­клетки? Томас Морган справедливо заметил, что за точку отсчета над­лежит принимать еще более ранний период времени, а именно — созревание яйцеклетки. Он писал, что неправильно считать ее недифференцированной системой, что на самом деле она яв­ляется самой высокоспециализированной клеткой в организме, поскольку именно в ходе ее созревания закладывается план бу­дущего строения организма.

Этот тезис Моргана ставит этические проблемы при работе с бластоцистами (самыми ранними эмбрионами) человека с це­лью получения из них «запчастей» для трансплантации. Согла­сно этому тезису, живая бластоциста является полноценным зародышем человека, и экспериментальные манипуляции с ней означают убийство.

И действительно, развитие яйцеклетки, по сути дела, пред­ставляет собой последовательное формирование неоднородно­сти ее цитоплазмы, в результате чего осуществляется так называемая ооплазматическая сегрегация. В этот период функ­ционируют почти все гены, так что в яйцеклетке содержится набор самых разнообразных матричных РНК (мРНК), ответственных за синтез белков, многие из которых станут нужными лишь на поздних стадиях развития. Ядро развивающейся оплодотворен­ной яйцеклетки функционирует, следовательно, как бы с опе­режением, работая не только на настоящее, но и на будущее.

В ходе ооплазматической сегрегации формируются те особенности отдельных участков цитоплазмы, которые как бы намечают, «преформируют» на химическом уровне план строения будуще­го организма. В основу формирования этого плана лежит обра­зование так называемых полярных градиентов распределения биологически активных веществ.

Полярный градиент — это неравномерное распределение ве­щества вдоль оси зародыша с постепенным падением его кон­центрации от одного полюса к другому.

В яйцеклетке имеется несколько таких градиентов, в частности, передне-задний (анимально-вегетативный) градиент, который проявляется в постепенном падении концентрации РНК и белков, уменьше­нию активности синтеза РНК и белков в направлении от анимального (головного) к вегетативному (хвостовому) полюсу. В вегетативной области яйца, напротив, сосредоточены инерт­ные запасные питательные вещества.

Иными словами, яйцеклетка — отнюдь не гомогенное обра­зование, но гетерогенная, химически преформированная (предобразованная), высокоспециализированная система. Значение этой преформации может быть выявлено экспериментально. На­пример, бельгийский цитолог и эмбриолог Жан Браше с помо­щью использования разных режимов центрифугирования нарушал градиентное распределение вещества цитоплазмы дву­мя способами: 1) разрушал систему градиентов, вызывая равномерное рас­пределение РНК, белков и других веществ по цитоплазме; и 2) расчленял единый передне-задний градиент на два само­стоятельных градиента.

Эти нарушения по-разному сказывались на судьбе развива­ющегося зародыша. В первом случае развитие останавливалось на самых ранних стадиях, и зародыш погибал. Во втором случае возникал двухголовый зародыш.

В чем же дело? По-видимому, в том, что неравномерное рас­пределение РНК ведет к специфическому синтезу соответствующих белков в разных частях развивающегося зародыша. Уже на ранних стадиях его развития, в ходе дробления бластомеры (клетки, образующиеся при дроблении) приобретают опреде­ленные свойства, отличающие их друг от друга как в физиоло­гическом, так и в молекулярном отношении.

У некоторых организмов, например у асцидий, неоднород­ность цитоплазмы яйцеклетки можно заметить по разнице в ок­раске разных ее частей. Достаточно рано проявляется у них и неоднородность в распределении некоторых белков.

Иногда специфически выделяется та или иная часть цито­плазмы, как например, полярная плазма яиц не­которых насекомых, включая дрозофилу, формирующаяся на заднем полюсе яйца, богатая РНК и характеризующаяся четко выраженной зернистой структурой. Клеточные ядра, которые попадают в эту цитоплазму, дают начало половым клеткам.

Если область полярной плазмы облучить ультрафиолетом, то развившиеся из таких локально облученных яиц зародыши будут стерильны, поскольку оказываются лишенными половых клеток. Микроинъекции полярной плазмы в различные участ­ки развивающегося раннего зародыша вызывают образование половых клеток в необычном месте.

Возникает вопрос, чем вызвана ооплазматическая сегрегация, от каких факторов зависит форми­рование градиентов? Это связано с особым положением ооцита (оплодо­творенных яйцеклеток) в материнском организме. Дело в том, что, начиная с самых ранних стадий формирова­ния яйцеклетки, ее полюса находятся в неравном положении относительно окружающих их трофических (питающих) кле­ток. Всегда один из полюсов ооцита окружен большим количе­ством питающих клеток, снабжающих его через специальные канальцы различными веществами — РНК, белками, а у неко­торых жуков даже и митохондриями (рис. 1).

1 2 3 4

Рисунок 1 - «Миграция» клеточных органов — митохондрий из пита­ющих клеток

в яйцеклетку: 1 — питающие клетки, 2 — ядро, 3 — митохондрии, 4 — ооцит [1]

Таким образом, поставленный в более благоприятное поло­жение относительно питающих клеток полюс ооцита, стано­вится впоследствии, анимальным (головным). Ясно, что формирование анимально-вегетативного градиента зависит от влияния материнского организма.

2. Формирование градиентов в яйцеклетке

Как гены контролируют формирование градиентов, а следо­вательно, и план строения будущего организма в ходе оогенеза? Естественно, что наиболее удобным объектом исследования этого контроля является знаменитая плодовая мушка дрозофи­ла в силу ее хорошей генетической изученности.

Яйцеклетка дрозофилы развивается из общей с трофоцитами клетки- предшественника. Эти клетки-предшественники выделяются очень рано, после того как ядра будущих половых клеток попадают в ту об­ласть полярной плазмы, в образовании которой важную роль играет ген oscar.

Каждая такая клетка претерпевает 4 деления, так что возни­кает 16 клеток, одна из которых будет половой. Остальные клет­ки становятся питающими (трофоцитами) и соединены с яйцеклеткой цитоплазматическими мостиками, по которым в нее поступают различные вещества, принимающие участие в формировании градиентов. ДНК хромосом трофических клеток претерпевают многократное деление (так называемая политенизация), что существенно активизирует их функционирова­ние в процессе обслуживания яйцеклетки.

Из материнской ткани образуется также около 1000 мелких фолликулярных клеток, окружающих будущий ооцит с трофическими клетками.

Будущий передний конец эмбриона располагается в области яйцеклетки, прилежащей к трофоцитам, а более выпуклая по­верхность яйца становится брюшной частью эмбриона.

Далее начинается активное функционирование материн­ских генов в питающих клетках. Можно выделить три системы генов, особенно важных для формирования градиентов. Первая система генов обеспечивает формирование анимально-вегетативного (головно-хвостового) градиента (рис. 2). Вторая — дорзо-вентрального (спино-брюшного) градиента. Третья — синтез продуктов, необходи­мых для формирования специфических головных и хвостовых структур.

Наиболее изучена первая система генов. Среди них главным является ген bicoid, содержащий так называемый гомеобокс, специфическую, консервативную последовательность ДНК из 180 нуклеотидных пар. В случае его мутации наруша­ется развитие головного конца дрозофилы. У эмбрионов — носителей мутации по этому гену — задняя часть развивается нормально, но нарушено развитие передних брюшных сегментов, а вместо головы и груди развиваются структуры, свойственные заднему концу.

Рисунок 2 - Схема взаимодействия генов, отвечающих за формирование передне-заднего градиента яйца [1]

Если методами молекулярной генетики исследовать локали­зацию соответствующей матричной РНК, то можно проследить ее транспорт из питающих клеток в передний полюс развиваю­щегося ооцита. В результате формируется четко выраженный анимально-вегетативный градиент распределения продукта этого гена. Белки, управляющие программой развития зародыша, принято называть морфогенами.

С другой стороны, питающие клетки, окружающие задний полюс яйцеклетки, «поставляют» в нее РНК, синтезированную геном nanos. У мутантов nanos нарушается развитие заднего конца зародыша. Если nanos РНК инъецировать в передний ко­нец эмбриона, она может индуцировать формирование в голов­ном конце различных структур, свойственных заднему полюсу. Белок nanos синтезируется в области заднего полюса и затем транспортируется в область брюшных сегментов.

В формировании плана строения организма на самых ран­них этапах созревания яйцеклетки принимает участие еще один очень важный ген, который активно функционирует не только в материнском, но и в зиготическом геноме (т. е. в геноме самой оплодотворенной яйцеклетки). Это ген
hunchback. Он активи­руется белком bicoid, а потому его продукт накапливается, как и bicoid, в передней половине зародыша и подавляет гены, актив­ные в брюшных сегментах, так что в зоне его распределения формируются головные и грудные структуры.

В норме белок nanos тормозит синтез белка материнской РНК hunchback. Именно это и является основной его функци­ей. Если имеют место мутации, нарушающие функционирова­ние как nanos, так и hunchback, то развивается нормальный организм.

Отсюда следует, что продукт гена hunchback «мешает» разви­тию хвостового конца, а блокирующий эффект со стороны гена nanos как бы устраняет чинимые им помехи (рисунок 3).

Рисунок 3 - Схема регуляции развития зародыша дрозофилы с участием генов hunchback и nanos [1]

A. Вот что происходит в норме. В отложенном яйце матричная РНК hunchback распределена равномерно по всему объему. Однако белок hunchback (как запасенный до оплодотворения, так и синтезированный в яйце после оплодотворения) в заднем полюсе отсутствует, поскольку функция его матричной РНК блокирована белковым продуктом гена nanos, накапливающимся в хвостовом отделе. Hunchback не дает развиваться хвостовым структурам в пе­реднем отделе эмбриона, а в задних отделах ген nanos блокиру­ет его синтез, и хвостовые структуры развиваются, как и положено в норме.

Б. А вот что случается, если ген nanos мутировал и потерял способность «работать». Поскольку его продукт отсутствует, продукт гена hunchback распространяется по всему яйцу и ме­шает формированию хвостовых структур. Развитие нарушается, и на стадии личинки муха погибает.

B. Однако, если наряду с отсутствием продукта гена nanos в отложенной яйцеклетке в результате соответствующей мутации подавлен синтез продукта гена hunchback, ничто не мешает формированию хвостовых структур.

Головные структуры также формируются, поскольку в опло­дотворенной яйцеклетке продукт гена hunchback накапливает­ся только в передней (головной) области эмбриона. Налицо, таким образом, все условия для нормального развития.

Г. Если с помощью специальных методов заставить ген hunchback работать с повышенной активностью, то белка nanos не хватит для того, чтобы целиком блокировать синтез его бел­кового продукта, даже если ген nanos нормален. Тогда белок hunchback накапливается в достаточно большом количестве, чтобы помешать формированию хвостовых структур.

Вторая и третья системы генов контролируют формирова­ние спино-брюшного градиента и работают по тому же самому принципу, как и первая, только участвуют в этой «работе» дру­гие гены.

Итак, неоднородность цитоплазмы созревающей яйцеклет­ки и формирование полярных градиентов, химически преформирующих план строения будущего организма, реализуется на основе взаимодействия трех систем генов и при участии питаю­щих клеток материнского организма, окружающих ооцит.

3. Гены сегментации

В реализации плана строения организма ключевое значение имеет его сегментация, разделение на головной, грудной, брюшной отделы и их производные.

Этот процесс является универсальным в животном мире и характеризуется двумя основными признаками — количеством сегментов и их качеством. Соответственно различают две груп­пы генов, ответственных за развитие этих признаков: сегрегаци­онные и гомеозисные.

Сегрегационных генов, определяющих число сегментов у плодовой мушки дрозофилы, известно более двух десятков, их мутации вызывают нарушения в развитии передне-задней по­лярности сегментов, в результате чего происходит их слияние, уменьшение количества и образование нежизнеспособных уро­дов. За открытие и изучение этих генов американский генетик Эдвард Льюис и немецкие генетики Кристина Нюссляйн-Вольхардт и Эрик Вишхаус были удостоены Нобелевской пре­мии.

Различают несколько групп сегрегационных генов. Это гены «материнского эффекта», которые контролируют формирова­ние градиентов в ходе развития (о них шла речь выше), gap ге­ны, pair-rule гены, гены сегментарной полярности, последовательно осуществляющие сегментацию зародыша и подготавливающие почву для функционирования гомеозисных генов. Следует особо отметить, что гены сегментации начинают функционировать в тот период, когда морфологически и сле­дов-то сегментации нет, задолго до того, как сегментация мор­фологически оформится, т. е. они также работают с опережением, «на будущее».

Сегрегационные гены последовательно активируются в про­цессе индивидуального развития (рис. 4). В первую очередь активируются так называемые gap гены (от англ. gap — разрыв, щель). Их функция — синтез матричной РНК — стимулируется продуктами генов материнского эффек­та, формирующими градиенты в ходе созревания яйцеклетки.

В результате данного процесса зародыш подразделяется на несколько пространственных отделов со своей химической спе­цификой. На фоне специфического распределения продуктов gap генов, под влиянием этих продуктов активируются pair-rule гены, которые «дробят» зародыш на еще более мелкие повторя­ющиеся части (рис. 5).

Рисунок 4 - Схема взаимодействия генов сегментации у дрозофилы [1]

Все сегре­гационные гены, последовательно активируемые в ходе развития эмбриона дрозофилы, взаимодействуют друг с другом и оказывают друг на друга взаимные влияния через кодируемые ими продукты. Активация сегрегационных генов подготавлива­ет «почву» для функционирования ключевой системы генов, обеспечивающих качественную спецификацию сегментов, — системы гомеозисных генов.

Рисунок 5 - Последовательное проявление генов сегментации. Различным образом заштрихованные полоски отражают последовательную гетерогенизацию развивающегося эмбриона дрозофилы [1]

4. Гомеозисные гены, их роль в развитии

Название этой группы генов происходит от термина «гомеозис», который ввел в 1894 г. один из классиков генетики Уильям Бэтсон. Под гомеозисом он понимал превращение одной части тела в другую. Гомеозисные гены, следовательно, не представ­ляют собой нечто самостоятельное, но являются частью специ­фической системы генов, контролирующих сегментацию тела насекомых, в частности, дрозофилы, и других организмов. Примером гомеозисных мутаций является превращение антен­ны или аристы дрозофилы в ногу (рис. 6).

Рисунок 6 - Пример гомеозисной мутации. Превращение осязатель­ного органа дрозофилы — аристы (слева) в ногу (справа) [1]

Весьма курьезный случай отмечен в хирургической практи­ке: на голове пациента вырос половой член, который хирургам пришлось удалять, и который при гистологическом анализе об­наружил наличие всех свойственных нормальному половому члену структур. Возможно, это был вариант гомеозисной мута­ции у человека.

Гомеозисные гены, которых у дрозофилы описано около по­лусотни, как уже отмечалось, контролируют качественные осо­бенности сегментов и в свою очередь подразделяются на два комплекса: Antennapedia-Complex (ANT-C) и Bithorax-Complex (ВХ-С).

Гены, принадлежащие к ANT-C, контролируют развитие го­ловных сегментов, при утрате функции гена Antp грудные сегменты приобретают свойства головных сегментов, что проявляется в образовании головных структур в грудной области. Таким образом, от определенных генов зависит выбор программы развития, определяется путь, по которому клетка будет «двигаться» дальше, во что превращаться — в кожную, в нервную, в головную или брюшную клетку.

Гены комплекса ВХ-С ответственны за развитие грудных и брюшных сегментов. Рассмотрим действие гомеозисных генов на примере ВХ-С комплекса (рисунок 7).

Рисунок 7 - Схема генетической регуляции процесса сегментации тела дрозофилы. В сегменте Т2 активен ген, мутация которого вызывает превращение Т3 в Т2. В каждом последующем сегменте активируется дополнительный ген. В последнем, 8-м сегменте работают все гены. От набора работающих генов зависят свойства сегментов [1]

Этот комплекс состоит из трех «отделов», которые называ­ются:
Ultrabithorax (Ubx), ответственный за развитие грудных сегментов (Т1-Т3), а также Abdomen-A и Abdomen-B, контролирующие дифференцировку брюшных сегментов (А1-А8). Все они построены и функционируют по единому принципу.

Так, например, гены, входящие в состав области Ubx, харак­теризуются двумя основными особенностями. Во-первых, они собраны в единый блок, так называемый кластер в небольшом участке 3-й хромосомы. В этот кластер входит пять генов, последовательно контролирующих развитие того или иного сегмен­та. Инактивация каждого такого гена вызывает превращение соответствующего сегмента в «двойника» впереди лежащего сег­мента. Вторая особенность — коллинеарность в расположе­нии генов и контролируемых ими признаков. Она заключается в том, что положение генов в комплексе ВХ-С соответствует по­следовательности контролируемых ими органов.

5. Гипотеза Э. Льюиса о механизме функционирования гомеозисных генов

Первооткрыватель гомеозисных генов дрозофилы Эдвард Льюис (США) сразу оценил их ключевое значение, как в индивидуальном, так и в историческом развитии и выдвинул предположение о механизме их функционирования.

«Нормальные» (немутировавшие) гомеозисные гены проду­цируют вещества, дающие морфогенетический эффект (мор­фогенез — формообразование), тогда как мутанты не способны синтезировать их. Например, продукт нормального гена bxd по­давляет потенциальное развитие 1-го брюшного сегмента по типу заднегруди, а продукт мутанта не способен это сделать.

Естественно, утрата способности синтезировать вещества, которые блокируют потенциальное формообразование в опре­деленном направлении, ведет к осуществлению подавленных формообразовательных тенденций в другом направлении.

Предположение Льюиса несет определенный эволюцион­ный смысл. Действительно, мутация bxd, которая приводит к неспособности синтезировать белок BXD, может быть аналогична тем, что обусловили в историческом прошлом превращение многоножек в предков современных шестиногих насекомых, т. е. у предков на брюшных сегментах формировались грудные структуры (ноги, крылья), но мутация типа bxd — bxct подавила эту способность.

Следовательно, зачатки, формирующие сегменты, первона­чально обладали широким потенциалом развития, который был сужен последовательным рядом мутаций. Этот способ исторического развития является хорошим примером единства индивидуального и исторического развития. В некоторых случаях гомеозиса (превращения одной части тела в другую) примерно ясна адаптационная и эволюционная значимость преобразований.

Таким образом, смысл гомеозисных мутаций — изменение плана индивидуального развития с возможным филогенетическим выходом.

По результатам молекулярно-генетических исследований ком­плекса
ВХ-С были установлены следующие особенности строения и функционирования гомеозисных генов:

1. Подавляющее большинство мутаций ВХ-С связано со вставками или вырезанием мобильных генетических элемен­тов.

2. При анализе участка ДНК, содержащего Ubx, было выяв­лено его экзон—интронное строение, т. е. чередование кодиру­ющих и некодирующих участков в ДНК.

3. Время первого появления транскриптов ВХ-С очень раннее — уже на 2—4-м часах после оплодотворения яйца. Таким образом, гены мор­фогенеза («заведующие» формообразованием) функциониру­ют как бы с опережением, задолго до осуществления контролируемых ими формообразовательных событий.

4. Как и предвидел Эдвард Льюис, гомеозисные гены функцио­нируют повсеместно. При этом оказалось, что образуемый их транскриптами «тигровый» рисунок возникает очень рано, до того как четко проявятся признаки самой сегментации. Нали­цо, таким образом, еще один пример своеобразной химичес­кой преформации (предобразования).

6. Гомеобокс и гомеодомен. Принцип коллинеарности

Особо важным открытием было обнаружение в генах, конт­ролирующих сегментацию и превращение, высококонсерва­тивной области ДНК из 180 пар оснований. Эту короткую последовательность Вальтер Геринг назвал гомеобоксом. Соот­ветствующая последовательность из 60 аминокислот в кодируе­мых этими генами белках была обозначена термином гомеодомен. Гомеодомены являются составной частью белков — регуляторов транскрипции, принадле­жат к числу активирующих транскрипцию фак­торов и характеризуются специфической структурой типа «спираль-поворот-спираль» (рис. 8).

Рисунок 8. Схема строения гена, мРНК и белкового продукта гена Antennapedia:
а-ген Antennapedia, б-экзоны (1-8), транскрипты которых образуют мРНК (5-8 – транслируемая область мРНК) в- белок Antennapedia, область гомеодомена,
г-структура гомеодомена [1]

Гены, содержащие гомеобокс, были найдены практически у всех живых организмов (губок, пиявок, нематод и др.), они богато представлены и у млекопитающих. Гены, содержащие гомеобокс, которые собраны у представителей этого класса животных в кластер, принято в настоящее время называть НОХ-генами. Они особенно хорошо изучены у мыши и человека. В геноме млекопитающих обнаружено 38 НОХ -генов, собранных в 4 блока. Расположение генов в кластере в основном соответствует расположению гомологичных генов в хромосомах дрозофилы.

Для выяснения функции НОХ-генов в эмбриогенезе млекопитающих использовали метод нокаутирования. С его помощью «вы­ключают» ген, функции которого планируется изучать. Ещё один подход – изучение фнкционирования данного гена в необычном месте. В этом случае изучаемый ген вводят в геном другого животного под промотором (фрагмент ДНК, с которого начинается синтез РНК), который активируется в клетках, где данный ген в норме не функционирует. Необыч­ный промотор заставляет его работать в необычном месте. Что же дало использование этих двух методов для понимания функ­ций гомеозисных генов?

Прежде всего, было выявлено, что у позвоночных, как и у дрозофилы, выполняется принцип коллинеарности, т. е. корре­ляции между положением генов в кластере и расположением зон их экспрессии (активности) вдоль оси тела. И, во-вторых, было установлено, что гены развития подразделяются на два типа: гены – господа и гены – рабы.

7. Гены — господа и гены — рабы. Опыты Вальтера Геринга

Поскольку дифференциальная транскрипция обеспечивает­ся взаимодействием продуктов многих регуляторных генов, контролирующих в конечном итоге функциональное состояние соответствующих участков ДНК, было выдвинуто предположе­ние о существовании «супер»-регуляторных генов, способных запускать каскады генов, последовательно реализующих, в кон­це концов, программу специфической клеточной дифференци-ровки.

Для таких генов шведский цитолог Ян-Эрик Эдстрем еще в начале 60-х годов предложил термин «Master Genes» (Гены — господа), а для контролируемых ими структурных генов соот­ветственно — «Slaves Genes» (Гены — рабы).

Выдающийся швейцарский эмбриолог и генетик Вальтер Ге­ринг проверил эти соображения экспериментально. Он исполь­зовал в своих опытах интересную модельную систему. С помощью микроинъекций генно-инженерных конструкций получали два типа линий трансгенных дрозофил.

В геном первого типа вводили так называемую GAL4 ДНК-систему, где она попадала под разные геномные тканеспецифические регуляторные участки и, следовательно, активировалась в разных участках тела мухи. GAL4 — это дрожжевой активатор транскрипции и подобный же эффект он может оказывать, бу­дучи помещенным в геном дрозофилы. Однако его влияние распространяется лишь на те гены, перед которыми расположе­на так называемая последовательность UAS (upstream activating sequence).

В геном второго типа трансгенных дрозофил как раз и вво­дили эту последовательность. Если к ней прицепить еще и ре­портерный ген бактериальной галактозидазы (фермент угле­водного обмена), то можно с помощью окрашивания специаль­ным реактивом обнаружить, где эта последовательность будет активирована в результате воздействия продукта GAL4.

Геринг скрещивал эти два типа линий между собой, причем к UAS-последовательности в качестве репортерного был присоединен ген «безглазости» eyeless, мутация которого вызывает отсутствие глаз у мухи (потому-то Геринг и предположил, что этот ген запускает серию генных взаимодействий, осуществляющих реакции образова­ния глаза).

Легко заметить, что в такого рода опытах могут получаться сочетания, в которых ген eyeless будет активироваться в необычных местах. Это связано с тем, что GAL4 у разных линий оказывался под контролем разных регуляторных последовательностей ДНК, каждая из которых характеризуется тканевой специфичностью своего проявления, т. е. активирует гены в каком-то одном отделе раз­вивающегося зародыша. В результате швейцарскому генетику удалось получить мух, у которых наблюдалось развитие глаз в самых невероятных местах — на ноге, крыльях, антенне. Более того, тот же самый эффект достигался и в тех случаях, ко­гда вместо гена eyeless дрозофилы использовался гомеобокссодержащий ген Small eye мыши, сходный с геном eyeless.

Американские эмбриологи доказали, что подобный эффект может быть получен и у позвоночных животных. Оказалось, что перемещенный ген, отвечающий за развитие внутренних структур глаза (Рах6), обуслов­ливал формирование хрусталиковых волокон, фоторецепто­ров и других структур глаза в необычном месте. Таким образом, ген Рах6 необходим для запуска каскада генов, контролирующих формообразова­тельные процессы глаза как у дрозофилы, так и у позвоночных животных.

Были сделаны следующие выводы:

1. Действительно существуют «гены — господа» и «гены — рабы».

2. Сложнейшая морфогенетическая реакция, завершающая­ся формированием целого органа, может быть запущена одним, «главным» геном, который, следовательно, является ответст­венным за процессы формообразования, разрешая или запре­щая (в случае мутации) целый сложный комплекс событий.

3. Формообразовательные процессы основываются на моле-кулярно—генетических событиях, специфика формы обусловливается последовательностью тканеспецифических и органоспецифических синтезов, разрешенных активацией «главного» гена.

4. Соответствующие молекулярно-формообразовательные системы являются высоко консервативными и обеспечиваются в высшей степени сходными молекулярно-генетическими системами у самых разнообразных организмов.

5. Следует, очевидно, расстаться с широко распространен­ной идеей неких специфически биологических полей, берущей начало с Аристотеля и утверждающей, будто формообразова­тельные процессы определяются особыми электромагнитными полями, лежащими вне развивающейся системы. Допускалось, таким образом, наличие двух независи­мых «сил», регулирующих процессы индивидуального развития — генетических, которые контролируют молекулярные процес­сы, и «механических» (биополе), которые контролируют стано­вление формы организма.

В действительности же оправдалось предсказание Томаса Гента Моргана отом, что развитие формы напрямую связано с функ­цией генов и со специфичностью их продуктов, из взаимодей­ствия которых и складывается путь от специфики молекул к специфике формы. Следовательно, формообразовательные со­бытия зависят от внутренних процессов, а не от таинственных внешних сил, воплощенных в несуществующих «биополях». И совершенно очевидно, что ключевая роль в этих процессах при­надлежит гомеозисным генам.

Таким образом, развитие эмбриона на всех этапах, начиная с созревания яйцеклетки, контролируется генами. Прообраз бу­дущего организма складывается под влиянием продуктов генов материнского организма, передаваемых в яйцеклетку из мате­ринских питающих клеток. Эти клетки расположены на по­верхности яйцеклетки неравномерно, и потому их продукты распределяются в ней по градиентам, создавая полярность бу­дущего организма и «размечая» его головной и хвостовой кон­цы. Эти продукты активируют собственные гены яйцеклетки и развивающегося зародыша в разных его отделах.

Среди этих генов особо выделяются так называемые «гены — господа», от которых зависят формообразовательные процес­сы, строящие различные органы и ткани, что достигается вклю­чением «генов — рабов», которые синтезируют ткане- и органоспецифические продукты. Разные сочетания таких про­дуктов обеспечивают возникновение специфической организа­ции развивающегося организма.