Сиволоб А.В., Рушковський С.Р., Кир’яченко С.С. та ін. Генетика. Підручник

Подождите немного. Документ загружается.

Розділ 6. Генетика багатоклітинних еукаріотів

201

а W-хромосома – наприкінці S-фази клітинного циклу. Молодші види

змій мають уже гетероморфні статеві хромосоми. Очевидно, одна

зі

статевих хромосом змінюється шляхом хромосомних перебудов,

принаймні для ссавців вважається, що Y-хромосома за походженням

є Х-хромосомою, яка піддалася численним делеціям.

ГЕНЕТИКА ІНДИВІДУАЛЬНОГО РОЗВИТКУ

Розвиток будь-якого багатоклітинного організму розпочинається

з утворення зиготи – клітини, яка виникає в процесі злиття статевих

клітин (яйцеклітини та сперматозоїда). Після запліднення ядро сперма-

тозоїда (пронуклеус) опиняється в цитоплазмі яйцеклітини, зливається

з її ядром, відтворюючи таким чином характерний для даного виду

диплоїдний набір хромосом. У більшості організмів одразу після заплі-

днення зигота розпочинає серію мітотичних поділів (так зване дроб-

лення зиготи), у результаті утворюється велика кількість дрібних клі-

тин – бластомерів. Розвиваючись, кожен із цих бластомерів (або їхня

група) утворює функціонально спеціалізовані клітини з притаманною

лише їм морфологією та фізіологічними особливостями. Отже, заплід-

нена яйцеклітина здатна дати початок різним типам клітин, тобто за-

безпечити розвиток від однієї клітини до багатоклітинного організму.

Ця властивість зиготи називається тотипотентністю. Вона прита-

манна також і бластомерам, які утворилися в перших чотирьох поділах

зиготи. При подальших поділах тотипотентність клітин зменшується,

кожна з них "обирає" свою програму розвитку – стає детермінованою.

У такій клітині відбуваються стійки внутрішні зміни (як у структурі

ядра, так і в структурі цитоплазми), що роблять її саму та її нащадків

відмінними від інших клітин ембріона й визначають подальший шлях

спеціалізації. Слід зазначити, що ці зміни не викликають суттєвої мор-

фологічної різниці між клітинами різних типів. Детермінована клітина,

продовжуючи свій розвиток, набуває видимих морфологічних відмін

і властивих лише даному типу клітин функцій. Така остаточно спеціа-

лізована клітина називається диференційованою.

Детермінація та диференціація клітин пов'язані з поступовою змі-

ною активності генів у процесі розвитку організму: певні групи генів

починають активно експресуватися в одних клітинах і переходять

у репресований стан у інших. Така диференційна картина експресії

генів виникає вже на ранніх етапах розвитку зиготи й викликана не-

Генетика

202

однорідністю цитоплазми яйцеклітини. Під неоднорідністю цитоплаз-

ми яйцеклітини розуміють нерівномірний розподіл у межах клітини

цитоплазматичних детермінант – певних молекул мРНК та їхніх біл-

кових продуктів. Оскільки ці мРНК і білки синтезуються й накопичу-

ються в яйцеклітині ще в процесі оогенезу, то гени цих цитоплазма-

тичних детермінант називають генами з материнським ефектом.

Таким чином, ядра бластомерів, які утворюються в результаті дроб-

лення зиготи, опиняються в різному цитоплазматичному оточенні, яке

зумовлює вибіркову транскрипцію генів. Цитоплазматичні детермі-

нанти, створюючи градієнт концентрацій уздовж різних осей яйце-

клітини, визначають передньо-задню та дорсовентральну осі зародку.

У ході дроблення зиготи бластомери, які знаходитимуться у відповід-

них частинах зародку, зумовлять розвиток притаманних для даної

частини організму органів і тканин.

Генні продукти, які синтезуються в окремих групах бластомерів,

спричиняють ще значніші відмінності в цитоплазматичному оточенні

ядер клітин, що у свою чергу приводить до активації інших специфіч-

них генів. Такий каскад активації чи інактивації генів підсилюється

за рахунок взаємодій між сусідніми клітинами, які через цитоплазма-

тичні містки чи щілинні контакти здатні взаємно впливати на пода-

льшу диференціацію одна одної.

Загальні принципи генетичної детермінації розвитку подібні в різ-

них організмів. Найдетальніше вивчено диференційну експресію ге-

нів у ході розвитку представників роду Drosophila та нематоди

Caenorhabditis elegans. Нижче розглянуто генетичні аспекти ембріо-

генезу саме цих організмів.

Генетичний контроль розвитку Drosophila

Для комах роду Drosophila характерний життєвий цикл із повним

перетворенням: утворення дорослої особини (імаго) із заплідненого

яйця здійснюється через проходження декількох личинкових стадій,

які розділені періодами линьки. Упродовж стадії яйця та трьох личи-

нкових стадій визначаються осі майбутнього зародку, закладаються

й розвиваються основні сегменти трьох частини тіла імаго – голови,

грудей і черевця. Таким чином, ембріональний розвиток Drosophila

можна умовно поділити на три етапи: 1 – визначення передньо-

задньої та дорсовентральної осей зародку, 2 – детермінація кількості

сегментів тіла та їхньої орієнтації (полярності) і 3 – специфікація сег-

ментів, тобто набуття ними індивідуальних характеристик, прита-

Розділ 6. Генетика багатоклітинних еукаріотів

203

манних лише даному сегменту. Усі етапи розвитку перебувають під

жорстким контролем певного набору генів.

Особливістю розвитку Drosophila є утворення на перших етапах

дроблення зиготи синцитію: при послідовних мітотичних поділах

розділення цитоплазми проходить не повністю й новоутворені ядра

мають спільну цитоплазму. Це сприяє вільному руху цитоплазматич-

них детермінант і є важливим у визначенні осей зародку. Пізніше

відбувається міграція ядер до периферії, добудовуються клітинні

мембрани та створюється шар приблизно із 6 тис. клітин на зовніш-

ній поверхні ембріона.

Визначення осей зародку контролюється набором генів, які дістали

назву гени полярності яйця. Продукти цих генів (мРНК і відповідні біл-

ки), створюють градієнти концентрацій від одного полюса яйця до

іншого, забезпечуючи таким чином спрямовану детермінацію осей

зародку – дорсовентральної та передньо-задньої. Нерівномірний роз-

поділ цих цитоплазматичних детермінант (їх іще називають морфоге-

нами) підтримується за допомогою різних механізмів. По-перше, пев-

ні молекули РНК мають сигнали локалізації – елементи послідовності

нуклеотидів, які, утворюючи певну просторову структуру, зумовлю-

ють спрямований транспорт РНК у необхідне місце цитоплазми яйце-

клітини та утримання там. По-друге, активність трансляції таких РНК

є різною в різних частинах яйцеклітини, що також спричинює від-

мінності в концентраціях морфогенів. Як уже відмічалося, наявність

цитоплазматичних детермінант та розподіл їх у яйці залежить лише

від активності генів яйцеклітини. Отже, перший етап розвитку

Drosophila залежить лише від материнських генів.

Серед генів, які контролюють дорсовентральну полярність яйця,

найважливішим є dorsal. Білковий продукт цього гена є транскрип-

ційним фактором, що регулює активність декількох інших генів. Різ-

ниця в ядерних концентраціях білка Dorsal із максимумом у вентра-

льній частині яйця і мінімумом у дорсальній (цитоплазматична кон-

центрація при цьому змінюється в протилежному напрямку) приво-

дить до специфічної активації генів, які зумовлять розвиток відповід-

них дорсальних і вентральних структур.

Серед генів, які контролюють передньо-задню полярність яйця ви-

діляють два найголовніших – bicoid і nanos. мРНК bicoid синтезується

під час дозрівання яйцеклітини та після запліднення транспортується

до передньої частини зиготи. Транспорт мРНК bicoid у заданому на-

прямку забезпечується наявністю в її 3'-нетрансльованій ділянці спе-

цифічного локалізаційного елемента послідовності, що розпізнається

Генетика

204

білковими факторами. Експресія мРНК bicoid у передній частині заплі-

дненого яйця створює градієнт концентрації білка Bicoid, яка зменшу-

ється в передньо-задньому напрямку. Білок Bicoid, як і Dorsal, є транс-

крипційним фактором і забезпечує експресію генів, необхідних для

розвитку головного та грудного відділів. мРНК nanos, аналогічно до

мРНК bicoid, синтезується під час дозрівання яйцеклітини. У процесі

розвитку зиготи створюється градієнт концентрації білка Nanos

(РНК-зв'язувальний білок), протилежний до такого білка Bicoid: з мак-

симумом у задній частині зародку та мінімумом у передній (рис. 6.17).

дра синцитію

Локалізація білка Bicoid

Локалізація білка Nano

Передньо-задня вісь

орсовентральньна віс ь

Рис. 6.17. Локалізація білків Bicoid і Nanos

та основні осі зародку Drosophila

За участю також інших генів два описані градієнти мають визна-

чальний вплив на детермінацію утворення основних структур черевця.

Детермінація кількості сегментів тіла та їхньої полярності. Піс-

ля визначення основних осей зародку, активуються гени сегментації.

Їхня активність спостерігається після запліднення яйцеклітини, тому

вони не є генами з материнським ефектом. Відомо близько 30 генів

сегментації, які становлять три групи:

• gap-гени визначають утворення великих ембріональних струк-

тур, які майже збігаються з трьома частинами тіла дорослих

особин. Мутації цих генів можуть привести до повної відсутності

всіх грудних сегментів, декількох черевних тощо (рис. 6.18, а).

• pair-rule-гени детермінують утворення структур, з яких розвива-

ються окремі сегменти тіла. Мутанти за цими генами можуть бути

позбавлені або всіх парних, або непарних сегментів (рис. 6.18, б).

Розділ 6. Генетика багатоклітинних еукаріотів

205

• segment-polarity-гени відповідають за організацію та взаємну

орієнтацію певних структур у межах одного сегменту. Мутанти

за цими генами можуть бути позбавлені деяких сегментних

структур або дзеркально дублювати однакові структури в ме-

жах певного сегмента (рис. 6.18, в).

голова

Г1

Г2

Г3

Ч1 Ч2 Ч3 Ч4

Ч5

Ч6

Ч7

Ч8

голова

Ч6

Ч7

Ч8

голова

Г2

Ч1

Ч3

Ч5

Ч7

голова

Г1

Г2

Г3

Ч1 Ч2 Ч3 Ч4

Ч5

Ч6

Ч7

Ч8

а б в

Рис. 6.18. Приклади мутацій gap-генів (а, мутація Krüppel –

елімінація грудних і перших п'яти черевних сегментів),

pair-rule-генів (б, мутація even-skipped – елімінація непарних грудних

і парних черевних сегментів) і segment-polarity-генів (в, мутація gooseberry –

дзеркальне відт ворення передніх частин сегментів у їхній задній частині)

у дрозофіли. Г – грудні, Ч – черевні сегменти.

Експресію gap-генів контролюють білки Bicoid і Nanos. Найважли-

вішим gap-геном є hunchback, необхідний для детермінації розвитку

головного та грудного відділу. Активація його транскрипції перебуває

під контролем білка Bicoid, а блокування трансляції – під контролем

білка Nanos. Це означає, що в місці локалізації Bicoid утворюються

структури, характерні для головного та грудного відділів, а в місці

локалізації Nanos їхнє утворення блокується – розвивається черевний

відділ. У свою чергу, gap-гени є регуляторами активності pair-rule-

генів, які контролюють роботу segment-polarity-генів. Таким чином,

у ході розвитку дрозофіли спостерігається чітка ієрархічна регуляція

активності генів, на кожному щаблі якої визначаються все менші за

розміром елементи тіла дорослої особини (рис. 6.19).

Генетика

206

Гени полярності

яйця

gap-гени

pair-rule-гени

segment-polarity-гени

гомеозисні гени

визначення основних осей зародку

визначення основних частин зародку

визначення основних сегментів зародку

визначення полярності сегментів зародку

визначення індивідуальної програми

розвитку сегментів зародку

Рис. 6.19. Каскад генних взаємодій у визначенні полярності

та специфіки розвитку сегментів Drosophila.

Визначення індивідуальних характеристик окремих сегментів.

Після того як гени сегментації визначили кількість сегментів та їхню

полярність, активуються гени, що детермінують індивідуальні харак -

теристики й подальші шляхи розвитку кожного сегмента – гомеозисні

гени (рис. 6.19). Контроль експресії гомеозисних генів здійснюється

білками генів сегментації. Продуктами гомеозисних генів є різноманіт-

ні регуляторні білки, здатні взаємодіяти з ДНК і регулювати роботу

генів, які будуть визначати утворення відповідних морфологічних

структур (антен, ніг, очей, крил тощо) із клітин кожного окремого сег-

мента. Мутації гомеозисних генів викликають порушення в розвитку

Розділ 6. Генетика багатоклітинних еукаріотів

окремих сегментів: наприклад, спостерігається утворення ніг замість

антен із головного сегмента дрозофіли. Отже, активність гомеозисних

генів, що залежить від оточення клітини й сегмента, в якому вона міс-

титься, визначає остаточну диференціацію.

У Drosophila гомеозисні (або селекторні) гени утворюють два клас-

тери (Antennapedia-комплекс і bithorax-комплекс) у третій хромосомі

й разом формують гомеозисний комплекс (НОМ-С). Комплекс

Antennapedia містить п'ять генів, які відповідають за диференціацію

клітин головного та переднього грудного сегмента. Комплекс bithorax

має три гени, які визначають остаточний розвиток задніх грудних та

черевних сегментів. Кожен із гомеозисних генів містить консервативну

послідовність із 180 пар основ (гомеобокс) – у білковому продукті гена

гомеобоксу відповідає ДНК-зв'язувальний домен (гомеодомен), що

складається із 60 амінокислотних залишків.

Hox-гени (від homeobox containing genes) знайдені в усіх дослідже-

них видах рослин і тварин, що свідчить про універсальність систем

регуляції диференціації клітин еукаріотичних організмів. У ссавців та

інших хребетних Hox-гени також формують кластер із 9–11 генів,

продукти яких – транскрипційні фактори – детермінують розвиток

певних районів зародку вздовж передньо-задньої осі.

Розвиток Caenorhabditis elegans

Розвиток нематоди C. elegans від зиготи до дорослої особини

включає чотири личинкові стадії, які розділяються періодами линян-

ня (L1, L2, L3 та L4). Протягом кожної личинкової стадії формуються

окремі структури й диференціюються тканини тіла дорослої особини.

Після останнього линяння утворюється доросла особина, яка має

959 соматичних клітин у гермафродитних форм або 1031 у самців.

Доля кожної окремої клітини в ході розвитку C. elegans є відомою,

тобто кожна клітина має свій описаний "родовід", який починається

від першого дробленням зиготи й завершується утворенням функціо-

нальної диференційованої клітини.

У результаті першого поділу зиготи в передньо-задній площині за-

родку утворюються дві неоднакові за розміром клітини – АВ (велика,

нащадки якої будуть формувати клітинні лінії передньої частини

зародка) і Р

(мала, її нащадки формуватимуть клітинні лінії задньої

частини зародка). При цьому лише клітина Р

має у своїй цитоплазмі

Р-гранули – специфічні цитоплазматичні детермінанти, необхідні для

утворення попередників статевих клітин. Подальший поділ клітини Р

Генетика

208

у передньо-задній площині дає дві клітини EMS (нащадки цієї клітини –

MS та E – будуть визначати вентральну вісь зародка) і Р

. За рахунок

нерівномірної сегрегації Р-гранул у цитоплазмі клітини Р

, ці гранули

потрапляють тільки до клітини Р

(усі клітини, які будуть мати

Р-гранули після наступних поділів, і, відповідно, будуть детермінува-

ти розвиток статевих клітин, позначаються літерою Р). При наступ-

ному поділі з Р

утворяться дві клітини – С і Р

, поділ останньої зумо-

вить появу ще двох клітин D і Р

(рис. 6.20).

EMS

м'язові клітини

ней

они

гіподе

міс

клітини залоз

клітини кишечник

статеві клітини

зигота

Рис. 6.20. Схема утворення клітин-попередників

шести основних клітинних ліній C. elegans

Отже, у перших поділах зиготи визначаються дорсовентральна та

передньо-задня осі зародку, а шість клітин (АВ, MS, E, С, D і Р

), що

утворюються при цьому, є попередниками шести основних клітинних

Розділ 6. Генетика багатоклітинних еукаріотів

209

ліній личинки нематоди, які сформують основні тканини та органи до-

рослої особини. Слід відзначити, що первинна детермінація попередни-

ків статевих клітин відбувається вже в першому поділі зиготи.

Шляхи детермінації та диференціації клітин інваріантні в усіх осо-

бин даного виду. Вони регулюються продуктами певних генів, які

умовно можна розділити на три групи, що контролюють: а) детермі-

націю клітин; б) час детермінації клітин та їхній поділ; в) селективну

загибель певних клітин у ході розвитку. Крім того, у диференціації

клітин C. elegans значну роль відіграють міжклітинні взаємодії.

Найдетальніше генетичний контроль розвитку C. еlegans дослі-

джено на прикладі формування вульви – жіночої статевої системи

в гермафродитів. Вульва формується із семи клітин, одна з яких стає

якірною клітиною, інші – клітинами-попередниками статевих шляхів ,

матки тощо. Вибір того, яка з клітин стане якірною, визначається

щонайменше п'ятьма генами. При цьому важливою є не тільки сама

наявність п'яти ключових генів, а також час їхньої експресії. Так,

у мутантів за одним із цих генів – lin-14 – формування вульви відбу -

вається на одну личинкову стадію раніше, ніж у нормі, що спричи-

нює аномальний розвиток. Мутації, які змінюють час диференціації

окремих клітин чи органів, називають гетерохронічними.

Після розподілу клітин на якірну та клітини-попередники,

останні починають детермінуватися, утворюючи клітини трьох ти-

пів – первинні (1°), вторинні (2°) і третинні (3°). Цей етап перебуває

під контролем щонайменше 15 генів, а сам процес детермінації має

каскадний характер: якірна клітина стимулює розвиток первинної

клітини, яка, у свою чергу, – вторинної і т. д. Особливе значення

має місце взаєморозташування клітин: наприклад , при загибелі

клітини 2°, найближча до неї клітина 3°

стає вторинною. Тип регу-

ляції детермінації, на який впливають оточуючі клітини, назива-

ється позиційним (рис. 6.21). Пізніше первинні та вторинні клітини-

попередники будуть диференціюватися в тканини вульви, а тре-

тинні – у гіподерміс, який оточує вульву.

У процесі розвитку C. elegans шляхом послідовних мітотичних

поділів утворюється 1090 соматичних клітин, дорослі особини-

гермафродити при цьому мають 959 клітин, тобто 131 клітина елі-

мінується протягом личинкових стадій. Універсальний для всіх еу-

каріотів механізм клітинної загибелі, при якому відбуваються точно

запрограмовані біохімічні й морфологічні зміни окремих клітин,

називається

апоптозом.

Генетика

210

Апоптоз контролюється великою кількістю внутрішньоклітинних

і міжклітинних сигналів. Визначальну роль у розвитку запрограмова-

ної клітинної загибелі відіграють специфічні протеази – каспази (роз-

різають молекули поліпептидів біля залишків аспарагінової кислоти).

У клітині каспази знаходяться в неактивній формі – прокаспази – і не

функціонують. Активація однієї з цих протеаз викликає каскадну ак-

тивацію інших, що, у свою чергу, зумовлює активацію нуклеаз, де-

градацію ДНК і білків, які підтримують клітинні мембрани та цитос-

келет, і, відповідно, загибель клітини. Сигналом для активації прока-

спаз у процесі розвитку може бути нестача поживних речовин, фак-

торів росту, міжклітинні сигнали різної природи тощо.

Загибла клітина

Рис. 6.21. Позиційний контроль розвитку

клітин-попередників вульви у C. еlegans.

Стрілками вказані позиційні сигнали

детермінації розвитку. ЯК – якірна клітина