CC BY
27
5. Шматко А.Д. Проблема вариативности финансовой поддержки инновационной деятельности высокотехнологичных предприятий // Экономика и предпринимательство. 2013. № 10 (39). С. 722-724.
УДК 575.16
Галяутдинова Ю.А.
студент
4 курс, факультет «Естественно-географический» Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы Россия, г. Уфа
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ЭМБРИОГЕНЕЗА DROSOPHILA
MELANOGASTER
Аннотация. В 1995 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине Эдварду Б. Льюису, Кристиане Нюссляйн-Фольхард и Эрику Ф. Вишаус «за их открытия, касающиеся генетического контроля раннего эмбрионального развития». Экспериментальным объектом в их работах была плодовая мушка (Drosophila melanogaster). Благодаря их работе были определены и классифицированы 15 генов, формирующих оси и сегменты тела дрозофилы, найдены гомеозисные гены, регулирующие развитие сегментов личинок в определенную часть тела, а также выявлена их коллинеарность во времени и пространстве.
Ключевые слова: ранний эмбриогенез дрозофилы, генетический контроль эмбриогенеза, гомеозисные гены, Drosophila melanogaster.
Y.A. Galyautdinova Student
4 course, faculty «Natural-geographical» Bashkir State Pedagogical University named after M. Akmulla
Russia, Ufa
GENETIC CONTROL OF DEVELOPMENT OF DROSOPHILA
MELANOGASTER
Annotation. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1995 was awarded jointly to Edward B. Lewis, Christiane Nusslein-Volhard and Eric F. Wieschaus "for their discoveries concerning the genetic control of early embryonic development. " The experimental object in their work was the fruit fly (Drosophila melanogaster). Thanks to their work, 15 genes forming the axes and segments of the Drosophila body were identified and classified, homeosis genes regulating the development of larval segments in a certain part of the body were found, and their collinearity in time and space was revealed.
Key words: early embryonic development of Drosophila, genetic control of development, homeotic genes, Drosophila melanogaster.
Введение. После оплодотворения зигота делится и образует две клетки, затем четыре, восемь, и так далее. Вначале все клетки похожи.
Потом они специализируются. Эта постепенная специализация определяется генами. Вопросы какими генами, их количество и механизмы работы были впервые изучены лауреатами Нобелевской премии - Эдвардом Льюисом, Кристианой Нюсляйн-Фольхард, Эриком Вишаус. Они выбрали в качестве экспериментального объекта плодовую мушку дрозофилу, поскольку она проста для изучения. Из яйца всего за 10 дней развивается сначала личинка, затем - куколка и, наконец, взрослая особь, способная летать [1].
Дрозофила, плодовая мушка (Drosophila melanogaster) - это традиционный объект, используемый в генетических исследованиях. Он долгое время являлся единственным объектом по исследованию генетического контроля развития. Более того, именно исследования на дрозофиле дали возможность сформулировать концепцию о существовании генов развития, то есть генов, функцией которых является контроль развития и реализации ее программы [2].
Основной метод исследования генетического контроля на ранних стадиях эмбрионального развития - это метод генетического анализа.
У дрозофилы генетический анализ включает следующие этапы:
1. получение спонтанных и индуцированных мутаций;
2. тестирование мутаций на аллелизм;
3. картирование локализации гена в группе сцепления;
4. построение кроссоверных карт генов;
5. картирование генов с помощью хромосомных перестроек;
6. картирование генов с помощью гибридизации in situ.
Если имеется достаточное количество ДНК данного гена, то для его хромосомной локализации можно сразу провести гибридизацию in situ [3].
Гены могут быть обнаружены мутациями, которые влияют на функцию гена. По сравнению с другими экспериментальными подходами, мутации представляют собой единый мощный инструмент для изучения роли отдельных компонентов в развитии. В первую очередь удаляется или изменяется только один компонент - генный продукт, в то время как остальная часть организма остается нетронутой. Функция гена может быть выведена из мутантного фенотипа, по тому как развивается животное в отсутствии первичного продукта гена. Тип мутантного фенотипа обеспечивает наиболее полезную информацию о функции гена. Гены со сходными фенотипами, вероятно, будут иметь схожие функции, а их продукты будут взаимодействовать в процессе развития [4].
Помимо классического генетического анализа также может быть использован метод клонирования - процесс выделения заданной последовательности ДНК и получения многих её копий in vitro, позволяющий с помощью специальных молекулярных маркеров выявлять гены, участвующие в определении данного признака, т.е. находить их положение на той или иной хромосоме [4].
Лабораторные эксперименты Кристианы Нюсляйн-Фольхард и Эрика Вишаус. Работая совместно в Европейской молекулярной
биологической лаборатории (EMBL) в Гейдельберге (Германия), Кристиана Нюсляйн-Фольхард и Эрик Вишаус провели ряд экспериментов, чтобы понять, как сегментация контролируется генами оплодотворенной яйцеклетки плодовой мушки - дрозофилы. Они воздействовали на самок дрозофилы химическими веществами, которые повреждали их гены и вызвали случайные мутации. Ими было изучено около 40 000 мутаций. Удалось выявить 15 различных генов, которые контролируют развитие эмбрионов на ранней стадии эмбриогенеза дрозофилы (продолжение исследований позволило найти дополнительные гены, и сегодня они составляют около 25) [1].
Результаты были впервые опубликованы в английском научном журнале Nature осенью 1980 года. Они получили большое внимание среди биологов по нескольким причинам. Стратегия, использованная двумя молодыми учеными, была новой. Установлено, что гены, контролирующие развитие, могут быть систематически идентифицированы. Количество вовлеченных генов было ограничено, и их можно было классифицировать по конкретным функциональным группам. Кристиана Нюсляйн-Фольхард и Эрик Вишаус показали возможность определить и классифицировать гены, которые регулируют ранний эмбриогенез. Этот успех проложил путь для новых новаторских открытий [1].
Лабораторные эксперименты Эдварда Льюиса. Эдвард Льюис, изучая гены, регулирующие развитие сегментов мух с дополнительной парой крыльев, обнаружил гомеозисные гены, которые были расположены друг за другом в ДНК мухи. Мухи эволюционировали из насекомых, которые имели четыре крыла, а насекомые произошли от членистоногих, которые имели несколько ног. В ходе эволюции у мух должны были сформироваться несколько групп генов: подавляющих развитие ног на брюшных сегментах многоножкоподобных предков, а также не дающие развиться второй паре крыльев. Также могла появиться группа генов, ответственных за формирование следующих структур: гальтеров и брюшных сегментов. Продуктом нормальных аллелей гомеозисных генов являются вещества, которые дают морфогенетический эффект, а мутантные не способны синтезировать их. Продукты генов, контролирующих сегментарное строение, должны выявляться в тканях определенных сегментов тела дрозофилы [5].
С помощью экспериментов с удалением/инактивированием гена была выявлена функция первого гомеозисного гена BX-C. Она заключается в супрессии генов, формирующих ноги и крылья во всех последующих после второго торакального сегментах, и в развитии всех сорганов на брюшных сегментах [6].
Все шесть гомеозисных генов удалось клонировать и с помощью гибридизации in situ установить характер их экспрессии. Было показано, что нормальная транскрипция у гомеозисных мутантов нарушена. Также было
выявлено, что гомеозисные гены способны регулировать работу других гомеозисных генов, а их экспрессии имеют комплементарный характер [6].
Генетический контроль сегментации дрозофилы. Первый этап становления пространственной организации регулируется генами с материнским эффектом, продукты активности которых в ходе оогенеза образуют градиенты с морфогенетически активными белками. После этого начинается оплодотворение и дробление зародыша. После образования бластодермы и активации зиготических генов запускается последовательное формирование сегментарного плана строения тела дрозофилы, личинки и взрослые особи (имаго) которой состоят из передних головных, трех грудных и восьми брюшных сегментов [6]. Изучение этого процесса стало возможным благодаря выявленным мутациям около пятидесяти генов [4]. Сегменты у дрозофилы формируются в результате воздействия продуктов генов сегментации. В результате мутаций этих генов изменяется количество и расположение сегментов.
Гены сегментации разделяются на три группы по проявлению мутаций
Мутации в группе Gap приводят к утрате нескольких прилежащих сегментов тела и в рисунке сегментации образуется пустота, или брешь. Мутации в группе генов pair-rule (или генов «правила парности») ведут к потере одного и того же фрагмента в каждом втором сегменте. У мутантов по генам сегментной полярности определенные части сегментов заменяются структурами, представляющими зеркальные отражения прилежащих половин сегментов [5].
Гены из группы Gap запускаются морфогенами, которые кодируются генами с материнским эффектом и находятся в яйце по градиенту. Активация Gap-генов приводит к формированию широких доменов в эмбрионе, каждый из которых будет потом развиваться в несколько более мелких сегментов. Потом включаются гены группы pair-rule и сегментной полярности [5].
Гомеозисные гены. После завершения формирования сегментации, вступают в действие гомеозисные гены - большой класс генов, контролирующие развитие какой-то части тела из определенного сегмента. В результате гомеозисных мутаций из определенного сегмента развивается какая-то другая часть тела. Среди гомеозисных генов наиболее известны Bithorax-complex (ВХ-С) и Antennapedia-complex (Ant-C) [6].
Области, которые содержат кластеры гомеозисных генов, последовательно локализованы у дрозофилы на небольшом участке третьей
в фенотипе (Рис.1) [5].
хромосомы. В одной из областей находится комплекс Ant-C с генами Antennapedia (Antp), Deformed (Dfd) и Sex comb reduced (Scr), контролирующими образование структур головы, первого и частично второго грудного сегмента. Во второй области находится комплекс ВХ-С с генами bithorax (bx), Contrabothorax (Cbx), Ultrabithorax (Ubx), bothoraxoid (bxd), postbithorax (pbx), abdominal A (abd A) и Abdominal B (Abd B), контролирующими развитие других оставшихся грудных и брюшных сегментов. В двух комплексах гомеозисные гены расположены коллинеарно органам, развитие которых они контролируют,и в направлении от структур головы к структурам заднебрюшных сегментов [6].
Основные механизмы установления гомеозисными генами границ их экспрессии пока не выяснены. Но один из них обнаружен: все шесть гомеозисных генов имеют общую последовательность длиной 180 пар оснований, соответствующий участок полипептидной цепи которого состоит из 60 аминокислот, называемый гомеобоксом (HOX в англоязычной традиции). Белковый продукт гомеобокса называется гомеодоменом. Гомеодомены различных гомеозисных генов гомологичны на 80-90%. Они принадлежат к факторам, которые активируют транскрипцию [6].
У дрозофилы сами гомеозисные гены контролируются генами: Polycomb (PC) и trx, образование мутаций которых проявляются так же, как и мутации в гомеозисных генах [7].
Гомологи генов, которые были обнаружены Эдвард Льюис, существуют и в нашей ДНК, как те, что в ДНК плодовой мушки, и они работают одинаково. Знание эмбрионального развитя дрозофилы было предпосылкой последним достижениям в изучении того, как развиваются позвоночные. Hox гены были найдены у всех двустороннесимметричных животных, и даже у медуз, причем у всех животных они играют главную роль в дифференцировке разных частей тела [2].
Заключение. В 1995 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине Эдварду Б. Льюису, Кристиане Нюссляйн-Фольхард и Эрику Ф. Вишаус «за их открытия, касающиеся генетического контроля раннего эмбрионального развития» [1]. А в последние десятилетия были изучены многие генетические механизмы регуляции развития. Исследования этих механизмов берут свое начало на традиционном генетическом объекте - плодовой мушке дрозофиле. На дрозофиле были открыты фундаментальные принципы генетического контроля развития, была установлена роль генов в определении осей симметрии организма, было доказано, что клетки определяют свое положение в пространстве по градиентам морфогенов, открыты Hox гены. Дальнейшие исследования выявили общность принципов генетического контроля развития, открытых на дрозофиле, и других животных [2]. Трое ученых сделали прорыв в области генетического контроля эмбриогенеза. Это может дать более полное понимание механизмов происхождения и профилактики врожденных пороков человека [1].
Использованные источники:
1. Нобелевская премия по физиологии и медицине 1995 [Электронный ресурс]. URL: https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1995/summary/ (дата обращения 23.12.2018)
2. Серов О.Л., Баттулин Н.Р. Электронный лекционный курс Генетика развития.URL:https://nsu.ra/xmlш/Ыtstream/handle/nsu/690/Serov%o20Battulmo/o 20Genetika%20Razvitiya.pdf (дата обращения: 20.12.2018).
3. Дрозофила - модельный объект генетики [Текст]: учебно-методическое пособие М.Ф. Козак. - Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет». - 2007. - c.87.
4. Christiane Nüsslein-Volhard The identification of genes controlling development in flies and fishes - Nobel Lecture - 1995. P.285-306. URL: http://NobelPrize.org (дата обращения 23.12.2018).
5. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика / Жимулев И. Ф. -Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 1998. - с.375-387.
6. Иванов В.И., Барышникова Н.В., Билева Дж.С., Дадали Е.Л., Константинова Л.М., Кузнецова О.В., Полякова А.В. Генетика. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. c.294-306.
7. Инге-Вeчтомов С.Г. Генетика с основами селекции. М.: Высшая школа,1989. c.499-505.
