Эволюционная биология развития. Генетика развития дрозофилы. (Тема 2) презентация

Моргана, который начал ее изучать в 1909 году.

Во-первых, у нее центролецитальное яйцо с желтком внутри и поверхностным слоем чистой цитоплазмы, в котором после дробления располагаются ядра (такое дробление называется поверхностным). Такой зародыш очень долго - до стадии нескольких тысяч ядер - остается синцитием, т.е. единой многоядерной клеткой.
* pole cells - полярные клетки, т.е. первичные половые клетки

цитоплазме, без необходимых большинству других животных промежуточных звеньев в виде передачи от клетки к клетке и срабатывания мембранных рецепторов со вторичными посредниками.

сегменты закладываются одновременно (в отличие от короткозародышевых, у которых большинство сегментов закладывается один за другим в зоне роста).

чисто эмбриональные специализации, сложившиеся у продвинутых насекомых (обратим внимание на положение двукрылых на древе). Они затрудняют сравнение дрозофилы с другими Metazoa, но парадоксальным образом упрощают само ее изучение.

несколько трофоцитов (клетки-кормилки, nurse cells), которые синтезируют вещества, нужные зародышу, и переправляют их в яйцеклетку через цитоплазматические мостики.

лишена головы, но имеет два задних конца тела. При этом у самой личинки ген bicoid может быть совершенно нормальным. Фенотипический эффект определяется состоянием гена bicoid не у данной личинки, а у мухи - ее матери. Это ген с материнским эффектом.

вообще не имеют транскрипционной активности), а в клетках-трофоцитах. По цитоплазматическим мостикам иРНК bicoid переходит в яйцеклетку и скапливается в области будущего переднего конца тела. После оплодотворения происходит только трансляция.

гена bicoid нет, а есть только синтез белка на его иРНК, поступившей в яйцо задолго до оплодотворения.

является типичным морфогеном. Градиент белка гораздо менее крутой - это означает, что он диффундирует эффективнее (или его диффузия меньше тормозится).

структур в необычных местах (например, в середине туловища).

через искусственные дупликации) приводит к тому, что все большая часть зародыша становится головой. Это аналог модели французского флага, только с двумя “цветами”.

genes). Их особенности:
Gap-гены экспрессируются уже в клетках самого зародыша, как только их ядра становятся синтетически активны.
Область экспрессии каждого такого гена - полоса, соответствующая нескольким будущим сегментам.
Белки - продукты генов материнского эффекта являются факторами транскрипции, запускающими экспрессию gap-генов.
Если какой-то из gap-генов не работает, у зародыша будут отсутствовать те сегменты, которые должны развиться в области его экспрессии. Вот почему эти гены так называются (gap - разрыв, провал).

гена hunchback, продукт которого маркирует головные сегменты. Название гена (“горбун”) связано с тем, что он влияет также и на формирование груди.
* Строго говоря, hunchback - еще и ген материнского эффекта, но это пока неважно.

дупликациями гена bicoid показывают, что чем больше доза bicoid, тем сильнее экспрессия hunchback.

посредине тела, его мутация приводит к отсутствию у личинки грудных и передних брюшных сегментов.

белка hunchback достигает определенного нижнего порога, и кончается, когда концентрация белка hunchback достигает верхнего порога. Область экспрессии Krüppel на фоне градиента hunchback - узкая полоса между порогами.

генов, каждый из которых экспрессируется или во всех четных, или во всех нечетных будущих сегментах. Их экспрессия — периодическая, в отличие от апериодических gap-генов, которые служат для них факторами транскрипции.
* На самом деле здесь не сегменты, а парасегменты, но это пока неважно.

tarazu (четные сегменты, коричневый). В каждой клетке экспрессируется или только eve, или только ftz.

названные odd-skipped (odd), runt (run) и hairy (h). Мы видим, что гены парного правила могут действовать на экспрессию друг друга - иногда их даже делят на первичные (run, h, eve) и вторичные (ftz, odd). Кроме того, схема показывает, что продукты генов eve и ftz имеют противоположные функции: первый - репрессор, второй - активатор. Внимание: запоминать названия отдельных генов не надо! Нам важны только принципы работы подобных сетей.

которые экспрессируются или в передней, или в задней части каждого сегмента. Факторами транскрипции для них служат продукты генов парного правила. В развитии дрозофилы происходит пересегментация, поэтому, например, ген engrailed экспрессируется в передних частях парасегментов, которые становятся задними частями настоящих сегментов.

зародыша около огромного внутреннего желтка - на некоторых стадиях он буквально складывается пополам, запутывая наблюдателя. На картинке показаны области экспрессии двух генов-антагонистов - engrailed и wingless.

engrailed, и вызывает в соседних клетках экспрессию wingless. Это хороший пример паракринной регуляции (распространение сигнального фактора между соседними клетками).

больше всего похожи друг на друга. Это - горлышко “песочных часов”, или филотипическая стадия. На картинке зародыш не дрозофилы, а какого-то короткозародышевого насекомого (возможно, кузнечика).

полярности? Не хватает генов, которые будут контролировать специализацию сегментов, отличая, например, 1-й грудной сегмент от 2-го, а тот и другой от брюшных. Для этого должен существовать еще один уровень экспрессии, представленный апериодическими генами сегментарной идентичности. Факторами транскрипции для них служат gap-гены. Большинство показанных здесь генов (но не все) относятся к семейству Hox.

здесь генах (но не обо всех) будет сказано дальше.

такой вопрос. Откуда берется периодичность экспрессии генов парного правила, если из генов, экспрессирующихся до этого, периодическим не является ни один? Получается, что периодичность возникает de novo, самоорганизуется.

ЕСЛИ в некоторой точке есть продукты bicoid и hunchback, но нет продуктов giant и Krüppel, ТО в этой точке должен экспрессироваться eve. Причем эта функция работает только в 3-м сегменте, в других eve включается иначе. “Если бы это была компьютерная программа, она выглядела бы так, будто ее писал какой-то идиот”. Но из этого беспорядка рождается регулярность.

стрелочка от gap-гена означает, что данная зона экспрессии eve активна там, где продукта этого gap-гена нет.

на том или ином частном сюжете. Рассмотрим один такой сюжет, в котором фигурирует еще не упоминавшийся ген nanos.

Nanos — ген материнского эффекта, который:
Имеет максимум концентрации продукта на заднем конце зародыша.
Необходим для образования брюшка.
Обладает свойством блокировать трансляцию материнской порции иРНК гена hunchback, которая равномерно распределена по яйцу.
* Когда-то эта функция nanos считалась основной, на самом деле она не единственная, но другие функции этого гена нам сейчас неважны, потому что связаны не с сегментацией, а с созреванием половых клеток.

микротрубочкам не на передний конец будущего тела (как иРНК bicoid), а на задний. Заодно здесь показана материнская порция иРНК hunchback, распределенная по зародышу равномерно.

не нужен, то есть в задней части тела. При этом hunchback все равно экспрессируется в ядрах зародыша, как обычный gap-ген. Зачем нужна его дополнительная материнская доза, которую приходится блокировать таким сложным способом?

в яйцо материнской порции иРНК hunchback у мухи не имеет никакой установимой функции.
Показано, что если оставить зародыш и без материнской иРНК hunchback, и без продукта nanos, брюшко развивается нормально.
Не следует ли предположить, что материнский эффект hunchback есть некая загадочная ошибка эволюции, а система экспрессии nanos исправляет эту ошибку?

и дает белок Bicoid (красный), который диффундирует по зародышу и запускает экспрессию gap-генов (зеленый). Однако эта система - далеко не всеобщая.

всех насекомых. Он есть только у круглошовных двукрылых (Cyclorrapha), то есть у мух в строгом смысле. Например, у комара и даже у слепня его нет.

было?
У двукрылых, не относящихся к Cyclorrapha, его функцию выполняют два gap-гена: hunchback и orthodenticle. У дрозофилы мы видим остаток старой функции hunchback, когда он еще был геном материнского эффекта:
Mother → hunchback
Потом к нему добавился bicoid:
Mother → bicoid + hunchback
А потом геном материнского эффекта остался bicoid, а hunchback переместился на следующий уровень экспрессии:
Mother → bicoid → hunchback
Вот она, та эволюционная ошибка, для исправления которой понадобилась экспрессия гена nanos. Материнская порция продукта hunchback – не что иное, как рудимент старой функции этого гена.

идентичности, имеющий в данном случае две дополнительные функции:
Экспрессия в качестве гена материнского эффекта, маркирующего передний конец тела.
Экспрессия во внезародышевых тканях (амнион, сероза).
Дальше происходит разделение функций (как в морфологии). Ген Hox3 дуплицируется и дает два гена: ген zerknüllt, который экспрессируется во внезародышевых тканях, и уже известный нам ген bicoid.

- приспособление организма, возникающее на стадии зародыша, плода или личинки и не сохраняющееся у взрослой особи. В сюжете с эволюцией гена bicoid меняется генетический контроль закладки сегментов на ранних стадиях онтогенеза, но сама сегментация взрослого животного остается совершенно неизменной (у мухи и комара она абсолютно идентична). Это пример ценогенеза на молекулярном уровне. Изучением таких явлений и занимается эволюционная биология развития.

гены парного правила, гены сегментарной полярности, гены сегментарной идентичности, модель “песочных часов”, филотипическая стадия, ценогенез.