А. Система гомеобоксных генов Hox

Различие между головным и туловищно-хвостовым отделами проявляется и в том, что раннее развитие этих отделов происходит при участии гомеобоксных генов, относящихся к разным семействам этого типа генов. Наиболее обширный и хорошо изученный комплекс гомеобоксных генов Hox относится к семейству регуляторных генов, экспрессируемых вдоль ПЗ оси и обнаруженный у всех исследованных Metazoa (Duboule, Dolle,1989; Graham et al.,1989; McGinnis, Krumlauf,1992; Burke et al.,1995; Holland, Garcia-Fernandez,1996).
Было выяснено, что у позвоночных этот комплекс существует в 4-х повторах, полученных, по-видимому, за счет двух циклов дупликации из исходного кластера типа НОМ-С (Holland et al.,1996). В 4-х кластерах мыши и человека выявлено 38 генов семейства Hox, разделенных на 13 паралогических групп, хотя не все гены имеют 4-х гомологов. Последовательное сравнение генов НОМ и повторов Нox групп показывает, что часть паралогов в каждом кластере была потеряна. Например, у млекопитающих отсутствует один ген первой группы, а у рыб имеются все 4 паралога этой группы (Holland, Garsia-Fernandes,1996). В то же время гомологи группы Abd-b (паралоги 9-13), по-видимому, размножились (Manak, Scott,1994).
Гены семейства Нox экспрессируются вдоль ПЗ оси в ЦНС и околоосевой мезодерме, каждый на своем соответствующем уровне. При этом консервативность набора этих генов, сохраняющих узнаваемость по степени гомологичности и по порядку их расположения на хромосоме почти у всех Metazoa от нематод до высших позвоночных, кажется парадоксальной на фоне огромного разнообразия форм носителей этого кластера. Кэррол (Carrol,1995) считает, что гены Нox только демаркируют относительное положение разных структур вдоль оси тела (как бы рисуют схему главного плана строения тела), но не определяют сами эти структуры. Гены Нox функционируют как регуляторные белки, управляя своими продуктами деятельность множества других генов. Например, по оценке Кэррола геном дрозофилы содержит от 85 до 170 генов, деятельность которых регулируется продуктами гена Ultrabithorax (Carroll,1995).
Принцип колинеарности, наблюдавшийся Льюисом на генах комплекса НОМ из генома Drosophila, сохраняет свое значение в комплексе Нox у позвоночных. Было выяснено, что гены, локализованные на 3' конце каждого из комплексов (это гены 1,2 и 3-й паралогических групп) имеют четкую переднюю границу экспрессии в пределах заднего мозга, причем гены 1-й группы имеют переднюю границу домена экспрессии на границе r3/r4 (Wilkinson,1993; Couly et al.,1998). Гены 4-й и 5-й паралогических групп имеют переднюю границу уже на уровне сомитов из числа теx, которые позднее войдут в состав шейного отдела (у птиц и млекопитающих), а гены, расположенные на 5' -конце (11-13-я группы), экспрессируются в сомитах на уровне будущих сакрального или каудального отделов (Gaunt,1994; Burke et al.,1995). Поскольку осевая формула позвоночника (соотношение позвонков разных отделов) у разных видов сильно различается, то границу экспрессии генов Нox ассоциируют не с численным номером сомита, а с морфологией соответствующего ему будущего позвонка. Например, у мыши число шейных позвонков равно 7, а у курицы 14, но на границе между шейным и грудным отделами у обоих видов экспрессируется один и тот же ген Нохс-6. Гены 9-й паралогической группы экспрессируются на уровне перехода от грудных к поясничным будущим позвонкам (Burke et al.,1995).
Коули и соавторы (Сouly et al.,1998) показали, что в области нервного гребня вдоль головного отдела нервной системы можно выделить две области: переднюю, соответствующую мезэнцефалону и части метэнцефалона (r1-r2), в которой гены кластера Нох не экспрессируются, и 2) заднюю, которая соответствует ромбомерам r3-r8 и в которой экспрессируются гены первых паралогических групп комплекса Нох. Было установлено, что при построении нижней челюсти участвуют только клетки нервного гребня (КНГ), в которых гены группы Нох не экспрессируются (Kontgens, Lumsden,1996; Couly et al.,1996,1998). Эти клетки мигрируют в зону формируемой нижней челюсти из задней области мезэнцефалона, а также из r1, r2 и небольшая группа клеток поступает из r3 (! - сравните с действием Lim1 -/-, описанным в разделе 4). Оказалось, что при замещении этих клеток более постериорными КНГ, которые способны экспрессировать гены Нох, нижняя челюсть не образуется. Более того, после замещения области r4-r6 фрагментами нейрального валика, состоящими из КНГ, не экспрессирующими гены Нох, у зародышей развивался зачаток второй нижней челюсти. Как известно, последняя является частью «новой головы» и эти результаты еще раз подчеркивают глубокое различие между головной и хордальной частями тела позвоночных.
По мнению Дюбуля (Duboule,1994), следует различать два типа колинеарности - "пространственную" и "временную". В одном случае речь идет о топографической последовательности экспрессии генов, во втором о времени начала их экспрессии. На самом деле лучше говорить о разных аспектах одного и того же процесса последовательной линейной экспрессии, поскольку один обусловливает другой. На наш взгляд, первичным является фактор времени (Городилов,1990; Gorodilov,1992).
Итак, весь комплекс гомеозисных генов семейства Нох экспрессируется последовательно вдоль ПЗ оси, причем передний край экспрессии первой паралогической группы находится на границе r3/r4. Это практически совпадает с той границей влияния генов Lim1 и Otx2, наличие каждого из которых оказывается необходимым для развития всех головных структур, лежащих впереди 3-го ромбомера. Эта же граница разделяет «новую голову» позвоночных - абсолютно новое приобретение животных - и остальное тело, доставшееся в наследство от протохордовых и от беспозвоночных животных (Yamada,1994; Holland et al.,1996). Вопрос о том, имеется ли группа или кластер генов, которые точно также лежали бы в основе развития головы позвоночных, рассматривается ниже.

Дата добавления: 2015-11-16