Б. Система гомеобоксных генов для развития головы позвоночных

Если комплекс генов Нох определяет пространственную экспрессию и соответственно является планом развития только постотической части тела, то в раннем развитии преотической части, т.е. структур головы, играют роль тоже гомеобоксные гены, но не входящие в кластер Нох.
Было выяснено, что у дрозофилы имеются два гена типа "gap" - orthodenticle (otd) и empty spiracles (ems), - играющие роль в сегментации ее головы (Finkelstein et al.,1990; Cohen, Yurgens,1990; Finkelstein, Perrimon,1991). Оба гена кодируют гомеобоксные белки, что предполагает, как и в случае белков НОХ, что они действуют как транскрипционные факторы. Экспрессия их происходит в перекрывающихся доменах на переднем полюсе эмбриона мухи на стадии бластодермы.
Позднее у мыши были обнаружены 4 гена, экспрессирующиеся в головном мозге, которые, как оказалось, являются гомологами Otd и Ems, причем по два гомолога для каждого гена. Они были обозначены Otx1,Otx2, Emx1 и Emx2. Участки экспрессии этих генов в головном мозге содержались внутри друг друга, наподобие русских матрешек, в последовательности, где Emx1<emx2<otx1>> Интересно, что эктопические инъекции генов Otx в задние отделы тела подавляют движения конвергентного растяжения туловищно-хвостовых структур, столь характерного для них. Это приводит к нарушениям развития туловища и хвоста. В то же время инъекция этих генов в передние отделы не воздействует на их развитие (Andreazzoli et al.,1997).
При сравнении паттернов экспрессии генов группы Нох и 4-х генов Otx и Ems обращает на себя внимание одно поразительное отличие. Передняя граница экспрессии генов Нох по мере включения генов, порядок которого определяется порядком их расположения в кластере на хромосоме, отодвигается назад и на диаграммном изображении последовательных доменов вдоль главной оси тела (рис.4) эта особенность показана в виде ступенчатого смещения передней границы экспрессии.

Рис. 4. Граница доменов экспрессии гомеобоксных генов Otx, Emx и комп лекса Нох в головном и спинном мозгу. Пределы экспрессии для каждого гена в соотношении с отделами центральной нервной системы изображены в виде прямоугольных брусков (Модифицировано из: Holland et al.,1992)
* - местоположение организатора (прехордальной мезодермы) после гаструляции; t - временная последовательность включения экспрессии генов; стрелки вдоль оси тела показывают направления движения экспрессии генов. Tel,телэнцефалон; Di, диэнцефалон; Mes,мезэнцефалон; 1-8, ромбомеры заднего мозга; sc,спинной мозг.

У сравниваемых с ними генов Otx и Emx, экспрессирующихся впереди от ПХМ, видна такая же ступенчатость, но как бы в зеркальном отражении. Поскольку эти ступеньки показывают передние границы экспрессии (Simeone et al.,1992), то ясно, что фронт экспрессии продвигается в области головы не назад,а вперед. Действительно, время экспрессии у всех 4-х генов разное и следует в последовательности Otx2,Оtx1,Emx2 и Emx1, что указывает на факт перемещения границы экспрессии в задне-переднем направлении.
Итак, если для постотической части тела вектор последовательной экспрессии гомеобоксных генов продвигается в передне-заднем направлении, то для преотической части, т.е. головной, вектор экспрессирующихся здесь гомеобоксных генов направлен в противоположную сторону, иначе говоря, имеет задне-переднюю направленность.
В пользу последнего утверждения накапливается все больше фактов. Например, в работе Блиц и Хо (Blitz and Cho,1995), в которой прослеживали волну экспрессии Xotx2, проходящую через эктодерму гаструлы под влиянием передней (будущей прехордальной) мезодермы, была выяснена последовательность экспрессии данного гена от средней гаструлы до ранней хвостовой почки в таком порядке: средний мозг, передний мозг, зачаток цементной железы; т.е. волна генной экспрессии продвигается от задних структур головы к передним. Этот результат, предполагая роль Xotx2 в индукции цементной железы, согласуется с более ранними наблюдениями (Sive et al.,1989), в которых описано продвижение волны индуктивной активности в течение гаструляции, завершающейся тоже развитием цементной железы. Вероятно, что экспрессия Xotx2 является ранним проявлением этой индуктивной волны. Сходным образом экспрессия Sonic hedgehod (SHH) и вентрализация передней нейральной пластинки распространяются от проспективных заднего мозга к переднему (Pera, Kessel,1997). Недавно Фредо и соавторы (Fredieu et al.,1997) проследили, что обработка гаструлы Xenopus литием вызывает потери определенной части переднего мозга, причем динамика здесь такова, что чем раньше производится обработка, тем более постериорные части переднего мозга теряются (вначале части diencephalon, затем telеncephalon).
Следует заметить, что передне-задняя волна дифференциации, которую мы наблюдаем в туловищно-хвостовой части зародышей позвоночных, прослеживается с очевидностью. Можно легко наблюдать волну сомитогенеза, затем волны дифференциации сомитов, дифференциации хорды, которые всегда следуют от переднего конца хорды вдоль туловищно-хвостовой части тела к заднему концу. Это согласуется с тем, что волны дифференциации, по-видимому, вначале организуются по Картезианской сетке передачи позиционной информации, координаты которой соответствуют осям ПЗ и СБ (спинно-брюшной или дорзовентральной). Анализ судьбы клеток после экспериментальной ротации частей нейральной пластинки (Simon et al.,1955, цит. по: Lumsden and Krumlauf,1996) показал, что региональное предназначение определяется вначале вдоль ПЗ оси и происходит независимо от предназначения вдоль СБ оси. Распространение этих волн очевидно связано с продольными структурами, прежде всего с хордой (Cooke, Zeeman,1975).
Если ПЗ паттернирование осевой мезодермы и нейральной трубки в значительной мере совершается с участием генов семейства Нох, то первый шаг СБ паттернирования (вдоль второй Картезианской координаты) зависит, по-видимому, от детерминации вентральной средней линии на уровне средней линии основания нейральной пластинки. Этот процесс связан с экспрессией гена SHH в нижележащей мезодерме вдоль всей ростро-каудальной оси, исключая среднюю линию вентральной части диэнцефалона, где дополнительно индуцируется BMP7 (Chiang et al.,1996; Dale et al.,1997).

Дата добавления: 2015-11-16