Файл: Учреждение образования полесский государственный университет в. Т. Чещевик молекулярные основы.pdf

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 47
Протеинкиназа MPF обладает высокой степенью консервативности. Большая субъединица MPF представляет собой белок 56 кДа. Этот белок был назван циклином, поскольку его взаимодействие с протеинкиназой периодически меняется в ходе клеточного цикла. Оказалось, что активность взаимодействия между малой и большой субъединицами MPF фактора начинает расти в S
(синтетической) фазе клеточного цикла, достигает максимума в начале митоза, но на границе метафазы и анафазы клеточного цикла резко падает из-за быстрой деградации белка циклина. Распад циклина ведет к инактивации малой субъединицы MPF. После инактивации протеинкиназы (малой субъединицы
MPF) прекращается фосфорилирование гистона H1, ламинов и других белков- мишеней, а это, в свою очередь, вызывает завершение митоза и переход в интерфазу.

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 48
ТЕМА 8
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ КОНТРОЛЯ РАННЕГО
РАЗВИТИЯ ДРОЗОФИЛЫ. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ
ОРГАНИЗАЦИЯ ЭМБРИОНА
1. Жизненный цикл дрозофилы.
2. Формирование передне-задней оси зародыша дрозофилы. Градиенты
белков Bicoid и Nanos, гены терминальных структур.
3. Формирование дорсо-вентральной оси зародыша дрозофилы.
1. Жизненный цикл дрозофилы
Дрозофила имеет голометаболический жизненный цикл (полный метаморфоз) − три отдельных стадии постэмбрионального развития, отличающиеся строением тела: личинка, куколка и имаго. В ходе эмбриогенеза образуются структуры, необходимые для функционирования организма в течение этих фаз и перехода между ними. В результате эмбриогенеза формируется личинка мухи. Личинка содержит имагинальные диски – группы клеток, из которых затем образуются структуры имаго. На стадии куколки ткани личинки разрушаются, и из имагинальных дисков образуются ткани взрослого организма.
Эмбриогенез дрозофилы уникален среди других модельных организмов тем, что дробление у нее неполное. В результате дробления образуется синтиций. Синтиций представляет собой неразделенную цитоплазму, в которой содержится около 5000 ядер, мигрирующих и располагающихся у поверхности ооцита.
Впоследствии происходит целлюляризация
– образование индивидуальных цитоплазматических мембран вокруг ядер, при этом обособляются клетки, окружающие желточный мешок. Первыми на заднем конце эмбриона отделяются полярные клетки (первичные половые клетки).
Как и у других трехслойных многоклеточных, гаструляция у дрозодилы приводит к образованию трех зародышевых листков – эндодермы, мезодермы и эктодермы.

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 49
2. Формирование передне-задней оси зародыша дрозофилы.
Градиенты белков Bicoid и Nanos, гены терминальных структур
Яйцо, зародыш, личинка, имаго дрозофилы характеризуются переднезадней полярностью. Ооцит развивается так, что один его конец
(будущий передний) непосредственно соединяется с цитоплазмой фолликулярных питающих клеток, которые снабжают яйцо белками, рибосомами и мРНК. На противоложном конце ооцита накапливается полярная плазма, дающая начало первичным половым клеткам взрослого насекомого. У зародыша, личинки и взрослого насекомого различают головной и хвостовой отделы, между которыми располагаются повторяющиеся единицы – сегменты.
Три сегмента образуют грудь, а оставшиеся – брюшко.
Становление продольной полярности зародыша определяется 3 группами генов: генов переднего организующего центра, генов заднего организующего центра и генов терминальных структур. В яйце дрозофилы имеются передний и задний организующие центры, которые формируют два градиента морфогенов
(мРНК, белки) в передней и задней частях зародыша. Каждый из градиентов определяет формирование специфических структур, а их взаимодействие обуславливает морфогенез центральных сегментов зародыша.
Белковый продукт гена bicoid является морфогеном, контролирующим формирование передних структур зародыша. мРНК данного гена локализована лишь в передней части ооцита. Во время ранних делений дробления при трансляции мРНК белковый продукт гена bicoid формирует градиент с наибольшей концентрацией в передней части яйца и фоновой концентрацией в его задней трети. Данный белок связывается с ядрами синтиция в передней части зародыша. Кроме того, имеются два гена, белковые продукты которых ответственны за стабилизацию данного морфогена в передней части яйца.
Белок Bicoid содержится в ядрах и содержит гомеодомен, который позволяет данному белку связываться с ДНК и регулировать экспрессию генов. Самыми ранними генами, активирующимися в зиготе, являются гены gap-семейства. У мутантов по одному из этих генов отсутствуют ротовые части и структуры груди. Белок Bicoid активирует экспрессию генов группы hunchback, продукты которых, в свою очередь, репрессируют (подавляют) экспрессию генов, активных в брюшных сегментах, что приводит к формированию структур тела, характерных для головных сегментов. Средние концентрации белка Bicoid необходимы для формирования грудных структур, а высокие концентрации данного белка необходимы для формирования головных структур, вследствие низкого сродства промоторов генов gap-семейства, экспрессирующихся в

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 50 головных структурах, к белку Bicoid.
Задний организующий центр формируется благодаря экспрессии семи генов с материнским эффектом, отсутствие которых у матери приводит к отсутствию брюшка у зародышей. Важную роль в заднем организующем центре играют белковые продукты гена nanos. Белок Nanos подавляет трансляцию мРНК гена hunchback.
Гены терминальных структур. Зародыш дрозофилы характеризуется наличием несегментированных переднего (акрон) и заднего (тельсон) участков тела.
Гены терминальных структур определяют границы между сегментированными и несегментированными участками тела. При отсутствии данных генов сегментация распространяется на несегментированные придатки.
Наиболее важным геном данной группы является ген torso. При отсутствии белкового продукта данного гена зародыш оказывается полностью сегментированным. Белок данного гена синтезируется вдоль всего зародыша, но активен лишь на полюсах, вследствие активации белкового продукта данного гена на полюсах фолликулярными клетками.
3. Формирование дорсо-вентральной оси зародыша дрозофилы
Более 10 генов материнского эффекта участвуют в спецификации дорсовентральной оси зародыша дрозофилы. Это протяженный во времени процесс, который начинается в период оогенеза и завершается уже после оплодотворения на стадии формирования бластодермы (в течение 14-го клеточного цикла). Во время оогенеза в цистоцитах экспрессируется ген dorsal, и соответствующая иРНК равномерно распределяется по ооциту. Примерно через 1,5 часа после оплодотворения синтезируется белок Dorsal, который является транскрипционным фактором, необходимым для спецификации вентральных структур зародыша, в частности, мезодермы и нейральной эктодермы.
Первоначально белок Dorsal равномерно распределен по зародышу и находится в инактивированном состоянии, поскольку он связан с белком
Cactus. Активация транскрипционного фактора Dorsal происходит лишь в вентральной области зародыша, где инактивирующий белок Cactus фосфорилируется, после чего комплекс Dorsal/Cactus диссоциирует, и белок
Dorsal приобретает возможность выполнять функцию транскрипционного фактора. Асимметричная активация транскрипционного фактора Dorsal достигается довольно сложным путем, требующим значительного времени.
Прежде всего, по мере формирования ооцита его ядро перемещается в передне-

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 51 дорсальном направлении.
Поэтому транскрипты гена gurken и соответствующие продукты трансляции (белок Gurken из семейства эпидермальных факторов роста), асимметрично концентрируются у одной будущей спинной стороны. После выведения лиганда Gurken во внешнюю среду он взаимодействует с рецепторами фолликулярного эпителия, представленными белком Torpedo. Активация этих рецепторов ведет к подавлению экспрессии гена pipe в клетках фолликулярного эпителия, соседствующих с будущей дорсальной стороной яйца. В результате этого белок
Pipe образуется только на противоположной вентральной стороне. Наличие белкового фактора Pipe является одной из предпосылок запуска каскада сериновых протеаз в перивителлиновом пространстве яйца. Этот каскад представлен белками Gastrulation defective, Snake, Easter и др. В результате активности протеаз, в конце концов, в перивителлиновом пространстве образуется активный лиганд Spätzle. Взаимодействие последнего с рецептором
Toll на стадии формирования бластодермы ведет к образованию в клетках презумптивной вентральной области протеинкиназы Pelle. Эта протеиназа обеспечивает фосфорилирование белка Cactus и диссоциацию комплекса
Cactus/Dorsal с высвобождением транскрипционного фактора Dorsal.
Последний поступает в ядра вентральной стороны зародыша и активирует гены, экспрессия которых необходима для спецификации нейрогенной эктодермы (rhomboid) и мезодермы (twist, snail). Одновременно блокируются гены, направляющие спецификацию дорсальной эктодермы (tolloid, decapentaplegic) и эктодермы амниона - серозы (zerknült).

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 52

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 53 отдельного парасегмента. gap-гены – это гены, которые первыми активируются в развивающемся зародыше (10-11 клеточный цикл деления), экспрессируются в широких участках (около трех сегментов), которые перекрываются между собой и регулируются белковыми продуктами генов материнского эффекта, формирующими градиенты в ходе оогенеза. Разные концентрации белковых продуктов gap-генов активируют pair-rule-гены (14 клеточный цикл деления), которые транскрибируются в клетках зачатков каждого второго сегмента и формируют 7 вертикальных полос клеток по всей длине зародыша. Pair-rule- гены приводят к распределению эмбриональных клеток по 14 парасегментам.
Продукты транскрипции генов pair-rule активируют транскрипцию генов группы segment-polarity, белки и мРНК которых формируют 14 полос, которые разделяют зародыш на отдельные сегменты. Продукты генов материнского эффекта, gap-, pair-rule- и segment-polarity взаимодействуют между собой и активируют гомеозисные гены.
2. Гомеозисные гены, гомеобоксы. Кластерная организация
гомеозисных генов
Гомеозисные гены относятся к группе Hox-генов и представляют собой эмбриональные переключатели, способные регулировать направления дифференцировки. Гомеозисные гены содержат общую последовательность
(гомеобокс) длиной в 180 п.н., который кодирует участок в полипептидной цепи данных генов называемый гомеодоменом, отличительной особенностью которых является большое количество остатков аминокислот аргинина и лизина. Гомеодомены разных гомеозисных генов гомологичны на 80–90%.
Наличие гомеодоменов в белковых продуктах, кодируемых гомеозисными генами, позволяет выполнять данным белкам регуляторную роль.
Нуклеотидная последовательность гомеобокса характеризуется жестким филогенетическим консерватизмом. Например, гомеодомены лягушки и дрозофилы из 60 аминокислот отличаются только по одной аминокислоте.
Мутации по гомеозисным генам приводят к трансформации одного сегмента в другой.
Экспрессия генов сегментации (gap-, pair-rule- и segment-polarity-гены) регулирует экспрессию гомеозисных генов двумя путями: гены, устанавливающие компартменты, детерминируют парасегментарные границы, в пределах которых транскрибируются гомеозисные гены. Белковые продукты