S.S.I. СОВРЕМЕННАЯ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ

S.S.I. СОВРЕМЕННАЯ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ

Также как и в биологии развития в целом, ключевой вопрос в изучении нейрогенеза – определение того, как (и почему) экспрессия группы генов происходит в данный момент и в соответствующем участке ткани. Понятно, что эти процессы регулируются не только генетической программой, действующей в конкретной группе клеток, но и внешними по отношению к нейронам процессами.

В качестве примера такого взаимодействия можно рассмотреть процесс нейрогенеза при доминантной неврологической мутации мыши Lurcher, при которой у гетерозиготных особей в возрасте 2 недель гибнут все клетки Пуркинье мозжечка. Эта гибель – результат прямого действия мутантного аллеля гена Lc именно в этих клетках. В то же время показано, что последующая дегенерация 90% гранулярных клеток – это вторичный эффект, следствие отсутствия клеток Пуркинье. Клетки Пуркинье в норме способствуют формированию нормальных синаптических контактов гранулярных клеток, а отсутствие нормально развитых синапсов ведет к постепенной дегенерации гранулярных клеток.

Очевидно, что нейрогенез представляет собой не серию сменяющих друг друга стадий, а процесс, в ходе которого происходит непрерывное взаимодействие сигналов, поступающих из внешней среды, и информации, считывающейся с генома. В схематической форме, однако, нельзя обойтись без условного деления процесса развития на стадии. Это деление проводится и в соответствии с современной эпигенетической концепцией. Последовательные стадии развития можно представить в виде схем, в которые входит ряд компонентов. Успех каждой стадии развития обеспечивается наличием следующих компонентов: фенотипа – Р, продуктов экспрессии определенных генов

где PJ – это фенотип зиготы, Р2 – фенотип следующей стадии. При развитии нервной системы картина усложняется тем, что в категорию "внешних" условий попадают влияния, идущие от других, параллельно развивающихся глиальных и нервных клеток, которые по фенотипу и паттерну экспрессии генов не идентичны нейрону (или группе нейронов), интересующих нас в данный момент. Общий анализ показывает, что на нейрон действуют продукты экспрессии генов, которые можно условно разделить на 4 категории в зависимости от особенностей их экспрессии. Это гены, которые экспрессируются в дифференцирующихся нейронах, в нейронах других групп, в глиальных клетках и на уровне всего организма.

Схему хорошо иллюстрируют примеры развития нервной системы дрозофилы. Еще до появления первых эмбриональных закладок, во время образования трехслойного зародыша, на стадии нервного валика, т.е. в период, когда нервной системы еще нет, общий план ее строения уже начинает формироваться. Генетический контроль процесса в эти периоды трудно отделим от формирования общей схемы тела (подробнее см.: Корочкин, 1989, 1991, 1992).

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ОБЩЕЙ СХЕМЫ ТЕЛА

Дрозофила.В настоящее время достаточно много известно о генах, контролирующих формирование общей схемы тела животного. Группы генов, экспрессия которых обеспечивает формирование общего плана строения эмбриона, обнаруживают неслучайный уровень гомологии у всех изученных организмов. Большая часть этой информации получена на дрозофиле.

Еще до оплодотворения, т.е в ооците, начинается экспрессия генов, продукты которых несколько позже принимают участие в формировании различий между передним и задним полюсом оплодотворенного яйца дрозофилы. Это так называемые "материнские" гены. К ним относятся, например, ген caudal (определяет полярность ооцита), ген ЫсоШ (мутация по нему вызывает появление эмбрионов без головы и торакального ганглия), ген oskar (у мутантных эмбрионов нет брюшка).

Уже в самом эмбрионе проявляют свое действие гены других групп.

Больше всего информации получено по генам сегментации и по так называемым гомейозисным генам.

Итак, действие генов ряда групп проявляется либо в оплодотворенном яйце, либо позднее, на разных стадиях формирования самого эмбриона.

У мыши описано и клонировано не менее 20 локусов, содержащих гомеобокс (Яох-локусы). У ряда из них определена нуклеотид-ная последовательность. Большая часть Яох-содержащих генов локализуется у мыши на хромосомах 2, 6, 11 и 15.

Общность генетических механизмов развития схемы тела насекомых и позвоночных подтверждается многочисленными случаями гомологии в строении соответствующих генов дрозофилы и позвоночных, например гена полярности сегментов wingless и онкогена мыши int-1 или гена achaete-scute с онкогеном с-тус. Содержащие гомеобоксную последовательность гомейозисные гены групп engrailed и invected дрозофилы имеют гомологов в геноме мыши, которые экспрессируются в эмбриогенезе при формировании нейроэк-тодермы. Продукты их транскрипции проявляются в полосках ткани, располагающихся в складках нервного гребня.

Содержащие гомеобокс гены дрозофилы и мыши имеют сходство в пространственно-временной картине экспрессии в процессе развития. Как и у двукрылых, в эмбрионе млекопитающих эти гены экспрессируются вдоль ростро-каудальной оси эмбриона. Следует отметить, что исследование функций этих генов у млекопитающих, точнее, у одного из наиболее изученных генетических объектов – мыши – достаточно сложно, поскольку соответствующие мутации неизвестны, тогда как у дрозофилы, например, анализ подобных мутаций – один из ключевых методов исследования.

Вместо анализа мутаций при работе с мышью предложен ряд других методов изучения роли генома на ранних стадиях развития эмбриона. Один из наиболее продуктивных – введение в зародыш генетического материала, который представляет собой или измененный ген, имеющийся у хозяина, или делецию по определенному участку хромосомы (в этом случае используют специальные приемы, которые "заставляют" экспрессироваться новый ген). Можно также вводить ген, выделенный из генома другого вида. Примером последнего типа эксперимента служит работа американского ученого Р. Пальмитера (R. Palmiter) с сотрудниками. Они создали трансгенных мышей с геном, кодирующим гормон роста крысы под "транскрипционным контролем" так называемого промотора металлоте-неина, последовательности, которая экспрессируется практически во всех тканях. Несколько мышей, полученных таким способом, отличались очень крупными размерами (см. также: 8.6.3.4). Интеграцию в геном хозяина и экспрессию нужной ДНК последовательности обеспечивают технически сложные приемы, когда интересующий исследователя участок ДНК "сшивается" с последовательностями, экспрессия которых вызывается особыми физиологическими нагрузками.

С помощью трансгенных животных можно изучать фенотипичес-кие эффекты изменения "дозы" такого гена. Подобные эксперименты позволили установить, что во всех отделах ЦНС "трансгенного" эмбриона мыши в ростро-каудальном направлении имеются продукты транскрипции всех 7 генов блока Нох, введенного в геном.

Гомеобокс – это только один тип консервативной последовательности из всех других типов, выявленных у организмов разного уровня развития. Описаны и семейства генов, которые содержат белковые домены, выделенные в связи с исследованием разных функций. Гены сегментации дрозофилы Kruppel и hunchback имеют белковый домен, гомологичный транскрипционному фактору III, выделенному у шпорцевой лягушки, так называемому "белку с цинковыми пальцами". Ген Нох мыши, продукт которого также представляет собой белок с "цинковыми пальцами", локализуется в протосегментах заднего мозга эмбриона. Его продукты показывают экспрессию в порядке "через один сегмент". Такой метамерный рисунок в экспрессии гена – четкое молекулярно-генетическое доказательство существования сегментации мозга позвоночных.

Таким образом, дальнейшая дифференцировка мозга на отделы, по крайней мере частично, определяется событиями, которые причинно связаны с экспрессией генов "схемы тела". Сходство ряда участков генома, таких как гомеобоксные последовательности, у организмов, занимающих разное положение на систематической лестнице, показывает, что это еще один путь сравнительных исследований структуры и функции мозга.

При решении сравнительно простых селекционных задач воз­можно получение новых сортов плодовых и ягодных растений, соответствующих основным требованиям, запрограммирован­ным в модели нового сорта в F\. Гораздо чаще при вовлечении в селекционный процесс доноров селекционно ценных признаков, сочетающихся в одном геноме с отрицательными признаками, необходимо получение второго и последующих гибридных поко­лений.

Получение второго поколения необходимо также для проявле­ния ценных рецессивных признаков и увеличения размаха измен­чивости. Это создает благоприятные условия для отбора ценных форм, включая и положительные трансгрессии. Необходимость получения гибридов F₂ и более старших поколений чрезвычайно высока при создании селекционно ценных форм с комплексом требуемых признаков.

Проведение беккроссов часто необходимо для усиления или ослабления некоторых признаков. У плодовых культур при меж­сортовой гибридизации беккроссы используют редко, поскольку при этом возрастает инбредная депрессия в потомстве.

Повторные скрещивания широко распространены в селекции плодовых и ягодных культур и являются одним из основных спо­собов получения гибридов F₂. Этим способом пользовались прак­тически все селекционеры-плодоводы, начиная с И. В. Мичурина и Л. Бербанка.

Необходимость повторной гибридизации связана с тем, что в гибридах F\ не всегда удается получить форму с нужным сочетани­ем и выражением хозяйственно ценных признаков. Наиболее эф­фективный способ преодоления недостатков, присущих гибридам

F\, — их повторная гибридизация с сортами — донорами тех при­знаков, которые необходимо усилить.

Сорт яблони Пепин шафранный был получен И. В. Мичури­ным путем повторного скрещивания гибрида F_{ (Китайка х Пепин литовский) с сортом Ренет орлеанский.

В работе по созданию высококачественных сортов сливы ус­пешной оказалась повторная гибридизация: сорт Юбилейная со­чинская (Венгерка итальянская х Изюм Эрик) был скрещен с сор­том Ренклод Альтана. На Крымской опытно-селекционной стан­ции именно таким образом были получены сорта Кубанская ле­генда и Венгерка кавказская.

Практически все современные селекционные достижения в плодоводстве — результат повторного скрещивания гибридных форм и сортов с донорами более ценных свойств. Примером могут служить все современные сорта земляники, сорта яблони с геном ^(Либерти, Флорина, Прима, Голд раш, Интерпрайс и др.), но­вые сухофруктовые сорта сливы Баллада и Синяя птица. Много­кратная повторная гибридизация играет исключительно важную роль в современных программах, часто именно этот прием обеспе­чивает их успех.

Сибскроссы проводят для перекомбинации (перемешивания) генов, чтобы отобрать среди гибридов F_x формы с нужным сочета­нием признаков. Эти скрещивания целесообразны, когда среди гибридов F\ можно выделить формы с необходимым выражением отдельных хозяйственно ценных признаков, а также получить их оптимальное сочетание в одном генотипе. Кроме того, сибскроссы помогают уточнить некоторые параметры генетичес­ких систем признаков. Пример использования сибсов в практи­ческой селекции — сорт персика Армголлд, полученный от сибс­скрещивания сеянцев гибридной семьи Фламинго х Спрингтайм.

У плодовых растений имеются анализаторы лишь по очень ма­лому числу признаков, в основном моногенных. Пример таких анализаторов по гену (отсутствие опушения) у персика — нектари­ны; анализатором по генам окраски кожицы служат формы, не имеющие покровной окраски (яблони, груша, персик) или с жел­той окраской кожицы (черешня, слива, алыча).

Более перспективно свободное опыление гибридов F_{, чем ис­ходных форм. В гибридах F₂ наблюдается гораздо больший размах изменчивости и обеспечивается более эффективный отбор.

При переопылении гибридных сеянцев в пределах одной гиб­ридной семьи практически имеет место получение гибридов от сибсскрещиваний. При свободном переопылении с сортами, обла­дающими селекционно ценными признаками, необходимыми для улучшения признаков гибридов F_h идет процесс повторных скре­щиваний. В обоих случаях гибридное потомство F₂ перспективно для выделения более ценных для разведения гибридов, чем гибри­ды F\. Этот метод очень перспективен для селекционной практи­ки плодовых и ягодных культур.

В селекционной практике особенно часто получают гибриды F₂ от свободного опыления гибридов F\. Это практикуется при про­движении плодовых растений в северные районы. При свободном опылении гибридов F\, полученных от скрещивания северных зи­мостойких, но низкокачественных сортов с южными — высокока­чественными, но незимостойкими, часть гибридов F₂ удачно соче­тает зимостойкость и хорошее качество плодов. Например, сорта яблони селекции С. И. Исаева Северный синап — сеянец сорта Кандиль-китайка (Китайка х Кандиль синап), Память Мичури­на — сеянец сорта Шампанрен китайка (Китайка х Ренет шампан­ский), сорт сливы селекции А. Н. Веньяминова Универсальная — сеянец сорта Удача (Ренклод зеленый х Ренклод терновый).