Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция

Глава 8

Гомеозис в онтогенезе и филогенезе

Действие генов теснейшим образом связано с онтогенезом, и эта их связь выявляется при возникновении мутаций, которые резко прерывают развитие организма. Существуют, однако, мутации другого класса, которые изменяют процесс онтогенеза, но не прерывают его. Это гомеозисные мутации. На важную роль и теоретическое значение этого рода изменения развития впервые указал Уильям Бэтсон (William Beateson) в своей книге «Материалы к изучению изменчивости», опубликованной в 1894 г. Его соображения при создании термина «гомеозис» и определение этого термина все еще сохраняют силу и привлекают внимание к наиболее существенным чертам этой концепции.

«Превращение антенны насекомого в ногу, глаза ракообразного - в антенну, лепестка - в тычинку и тому подобное - все это примеры одного рода. Желательно и даже необходимо, чтобы такие изменения, состоящие в том, что один из членов ряда меристических структур принимает форму или приобретает признаки, свойственные другим членам ряда, были выделены в особую группу явлений ... Поэтому я предлагаю ... термин гомеозис , ..., поскольку главное здесь не в том, что произошло некое изменение, а в том, что одно, изменившись, приобрело сходство с чем-то другим».

Затем Бэтсон переходит к перечислению примеров гомеозисных изменений у столь различных организмов, как млекопитающие и кольчатые черви. Если говорить о млекопитающих, то описано, например, несколько редких особей вымерших неполнозубых, у которых в крестцовом отделе позвоночника обнаружены позвонки, похожие на грудные. Гораздо чаще, однако, гомеозисные изменения встречаются у членистоногих - животных, целиком построенных из ряда метамерных сегментов; а из членистоногих больше всего сведений о типах и механизмах гомеозиса получено на насекомых.

Остатки некоторых из древнейших вымерших насекомых найдены в слоях, относящихся к каменноугольному периоду. У этих насекомых, как и у современных крылатых насекомых, было четыре крыла, сходные по морфологии с крыльями ныне живущих видов. В отличие от современных насекомых у них была, кроме того, пара крыловидных придатков, или паранотальных лопастей, отходящих от спинки первого грудного сегмента. Эти лопасти считались возможным свидетельством того, что крылья возникли как выступающие наружу складки интегумента. Они могли первоначально служить органами, помогающими насекомому планировать. Примитивные признаки - расположение крыльев на втором и третьем грудных сегментах и наличие паранотальных лопастей - у современных насекомых отсутствуют. Однако они могут возникать в результате гомеозисной мутации у таракана Blattella germanica. Росс (Ross) описал у этого примитивного насекомого наследственную мутацию Prowings, вызывающую развитие крылоподобных придатков на спинке переднегруди. Сходное гомеозисное изменение описал Гершкович (Herskowitz) у Drosophila melanogaster.

Другая сцепленная с полом рецессивная мутация labiopedia описана у хрущака Tribolium confusum. У особей, гомо- или гемизиготных по этой мутации, лабиальные щупики превращаются в грудные ноги. Такое превращение наблюдается как на личиночной, так и на взрослой стадии (рис. 8-1). При этом происходит полная перестройка, вплоть до развития мускулатуры, обычно имеющейся у ног. Однако эти мышцы, очевидно, лишены иннервации, так как лабиальные ноги неподвижны.

Рис. 8-1. Головы нормальной (Б) и мутантной - labiopedia, (А) особей хрущака Tribolium confusum со спинной стороны. Показаны элементы ротовых частей, превращающиеся у мутантных особей в конечность. Дистальные части нормальных губных элементов (щупик и пальпигер) превращаются в обычную ногу с вертлугом на проксимальном конце и тарзальными коготками на дистальных концах (Daly, Sokoloff, 1965).

Более резко выраженные трансформации наблюдаются у тутового шелкопряда Bombyx mori (чешуекрылые). У этого насекомого имеется комплекс мутаций, известных под названием серии E-аллелей (Extra legs). Его гусеница обладает очень своеобразной морфологией: за темно окрашенной головой с находящимися на ней глазами следуют три грудных сегмента, несущие членистые ножки. На спинной стороне второго грудного сегмента имеется темное глазчатое пятно. Брюшко состоит из восьми сегментов, за которыми следует концевой хвостовой сегмент. Брюшные сегменты 3-6 и хвостовой сегмент снабжены мясистыми ходильными ножками. На спинной поверхности второго брюшного сегмента имеется пигментное пятно в форме полумесяца, а на спинной поверхности пятого - пятно в форме звезды. Морфология гусеницы дикого типа показана на рис. 8-2, А. Доминантные мутантные аллели Е-серии вызывают перемещение этих пятен на другие сегменты. Так, у особей, гетерозиготных по мутации EEl (Extra Crescents and legs), голова и грудь такие же, как у дикого типа, но в отличие от последних на первом и втором брюшном сегментах у них имеются ходильные ножки, а на третьем грудном и первом брюшном - пигментные пятна в форме полумесяца. Мутация EN (Extra legs - New additional crescent) вызывает появление полумесяца на третьем и звезд - на шестом, седьмом и восьмом брюшных сегментах; на пятом брюшном сегменте звезда исчезает. Эти модификации можно объяснить как результаты изменения индивидуальностей (специфических особенностей) брюшных и грудных сегментов (как на спинной, так и на брюшной их сторонах). В наиболее резкой форме эти изменения проявляются у гомозигот по упомянутому выше аллелю EN. Такой генотип детален и приводит к гибели у личинок ранних личиночных возрастов. Морфология особей EN/EN показана на рис. 8-2, Г. Все брюшные сегменты превращены у них в грудные сегменты, снабженные членистыми конечностями, характерными для этих метамеров.

Рис. 8-2. Нормальная и мутантная личинки тутового шелкопряда Bombyx mori. А. Нормальная личинка пятого возраста: от первых трех сегментов отходят пигментированные ходильные ноги; на дорсальной поверхности второго и пятого брюшных сегментов имеются пигментированные пятна, а от вентральной поверхности брюшных сегментов 3-6 отходят мясистые ходильные ноги. Б. Личинка пятого возраста, гетерозиготная по доминантной мутации ЕEl (Extra crescents and legs). Обратите внимание на добавочные серповидные пятна на третьем грудном и первом брюшном сегментах и на наличие ходильных ног на двух первых брюшных сегментах. Создается впечатление, что два первых брюшных сегмента и третий грудной сегмент приобрели некоторые признаки задних брюшных сегментов. В. Личинка пятого возраста, гетерозиготная по доминантной мутации EN (Extra legs new additional crescent), у которой наблюдаются сходные изменения пигментации на дорсальной стороне тела, но нет изменений на вентральной стороне. Г. Поздний зародыш, гомозиготный по аллелю EN. Обратите внимание на наличие грудных ног на большей части брюшных сегментов; у нормальных особей такие придатки имеются только на первых трех сегментах тела (грудных) (Tanaka, 1953).

Гомеозисные мутации, аналогичные наблюдаемым у жуков и бабочек, обнаружены также у двукрылых - насекомых, достигших наиболее высокого развития. Мутации ВХ-С (Bithorax Complex) Drosophila melanogaster приводят к таким же изменениям сегментов, как и мутации Е-аллелей. У взрослых особей дрозофилы, гомозиготных по двум рецессивным мутациям, bx (bithorax) и pbx (postbithorax), обнаружены удивительные изменения, показанные на рис. 8-3. Подобно всем двукрылым, дрозофила обладает лишь одной парой крыльев, отходящих от второго грудного сегмента взрослой особи. Вторая пара крыльев, располагающаяся у других крылатых насекомых на третьем грудном сегменте, у них редуцировалась до маленьких утолщений, называемых жужжальцами или органами равновесия. У двойных мутантов bx pbx эти жужжальца превращаются в крылья. Кроме того, у взрослой мутантной особи третий грудной сегмент, который у дрозофилы обычно бывает довольно маленьким, становится похожим на большой второй грудной сегмент.

Рис. 8-3. Нормальная (А) и мутантная (Б) взрослые особи дрозофилы. Гомеозисные мутации (bx3pbx/Ubx) вызьшают превращение обычно небольшой спинки заднегруди и жужжалец в хорошо заметную среднегрудь и вторую пару крыльев.

У дрозофилы встречается также ряд мутаций, превращающих ротовые части в другие структуры. Эти гены составляют другой генный комплекс ANT-C (Antennapedia Complex). При мутации pb (proboscipedia) у дрозофилы, так же как и при мутации labiopedia у хрущака, лабиальные щупики превращаются в ходильные ноги. Однако некоторые аллели proboscipedia вызывают превращение щупиков в антенны (рис. 8-4). Другая доминантная мутация Antp (Antennapedia) вызывает превращение, которое упоминается в первоначальном бэтсоновском определении гомеозиса. При этом антенны у взрослой мухи превращаются в полностью сформированные ноги, отходящие от головы мухи в стороны (рис. 8-4). Задача, конечно, состоит в том, чтобы, не ограничиваясь простым перечислением этих дефектов, попытаться объяснить, как возникают эти кажущиеся магическими изменения.