5.2: Організатори-Інші Організатори

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3383

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Організатори

Однією з найцікавіших речей про побудову тіл тварин є різноманітність, яку ми бачимо в тілах і всередині них. Наприклад, незважаючи на те, що малюнок гена Хокса у плодових мух та мишей дуже схожий, кінцеві результати (доросла миша або доросла муха) надзвичайно різні. Ми бачимо інтригуючу різноманітність в тілах, а також. Наприклад, грудний сегмент у плодової мухи може виражати один ген Хокса через сегмент, але частини цього сегмента набувають багатьох різних форм. Значна частина цієї диференціації керується місцевими організаторами та генами майстра контролю. Це локально виражені гени, які часто виражаються в багатьох сегментах в подібних плямах. Залежно від гена Хокса, вираженого в цьому сегменті, вони активують різні частини тіла. Наприклад, пізніше ми розглянемо гени контролю майстра крила - ці гени будують крила в грудних сегментах і різних структурах, як джин-пастки, в інших сегментах. Тип крила - надкрила, халтер, літаюче крило і т.д. також залежить від положення сегмента в тілі і виду, в якому він виражається. Наприклад, бабки мають два літаючих крила, в той час як перше крило у жука - захисний надкрило, а друге крило у мухи - проприоцептивний орган.

Цей тип програмування відомий як послідовна гомологія. Ми повернемося до цієї концепції пізніше, але це концептуально важлива ідея в Evo-Devo. Серійні гомологи - це особливий тип гомолога, де той же тип тканини, що виражає основний набір генетичних регуляторів (організатор), знаходиться в декількох плямах вздовж осі тіла. Одним з простих для розуміння прикладів серійних гомологів є руки і ноги. У розвитку вони майже ідентичні для першої частини свого зростання, суттєві відмінності лише пізніше. Вони виражають одні й ті ж гени ядра кінцівок (як ми незабаром розглянемо) і мають однакові кістки, нехай і в дещо іншій формі. Серійні гомологи неймовірно важливі в нашому розумінні еволюції, оскільки вони генетично «дешеві», оскільки вони використовують ту саму мережу регулювання основних генів, але вони можуть забезпечити нові функції, подібні до використання інструментів плюс локомоція. Доля серійного гомолога часто залежить від генів Хокса, які виражені в області серійного організатора гомолога.

На виходи органайзера впливає не тільки код Hox, вони також можуть самі налаштувати код Hox (як у випадку з Nanos та Bicoid) або можуть встановити іншу вісь (наприклад, дорсовентральну вісь жаби або передньо-задню вісь кінцівки). Тепер, коли ви твердо розумієте генні регуляторні мережі, ми можемо придивитися до відомого вже розглянутого нами організатора - організатора жаб'ячої гаструли Spemann-Mangold.

Генетика організатора Спеманна-Мангольда і нотоакорд

Якщо вам потрібно швидко освіжити організатор Spemann-Mangold, ознайомтеся з розщепленням та гаструляцією. Коротко, організатор Spemann-Mangold - це мезодерма, знайдена в положенні сірого півмісяця, спинного полюса зародка жаби (або тритона). Цей органайзер у міру розвитку в нотохорду індукує утворення спинних структур на зразок центральної нервової системи і хребта. Земноводні з додатковим органайзером Spemann-Mangold вирощують другу вісь A/P (з'єднані близнюки пуголовків), а амфібії, які не вистачає організатора Spemann-Mangold, розвиваються в «шматок живота».

Використовуючи генетику, ми можемо пояснити два величезних питання: 1) Що змушує організатора розвиватися? і 2) Як він індукує утворення спинних структур? Першим кроком у формуванні органайзера є саме обертання корки, як показано на малюнку 1 Кортикального обертання. При корковому обертанні мікротрубочки обертають зовнішню кору заплідненої яйцеклітини щодо внутрішньої маси. Вегетальний полюс має кілька локалізованих білків і мРНК, прив'язаних до його цитоскелету. У внутрішню масу сюди входять VegT і Vg1 ^7,8. Зовнішня кора має вегетально локалізований білок розпатланий (Dsh), компонент шляху Wnt, який транспортується до полюса тварини під час коркового обертання ⁹. Зсув Dsh створює нову зону - частину ембріона з Dsh, але немає Vg1 або VegT (рис. 8) ¹⁰. Dsh допомагає локалізувати і стабілізувати b-катенін, фактор транскрипції канонічного шляху WNT. Тепер у нас є Vg1 і VegT на рослинному полюсі і Dsh і b-катенін на майбутньому спинному кінці.

Малюнок 8: Генетика організатора Спеманна-Мангольда. Материнські білки встановлюють вісь тварини/рослинності в незаплідненій яйцеклітині, включаючи VegT і Vg1 у внутрішній корі вегетального полюса (помаранчевий). Після запліднення коркове обертання призводить білок зовнішньої кори рослинного полюса Розпатланий (Dsh, зелений) в контакт з внутрішньою корою тварин, стимулюючи накопичення b-катеніну в спинних клітині. Рослинні полюсні білки активують експресію TgFb (BMP) і Nodal. Вузловий перетворює сусідні вузлові клітини в мезодерму (червону), в результаті чого утворюється смуга мезодерми трохи вище рослинного полюса. Тим часом b-катенін підсилює вузлову експресію в самій спинній частині ембріона - в результаті чого висока вузлова експресія у спинній вегетативній внутрішній корі. Це, плюс b-катенін, керує експресією генів-організаторів, таких як Chordin і Noggin, одночасно пригнічуючи вентральні долі мезодерми, як м'язи. Хордін і Ноггін вказують нотохорду, яка буде подовжувати і індукувати спинну ектодерму (вся ектодерма синя), яка лежить над нею, щоб стати нейректодермою. BMP пригнічує організаторську активність на вентральній стороні ембріона, зокрема черевна ектодерма буде утворювати шкіру, а не нейректодерму. Сама нотохорда має провідний (передній) і відстаючий (задній) край, які виражають різні гени і будуть індукувати різні частини центральної нервової системи.

Редагований файл svg цього малюнка доступний за адресою https://scholarlycommons.pacific.edu/open-images/27/

У міру розщеплення VegT і Vg1 індукують експресію вузлового (зокрема, білка, пов'язаного з вузлом Xenopus або Xnr) у самих рослинних клітинок. Ці клітини стануть ентодермою. Вузловий, гомолог TgFb, сигналізує сусіднім клітинам, не вистачає Вузлових (Nodal- клітини), ці клітини стануть мезодермою. Вузлова експресія також індукується b-катеніном. Це робить градієнт Вузловий, який вище на спинній стороні, де він індукується VegT і Vg1, а також b-катеніном. У той час як b-катенін стабілізується в широкому діапазоні спинної тканини, вузлова експресія обмежується вегетативною стороною ембріона, де вона виражена по всьому, але найвища, де присутній b-катенін (рис. 8). Там, де вузлова сигналізація зустрічається з мезодермальними клітинами з високим b-катеніном, ми бачимо експресію нової сукупності генів - організатора генів Хордіна, Ноггіна, Frizzled і багато іншого (рис. 8) ¹¹.

Ці гени організатора є факторами транскрипції та членами шляхів трансдукції сигналу. Деякі з них вказуватимуть організатор мезодерми як «спинний» (нотохорди та соміти), а деякі з них будуть сигналізувати вищерозташованій ектодермі під час гаструляції і вказують її як «нейронну», а не епідермальну. Фізична механіка цього процесу захоплююча, і ми можемо вивчити їх пізніше, якщо вам цікаво, а поки я зосереджуся саме на генетиці і коротко підсумую рухи тканин. Як ви бачили раніше, клітини мезодермального органайзера піддаються інволюції на спинній губі бластопора і повзають по вищерозташованим ектодермальним клітинам, утворюючи під ними товстий шар. Більшу частину мезодерми в гаструлюючому ембріоні експресує BMP4, сімейство TgFb, що виділяється білком. Цей BMP4 сигналізує вищестоячій ектодермі, щоб стати епідермісом. Однак організатор висловлює антагоністи BMP4, як Chordin і Noggin ¹². Це змушує ектодерму над органайзером мезодерми взяти на себе нервові долі.

Сам організатор не є однорідною структурою, він складається з декількох клітинних популяцій, які виражають різні сигнальні гени та фактори транскрипції. Наприклад, передній край організатора (частина, яка буде інвагінувати першою і стане переднім самим нотохордом) виражає антагоніст Wnt і BMP4 під назвою Cerberus ¹³. Цербер та інші гени переднього краю визначають передні частини нотохорди через генні регуляторні мережі, що в кінцевому підсумку призведе до експресії гена переднього мозку Otx2 ¹⁴ у вищерозташованій ектодермі. Клітини-органайзери за цим переднім краєм виражають секретовану сигнальну молекулу FGF, яка рухає експресією гена середнього мозку Krox20 в ектодермі над ним. І Otx2, і Krox20 допомагають зробити шаблон експресії гена Hox разом з іншими генами-організаторами, вираженими в передньо-задньому шаблоні в нотохорді ¹⁴. Таким чином нотохорда здатна направляти передньо-задній малюнок нервової трубки (рис. 8).

Інші організатори

Існує безліч інших організаторів біології розвитку, і їх фундаментальні властивості дають нам уявлення про генетику еволюції. Вони уточнюються зовнішніми факторами, наприклад перетином вузлово-суміжних і b-катенінекспресіруючих клітин в органайзері Спеманна-Мангольда. Вони діють на інші тканини через секретовані сигнальні молекули, наприклад, хордин, що інгібує BMP4 для визначення нейректодерми. А їх активність на інших тканині може змінюватися з часом і/або простором, наприклад здатність нотохорди індукувати як передню, так і задню нервову систему структур.

Нотохорда має третю організаційну активність на ектодермі (не кажучи вже про організаційну діяльність на мезодермі), це малювання осі D/V нервової трубки. Під час гаструляції ектодерма, що лежить над нотохордою, реагує на сигнали від неї, щоб згорнутися в трубку і опускається під епідермісом. Ця трубка поляризується в спинну сторону (близько до вищерозташованої епідермісу) і вентральну сторону (близько до нотохорди). Сигнал Shh від нотохорди приводить в дію секрецію Shh з черевної сторони. Цей градієнт Shh виступає проти спинного BMP (сімейство TgFb) градієнта, ініційованого епідермальною сигналізацією (рис. 9).

Ці два протилежні градієнти призводять до градієнтів активних факторів транскрипції, що реагують на ці шляхи трансдукції сигналів, і експресії генів з цис-регуляторними елементами, що реагують на ці транскрипційні фактори (рис. 9) ¹⁵. Le Dreu та Marti називають 11 різних доменів, ідентифікованих унікальною експресією фактора транскрипції та нейрональним підтипом ¹⁵.

Ще один відомий організатор - це той, з яким ви зіткнулися в Intro Bio: органайзер кінцівок тетрапод. Це двокомпонентний органайзер, з довгим тонким полотном клітин в самій дистальній точці кінцівки, що виражають і виділяють сприяють зростанню ФГФ, і крайньою задньою точкою кінцівки, що виражає Їжак Соника (Шх, рис. 10). FGF частина кінцівки називається верхівковий ектодермальний хребет. Саме сигнальний центр утримує кінцівку, додаючи більше дистальних елементів на кінець. Таким чином в першу чергу розвиваються більш проксимальні елементи, такі як плечова і лікоть. Більше дистальних елементів, таких як передпліччя, зап'ястя та руки, лягають пізніше. Цікаво, що ця система, здається, знаходиться на таймері, а не строго просторово візерунком. Якщо поділ клітин гальмується на середині розвитку руки, променева, ліктьова кістка та плечова кістка можуть бути невеликими або відсутніми, з нормально пропорційною рукою та плечовим поясом. Це виглядає дещо схоже на розрив мутанта у дрозофіл, хоча механізм розвитку зовсім інший.

Малюнок 10: Організатор кінцівок чотириногого. Верхівковий ектодермальний хребет (AER, червоний) виділяє FGF, які підтримують проліферацію нижніх клітин і підтримують сигналізацію Shh із зони поляризаційної активності (ZPA, синій). Білок Shh, що виділяється з клітин ZPA, утворює градієнт вздовж осі A/P (великого пальца/мізинець) кінцівки. Low/no Shh визначає долі великого та вказівного пальців, високий Shh визначає мізиневі та безіменні долі пальців. Що станеться, якщо ми додамо Shh на іншу сторону розвиваючої кінцівки? Зображення від користувача Вікісховища Peteruetz за ліцензією CC BY-SA 3.0

Сигнальний центр Shh - справжній організатор. Він не тільки виділяє сигнальну молекулу, як AER, але ця сигнальна молекула діє градуйовано. Високі рівні Шг призводять до розвитку задніх елементів кінцівки, таких як променева або мізинець, тоді як низькі рівні призводять до розвитку середніх елементів, як середні пальці, а відсутність Шх призводить до передніх елементів, таких як великий палець.

Взагалі, каскади трансдукції сигналу та транскрипції факторів відповідають за більшу частину малюнка ембріона, що розвивається. Це дає нам великий натяк на те, як еволюція може діяти на розвиток, щоб змінити морфологію дорослих. Невеликі зміни кількості або розташування морфогену можуть мати великий вплив на дорослу людину. Той самий «інструментарій» генів зберігається в еволюції, але також використовується повторно в різних контекстах. Наприклад, роль Shh у формуванні шаблону центральної нервової системи, а також ваших рук. Це повторне використання елементів набору інструментів у нових контекстах дає їм нові функції - залежно від виявлених там локальних активаторів та репресорів, генів шляху трансдукції сигналу, а також епігенетичних хромосомних модифікацій, які вже присутні. Поки ми в основному зосередилися на градієнтах та органайзерах у візерунках, але в Patterns ми розглянемо пару інших способів візерунка ембріона.