Дрозофиланың эмбриогенезі: Даму үлгісі ретіндегі зерттеулер

Кіріспе

Жеміс шырынының эмбриогенезі Drosophila, кең таралған модельдік жүйе.

Drosophila эмбриогенезі, Drosophila (жеміс шырыны) эмбриондарының қалыптасу процесі, генетика және даму биологиясы үшін танымал модельдік жүйе болып табылады. Оның эмбриогенезін зерттеу дамудың қалай басқарылатыны туралы бір ғасырлық жұмбақты шешіп, эволюциялық даму биологиясы саласын құрды. Оның кішкентай мөлшері, қысқа өмір сүру циклы және көптеген ұрпақтар тудыру мүмкіндігі оны генетикалық зерттеулер үшін өте ыңғайлы етеді. Мөлдір эмбриондар дамуды зерттеуге мүмкіндік береді. Drosophila melanogaster 1909 жылы Томас Хант Морганның генетикалық тәжірибелер саласына енгізгені белгілі.

Өмірлік цикл

Дрозофила дамуы голометаболистік әдіспен жүреді, яғни олардың эмбриондық өмір циклінің үш ерекше кезеңі бар, әрқайсысының дене құрылысы түбірінен өзгеше: личинка, қуыршақ және соңында ересек. Бұл үш фазаның жұмыс істеуі және тегіс өтуіне қажетті механизмдер эмбриогенез кезінде қалыптасады. Эмбриогенез кезінде личинкалық сатыдағы шыбын өмірінің алғашқы личинкалық сатысы деп аталатын кезеңінде дамып, жарылады. Ересек құрылымдарды құратын жасушалар бейнелі дискілерде жиналады. Қуыршақ кезеңінде личинка денесі ыдырайды, ал бейнелі дискілер өсіп, ересек денесін құрайды. Бұл процесс толық метаморфоз деп аталады. Ұрықтанғаннан кейін 24 сағаттан соң жұмыртқадан личинка шығады, ол 5,5-6 күнге жуық үш рет түледі, содан кейін қуыршаққа айналады. Қуыршақ ересек шыбынға метаморфоздалады, бұл шамамен 3,5-4,5 күнге соқады. Жұмыртқадан ересек шыбынға дейінгі толық өсу процесі 25°C температурада 10-12 күнге жуық уақыт алады. Аналық шыбын алдыңғы-артқы және жоғарғы-төменгі біліктері аналық белсенділік арқылы анықталған ооциттерді өндіреді. Дрозофиладағы эмбриогенез модельді организмдер арасында бірегей, өйткені бөліну көп ядролы синцицийде (нақтырақ айтқанда, коэноцитте) жүреді. Бастапқыда 256 ядро жұмыртқа периметріне көшеді, синцитиалды бластодерманы құрайды. Жыныс жасушалары қалыптасқаннан кейін соматикалық жасушалардан эмбрионның артқы ұшындағы полюстік жасушалардың пайда болуы арқылы бөлінеді. Он үш митоздық бөлінуден және ұрықтанғаннан кейін шамамен 4 сағаттан соң, 6000-қа жуық ядро жасушалық бластодерманы құрайтын сары қапты қоршап тұратын плазмалық мембраналармен қапталғаннан бұрын жұмыртқа жасушасының бөлінбеген цитоплазмасында жиналады. Басқа триплобласты метазоалар сияқты, гаструляция үш жасуша қабатының қалыптасуына әкеледі: эндодерма, мезодерма және эктодерма. Мезодерма қанақтан (ВФ) ішке қарай өседі, сондай-ақ орта ішекке айналатын эктодерма да солай. Полюстік жасушалар басқа жолмен ішке қарай жиналады. Жыныс қабатының созылуы жасушалардың көптеген қайта орналасуын қамтиды, сонымен қатар үш жасуша қабатының және эмбрионның әртүрлі аймақтарының жасушаларында ерекше айырмашылықтар пайда болады. Артқы аймақ (арғы ішекті қоса алғанда) ұрықтың дорсальды жағы бойынша алдыңғы полюске қарай кеңейеді және созылады. Осы кезде эмбрионның сегменттері көріне бастайды, алдыңғы-артқы ось бойында жолақты орналасу пайда болады. Сегментацияның алғашқы белгілері осы кезеңде парасегменттік саңылаулардың пайда болуымен көрінеді. Бұл кезде де тыныс алудың алғашқы белгілері – трахеялық тесіктер пайда болады. Жыныс қабатының кері тартылуы арғы ішекті артқы полюстің дорсальды жағына қайтарады және сегментацияның айқындығымен сәйкес келеді. Қалған кезеңдерде жүйке жүйесінің (эктодерма) ішке қарай жиналуы және ішкі мүшелердің (негізінен мезодерма) қалыптасуы жүреді.

Drosophila display a holometabolous method of development, meaning that they have three distinct stages of their post embryonic life cycle, each with a radically different body plan: larva, pupa and finally, adult. The machinery necessary for the function and smooth transition between these three phases develops during embryogenesis. During embryogenesis, the larval stage fly will develop and hatch at a stage of its life known as the first larval instar. Cells that will produce adult structures are put aside in imaginal discs. During the pupal stage, the larval body breaks down as the imaginal disks grow and produce the adult body. This process is called complete metamorphosis. About 24 hours after fertilization, an egg hatches into a larva, which undergoes three molts taking about 5.5 to 6 days, after which it is called a pupa. The pupa metamorphoses into an adult fly, which takes about 3.5 to 4.5 days. The entire growth process from egg to adult fly takes an estimated 10 to 12 days to complete at 25 °C. The mother fly produces oocytes that already have anterior posterior and dorsal ventral axes defined by maternal activities. Embryogenesis in Drosophila is unique among model organisms in that cleavage occurs in a multinucleate syncytium (strictly a coenocyte). Early on, 256 nuclei migrate to the perimeter of the egg, creating the syncytial blastoderm. The germ line segregates from the somatic cells through the formation of pole cells at the posterior end of the embryo. After thirteen mitotic divisions and about 4 hours after fertilization, an estimated 6,000 nuclei accumulate in the unseparated cytoplasm of the oocyte before they migrate to the surface and are encompassed by plasma membranes to form cells surrounding the yolk sac producing a cellular blastoderm. Like other triploblastic metazoa, gastrulation leads to the formation of three germ layers: the endoderm, mesoderm, and ectoderm. The mesoderm invaginates from the ventral furrow (VF), as does the ectoderm that will give rise to the midgut. The pole cells are internalized by a different route. Germ band elongation involves many rearrangements of cells, and the appearance of distinct differences in the cells of the three germ bands and various regions of the embryo. The posterior region (including the hindgut) expands and extends towards the anterior pole along the dorsal side of the embryo. At this time, segments of the embryo become visible, creating a striped arrangement along the anterior posterior axis. The earliest signs of segmentation appear during this phase with the formation of parasegmental furrows. This is also when the tracheal pits form, the first signs of structures for breathing. Germ band retraction returns the hindgut to the dorsal side of the posterior pole and coincides with overt segmentation. The remaining stages involve the internalization of the nervous system (ectoderm) and the formation of internal organs (mainly mesoderm).

Дрософиланың алдыңғы-арқалық осьтік үлгісі

Үлгілердің қалыптасуының ең жақсы түсінілген мысалдарының бірі – Drosophila melanogaster жеміс шырынының болашақ бас-құйрық (антеро-постериорлық) осі бойымен қалыптасуы. Шырынның даму құрылымын қамтамасыз ететін үш негізгі ген түрі бар: аналық эффект гендері, сегментация гендері және гомеотикалық гендер. Drosophila-ның дамуы ерекше жақсы зерттелген, және ол жануарлардың маңызды класының – жәндіктердің өкілі болып табылады. Басқа көпжасушалы организмдер кейде осьтерді қалыптастыру үшін ұқсас механизмдерді пайдаланады, бірақ көптеген дамушы организмдердің ең алғашқы жасушалары арасындағы сигнал алмасудың маңыздылығы мұнда сипатталған мысалға қарағанда жоғарырақ.

Аналық әсер гендері

Дрозофиланың алдыңғы-артқы ось құрылысы жұмыртқаның қалыптасуы кезінде (оогенез), жұмыртқаның ұрықтанбас бұрын және қойылмас бұрын қалыптасады. Аналық эффект гендері жұмыртқа мен эмбрионның полярлығына жауапты. Дами жұмыртқа (ооцит) әртүрлі орналасқан мРНК молекулаларымен поляризацияланады. Бұл мРНК-ны кодтайтын гендер, аналық эффект гендері деп аталады, олар ұрықтанғаннан кейін концентрация градиенттерін құру үшін трансляцияланатын ақуыздарды кодтайды. Бикоид және Хунчбек – Дрозофила эмбрионының алдыңғы бөліктерінің (бас және кеуде) пішінін қалыптастыру үшін маңызды аналық эффект гендері. Нанос және Каудал – Дрозофила эмбрионының артқы құрсақ сегменттерін қалыптастыру үшін маңызды аналық эффект гендері. Бикоид мутант аналарынан туған эмбриондарда бас және кеуде құрылымдары құрсаққа айналады, нәтижесінде екі басында артқы құрылымдары бар эмбрион пайда болады, бұл өлімге алып келетін фенотип. Жалпы, ооцит ядросының орналасуындағы айырмашылық, оны қоршаған фолликул жасушаларының сигналдық күйіндегі айырмашылыққа айналады, содан кейін олар пайда болған бластодерма ядроларына сигнал береді. Ядроға енгеннен кейін, Дорсал өз ядролық концентрациясына байланысты әртүрлі гендерді белсендіреді. Бұл процесс бластодерма эмбрионының құрсақ және арқа жақтары арасында градиент құрады, ал Дорсалдың мақсатты гендерін басу немесе индукциялау дифференциалды түрде реттеледі. Эмбрионың құрсақ жағында жоғары концентрациядағы Дорсалға ұшыраған бластодерма ядролары твист және шұңқыр транскрипциялық факторларының транскрипциясын тудырады, ал зеркнульт және декапентаплагиканы басады. Бұл мезодерманың қалыптасуына әкеледі. Эмбрионың бүйірлік аймақтарында Дорсалдың төмен ядролық концентрациясы болашақ нейроэктодерманы анықтайтын ромбоид экспрессиясына әкеледі. Арқа жағында белсенді Dpp сигналдауы ромбоидты басады, осылайша оны бластодерманың бүйірлік ядроларымен шектейді. Эмбрионың арқа жағында ядролық Дорсал ақуызы аз немесе мүлдем жоқ бластодерма ядролары зеркнульт, толоид және декапентаплагикалық (Dpp) экспрессиясын көрсетеді. Бұл нейроэктодерма емес эктодерманың спецификациясына және кейіннен бластула сатысында амиосерозаға әкеледі. TGFβ отбасының сигналдық ақуызы Dpp-ның құрсақ белсенділігі нейроэктодермадағы бөлінген Dpp антагонистінің (қысқа гаструляция) экспрессиясымен сақталады. Sog құрсақ жағына Dpp-ның таралуын байланыстырып, оған жол бермейді, сонымен қатар Толоид арқылы Sog-тың ыдырауы арқа жағындағы Dpp градиентін күшейтеді. Дрозофиланың құрсақ-арқа осьі екі градиенттің өзара әрекеттесуіне байланысты: ядролық Дорсалдың құрсақ концентрациясы және Dpp белсенділігінің арқа концентрациясы.

The building blocks of anterior posterior axis patterning in Drosophila are laid out during egg formation (oogenesis), well before the egg is fertilized and deposited. The maternal effect genes are responsible for the polarity of the egg and of the embryo. The developing egg (oocyte) is polarized by differentially localized mRNA molecules. The genes that code for these mRNAs, called maternal effect genes, encode for proteins that get translated upon fertilization to establish concentration gradients that span the egg. Bicoid and Hunchback are the maternal effect genes that are most important for patterning of anterior parts (head and thorax) of the Drosophila embryo. Nanos and Caudal are maternal effect genes that are important in the formation of more posterior abdominal segments of the Drosophila embryo. In embryos from bicoid mutant mothers, the head and thoracic structures are converted to the abdomen making the embryo with posterior structures on both ends, a lethal phenotype. Overall, a difference in the localization of the oocyte nucleus becomes a difference in the signaling state of the surrounding follicle cells which then signal to the resulting blastoderm nuclei. Once in the nucleus, Dorsal activates different genes depending upon its nuclear concentration. This process sets up a gradient between the ventral and dorsal side of the blastoderm embryo with the repression or induction of Dorsal target genes being differentially regulated. At the ventral end of the embryo, blastoderm nuclei exposed to high concentrations of dorsal protein induce the transcription of the transcription factors twist and snail while repressing zerknüllt and decapentaplegic. This results in the formation of the mesoderm. In the lateral regions of the embryo, low nuclear concentrations of Dorsal lead to the expression of rhomboid which identifies future neuroectoderm. More dorsally, active Dpp signaling represses rhomboid thus confining it to the lateral blastoderm nuclei. At the dorsal side of the embryo, blastoderm nuclei where this is little or no nuclear dorsal protein express zerknüllt, tolloid, and decapentaplegic (Dpp). This leads to the specification of non neural ectoderm and later in the blastula stage to anmioserosa. The ventral activity of the TGF β family signaling protein Dpp is maintained by the expression of the secreted Dpp antagonist Sog (short gastrulation) in the neuroectoderm. Sog binds to and prevents Dpp from diffusing to the ventral side of the embryo and through the cleavage of Sog by Tolloid also enables a sharpening of the Dpp gradient on the dorsal side. The DV axis of Drosophila is due to the interaction of two gradients – a ventral concentration of nuclear Dorsal and a dorsal concentration of Dpp activity.