Рудольф Рэфф - Эмбрионы, гены и эволюция

Некоторые особи, использованные для пересадок и операций с глазными пузырями, достигали половозрелости. Это позволило установить, что экспериментально ослепленные особи фертильны, тогда как особи е/е, которым пересаживали нормальные глаза, оставались стерильными. Следовательно, стерильность не вызывается просто отсутствием глаз. Кроме того, ван Дейзен сумел показать, что в яичниках мутантных особей (е/е), пересаженных нормальным особям, происходил оогенез. Дальнейшими экспериментами по пересадке было установлено, что стерильность обусловлена дефектом мутантного гипоталамуса и его неспособностью индуцировать выделение передней долей гипофиза гонадотропных гормонов. Зачаток гипоталамуса, находящийся в головной нейральной эктодерме, непосредственно примыкает к зачатку глаза. Возможно поэтому, что нарушение функции этого эктодермального органа вызвано той же неспособностью реагировать на индукцию, которая обнаружена при образовании глаз и представляет собой результат прямой плейотропной активности гена eyeless в эктодермальных клетках, дающих начало и глазу, и гипоталамусу.

В обоих описанных выше случаях заключение о существовании индуктора и его воздействии на реагирующую ткань выводится на основании морфогенетических особенностей каждой системы. К сожалению, конкретных данных о природе индукторов и о способах их действия очень мало. Однако в одном случае мы располагаем более определенной информацией. Речь идет о мутантном гене, оказывающем влияние на развитие половых признаков у млекопитающих, - о локусе Tfm (Testicular feminization locus). У человека, мышей и крыс этот ген наследуется как сцепленный с полом. Есть также данные о поведении этого гена у собак и быков. Самки, гетерозиготные по мутантному гену, т. е. Tfm/+ , по существу, нормальны, но половина их генотипически мужских потомков ( Tfm/Y ) имеют женский фенотип и при этом стерильны. Для того чтобы понять механизм действия этого гена, следует вспомнить, что у всех млекопитающих пол зародыша в начале развития еще не детерминирован. До того как произойдет развитие гонад и у зародышей XX, и у зародышей XY, имеются системы как вольфова протока (мужская), так и мюллерова канала (женская), а также недифференцированный мочеполовой синус. У зародыша с генотипом XX вольфовы протоки дегенерируют, мюллеровы каналы образуют фаллопиевы трубы, матку и влагалище, а мочеполовой синус - женские наружные половые органы. Эта морфогенетическая программа представляет собой, так сказать, исходный этап, который имеет место даже в отсутствие яичников, например у кастрированного самца. В отличие от этого у зародышей XY из зачатка гонады быстро развиваются семенники, которые рано начинают синтезировать и секретировать тестостерон. Затем этот гормон активно способствует развитию первичных мужских половых признаков, индуцируя образование из вольфова протока семявыносящего протока, семенных пузырьков и семяизвергающего канала, а из мочеполового синуса - образование наружных мужских половых органов. Кроме того, имеющиеся в семенниках клетки Сертоли секретируют фактор, вызывающий регрессию мюллерова канала. Изучение развития «самцов» Tfm -мышей, проведенное Оно (Ohno), а также Лайон (Lyon) и ее сотрудниками, показало, что мутация Tfm подавляет способность всех тканей самца реагировать на андрогены и таким образом, из-за устранения влияния андрогенов, развитие идет по пути самки. Установлено, что в крови мышей Tfm/Y содержится достаточное количество тестостерона и что их семенники продуцируют фактор, вызывающий рассасывание мюллерова канала. Поэтому такие особи не просто имитируют кастрированных самцов. Кроме того, введение им больших доз экзогенного тестостерона не ослабляет нарушения развития, вызываемого мутацией Tfm. Оно и Лайон показали также, что, вводя нормальным и кастрированным самцам мышей тестостерон, можно заставить их почки продуцировать в больших количествах фермент алкогольдегидрогеназу, тогда как у почек Tfm -«самцов» такую реакцию вызвать не удается. Следовательно, отсутствие реакции на андроген не ограничено лишь половыми органами, а затрагивает и те органы, которые одинаковы у обоих полов. Дальнейшим подтверждением этому служит тот факт, что у «мужчин» с мутацией Tfm при половом созревании не вырастают волосы в подмышечных впадинах и на лобке, как это обычно происходит у человека в качестве нормальной реакции на повышение уровня гормонов на этой стадии развития.

Как показали Оно, а также Мейер (Meyer) и его сотрудники в основе этого дефекта лежит отсутствие специфического белка, служащего рецептором тестостерона, который, по-видимому, содержится во всех тканях особей как мужского, так и женского пола. У особей Tfm/Y этот рецептор не синтезируется. Известно, кроме того, что у самок Tfm/+ этот рецептор продуцируется только в половине клеток вследствие инактивации Х-хромосомы, описанной Лайон. Очевидно также, что, хотя у особей женского пола рецептор андрогена образуется, для их нормального полового развития наличие его необязательно. Лайон создала самца мыши, происходящего от четырех родительских особей, сращивая бластоцисты +/Y и Tfm/Y по методу, изображенному на рис. 4-17. Некоторые из полученных таким образом химерных самцов оказались фертильными и передавали своим потомкам Х-хромосому, несущую мутацию Tfm. Благодаря этому Лайон смогла создать гомозиготных самок Tfm/Tfm. Такие самки нормальны во всех отношениях и фертильны, свидетельствуя тем самым, что нормальное половое развитие самки может происходить в отсутствие продукта гена Tfm.

Примеры мутаций Testicular feminization у млекопитающих и eyeless и cardiac lethal у аксолотлей демонстрируют неразрывную связь генов с морфогенезом отдельных органов и систем органов на ранних и относительно поздних стадиях развития. Важная роль генов этого типа в эволюции была проиллюстрирована в гл. 6 на примере слепой рыбы, обитающей в пещерах. Генетические изменения, вызывающие слепоту пещерной рыбы и отсутствие глаз у аксолотлей, негомологичны, и это служит иллюстрацией еще одной особенности генетической регуляции развития. Развитие любого органа или системы органов определяется не одним геном, а группой генов - заключение, выведенное также в результате изучения у дрозофилы мутаций Notch и shibire, вызывающих почти идентичные нарушения на сходных стадиях онтогенеза. Кроме того, экспрессия подобного рода генов, обладающих широким спектром действия, может модифицироваться разнообразными генетическими изменениями, в том числе изменениями генетического фона и включением в развивающуюся систему новых генов. Таким образом, формирование организма и входящих в него органов - результат координированных комплексов активностей и взаимодействий генов. Эволюционный процесс может использовать возникающие в разных пунктах этих комплексов пертурбации, каждая из которых может привести к морфологическому изменению. Следует также указать, что, хотя в сумме все эти комплексы генных активностей образуют гармоничное целое, связь между ними может и нарушаться. Мутации могут изменять один процесс развития независимо от других, создавая диссоциабельность, столь необходимую для морфологической эволюции.