Пестики-тычинки

Обратите внимание, что мутации каждого гена затрагивают два соседних круга органов цветка.

Придумать модель взаимодействия генов довольно сложно, но ученым это удалось. Так как мутация каждого гена затрагивает два соседних круга органов цветка, то логично предположить, что активность каждого гена захватывает два круга. Продукт гена A образуется там, где закладываются чашелистики и лепестки; продукт гена B — в кругах, где образуются лепестки и тычинки; а продукт гена C — в кругах тычинок и пестиков.

Следующим было предположение, что продукты генов A и C (обозначим их A и C) — антагонисты: там, где присутствует A, не образуется C, и наоборот. Если один из них не работает — другой «захватывает» его территорию в цветке.

Задание 1.

На самом деле за идентичность каждого круга органов отвечает не один ген, а несколько, то есть надо говорить не о трех мутациях, а о трех классах мутаций, не о генах А, В и С, а о генах из классов А, В и С.

Модель взаимодействия генов из классов A, B и C получила название АВС-модели, или «войны кругов», см. рис. 1 (подробнее модель описана в Послесловии).

Рис. 1. A (зеленый цвет) — область действия генов класса A; B (голубой цвет) — область действия генов класса B; C (желтый цвет) — область действия генов класса C

Задание 2.

Если не работают гены классов A и B, то продукты генов класса C захватывают всю территорию; во всех кругах цветка образуются пестики (рис. 2, справа вверху). Если не работают гены классов B и C, то цветок состоит из одних чашелистиков (рис. 2, справа, второй сверху).

Логично предположить, что продукты генов класса B отвечают за развитие лепестков (при взаимодействии с продуктами генов класса A) и тычинок (при взаимодействии с продуктами генов класса C). Но к каким последствиям приведет активность генов только одного класса B без взаимодействия с другими генами — понять из условий задачи нельзя. Оказалось, что на месте чашелистиков у таких мутантов развиваются листья, а на месте тычинок и лепестков — органы промежуточного строения (лепестки, тычинки и мозаичные органы, составленные тканями как лепестков, так и тычинок); на месте пестика у таких мутантов закладывается новый цветок (рис. 2, справа, второй снизу). (См. Послесловие.)

Рис. 2. Слева (сверху вниз): нормальный цветок; мутант по одному из генов класса B; мутант по одному из генов класса A; мутант по одному из генов класса C. Справа (сверху вниз): двойной мутант с нарушением работы генов классов А и B; двойной мутант с нарушением работы генов классов B и C; двойной мутант с нарушением работы генов классов A и C; тройной мутант с нарушением работы генов классов A, B и C. Оранжевые — пестики, желтые — тычинки, красные — лепестки, зеленые — чашелистики, голубые с волосками — листья. Из статьи: J. L. Bowman, D. R. Smyth, E. M. Meyerowitz. Genetic interactions among floral homeotic genes of Arabidopsis // Development. 1991. V. 112(1). P. 1–20

Задание 3.

У тройных мутантов, по генам всех трех классов A+B+C, все органы цветка по расположению и строению больше всего напоминают листья. У растения резуховидки Таля, на котором в основном изучают генетику развития растений, листья отличаются от чашелистиков тем, что на листьях есть звездчатые волоски, в основании располагаются прилистники, а в пазухе может развиться боковая почка (рис. 2, справа внизу, и рис.3, 3). (У чашелистиков резуховидки Таля волоски простые, прилистников и боковых почек нет, и, кроме того, чашелистики быстро опадают.)

Рис. 3. 1 — цветок резуховидки «дикого типа» (нормальный); 2 — мутант по одному из генов класса В (в цветке нет ни пестиков, ни тычинок); 3 — тройной мутант с нарушением работы всех трех классов генов A, B и C (цветок состоит из неопределенного числа листовидных органов). Фото с сайта www.biology-online.org

Автор выражает благодарность проф. В. В. Чубу за помощь в написании раздела «Решение».

Явление гомеозиса — превращения одних частей тела в другие — еще в XIX веке привлекало внимание ученых. То, что, например, у насекомого может по какой-то причине развиться конечность вместо антенны, казалось совершенно мистической загадкой. Гомеозис встречается и у животных, и у растений. Часто при гомеозисе друг в друга превращаются гомологичные органы или части тела (например, сегменты у насекомых; чашелистики, лепестки, тычинки и пестики тоже считаются гомологичными органами — все они в ходе эволюции возникли из листьев).

Постепенно завеса тайны над этим явлением начала приподниматься. В 1894 году Уильям Бейтсон, один из основателей генетики, предположил наличие каких-то генов, которые регулируют правильное развитие органов тела. Такие гены были действительно обнаружены и названы гомеозисными.

Систематическими исследованиями работы некоторых из этих генов у дрозофилы начиная с середины XX века занимался американский генетик Эдвард Льюис. Он же в 70-е годы создал красивую и стройную модель того, как эти гены взаимодействуют, определяя идентичность сегментов насекомого (см. книгу "HOX Genes. Studied from the 20th to the 21st Century", стр. 20). А в 1995 году за эти исследования Льюис получил Нобелевскую премию.

Гомеозисные гены кодируют транскрипционные факторы — белки, регулирующие работу других генов. Эти белки включают и выключают другие гены и таким образом меняют судьбу всего организма. И хотя у растений и у животных такие гены возникли в эволюции, скорее всего, независимо, гомеозисные гены растений тоже кодируют транскрипционные факторы.

Но самое поразительное не это. Гомеозисные гены очень консервативны — то есть они практически одинаковы у абсолютно разных животных. Например, под влиянием мышиного гена, отвечающего за развитие глаз, может развиться мушиный глаз на ноге у мухи (см.: Halder G. et al., 1995. Induction of Ectopic Eyes by Targeted Expression of the eyeless Gene in Drosophila). По-моему, это одно из самых удивительных открытий в биологии ХХ века!

Ученые активно исследуют гомеозисные гены уже несколько десятилетий. За это время первоначальная модель их работы, предложенная Эдвардом Льюисом, претерпела столько изменений, дополнений и уточнений, что уже язык не поворачивается назвать ее верной. Современные представления о том, как взаимодействуют эти гены, приведены здесь.

Огромный интерес к работе гомеозисных генов легко можно понять. Во-первых, они регулируют развитие животных и растений — например, определяют, где у мухи вырастут глаза, где — усики, а где — ноги. А то, как благодаря линейной записи нуклеотидов в ДНК появляются на нужном месте глаза и усики, — одна из главных загадок природы и важных научных проблем.

Во-вторых, зная, каким образом работают данные гены, можно регулировать развитие тех или иных органов у животных или растений (например, получать новые сорта махровых цветков) или даже выращивать необходимые органы по отдельности (но это всё-таки пока дело будущего).

В-третьих, нарушения в работе гомеозисных генов иногда приводят к серьезным болезням, и открытие принципов их работы может помочь с этими заболеваниями справиться.

Наконец, гомеозисные гены могут многое рассказать про эволюцию. Сравнив их наборы и функции у разных групп организмов (а гены данного типа есть даже у таких примитивных животных, как губки), мы можем понять, как изменялся общий план их строения и строение отдельных органов. Например, до сих пор остается загадкой, как возник цветок. Можно попробовать поискать у голосеменных гены, регулирующие его развитие у цветковых, или сравнить их у растений с более примитивными и более продвинутыми цветками. В последнее время на эту тему выполнено много исследований; см., например, Yellina A. et al, 2010. Floral homeotic C function genes repress specific B function genes in the carpel whorl of the basal eudicot California poppy (Eschscholzia californica).

Вернемся к нашей задаче. Вы, наверное, уже догадались, что гены A, B и C являются гомеозисными (почти все они входят в семейство так называемых MADS-генов; белковые продукты этих генов тоже связываются с ДНК). Однако истинная картина регуляции развития цветка гораздо сложнее той, что представлена в этой задаче.

Уже к моменту появления ABC-модели (в 1991 году) было известно, что за две из трех функций A, B и C отвечает не один ген, а несколько дополняющих и дублирующих друг друга генов. Так, к группе A-генов относятся у резуховидки гены APETALA 1 и APETALA 2. К группе B относятся APETALA 3 и PISTILLATA. За C-активность отвечает ген AGAMOUS. Было известно, что активность APETALA 1 в кругах пестиков и тычинок подавляется продуктом гена AGAMOUS, а активность AGAMOUS в кругах лепестков и чашелистиков — продуктом гена APETALA 2 (что хорошо согласуется с моделью). Известно было также, что ген AGAMOUS (C) не просто детерминирует пестики, но и ограничивает рост зачатка цветка; поэтому, например, у двойных мутантов по B и C «бесконечное» число одних чашелистиков.

Однако затем выяснилось, что для развития семяпочек (зачатков семян внутри пестика) нужны дополнительные гены, названные D (у резуховидки их как минимум два, их мы дальше рассматривать не будем). Что более существенно — оказалось, что для нормального развития всех органов цветка нужна дополнительная активность генов Е (у резуховидки это 3 гена группы SEPALLATA). Так ABC-модель превратилась в ABCDE-модель (рис. 4, средний и нижний ряд).

Если все три гена группы SEPALLATA отключаются, то цветок состоит из одних чашелистиков. Если заставить оба гена группы B экспрессироваться во всём зачатке цветка, то такой цветок состоит из двух внешних кругов лепестков и двух внутренних кругов тычинок; но при эктопической (не в том месте, где обычно) экспрессии в листьях эти гены не могут превратить лист в лепесток или тычинку. А вот вместе гены SEPALLATA 3 и APETALA 3 превращают вегетативные листья в лепестки, а SEPALLATA 3, APETALA 3 и PISTILLATA — в тычинки!

Рис. 4. d — классическая ABC-модель; e — ABCDE-модель; f — «флоральные квартеты». S (sepal) — чашелистик, P (petal) — лепесток, St (stamen) — тычинка, Ca (carpel) — плодолистик , Ov (ovule) — семяпочка. Рис. из статьи: C. Erbar. Current opinions in flower development and the evo-devo approach in plant phylogeny (PDF, 1,53 Мб) // Plant Systematics and Evolution. 2007. V. 269. P. 107–132

Раньше полагали, что продукты генов A, B и C могут соединяться попарно, образуя димеры. Но скорее всего, они образуют тетрамеры — «квартеты» (см. рис. 4, нижний ряд). Предполагается (но пока не доказано), что каждый «квартет» может связываться одновременно с двумя разными регуляторными участками ДНК, сближенными за счет изгиба двойной спирали.

Кроме того, выяснилось, что в регуляции развития растений (как и животных!) участвуют не только белки, но и особые микроРНК (см.: Thomas Jack, 2004. Molecular and Genetic Mechanisms of Floral Control); одна из микроРНК подавляет функцию APETALA 2 в кругах тычинок и пестиков.

Похоже, что в молекулярной биологии о простых (и при этом правдоподобных) моделях можно только мечтать. Сыграв свою роль, они уступают место гораздо более «навороченным», но зато более близким к реальности. К сожалению, не помню источника, но кто-то из известных биохимиков шутил: «Если посмотреть на красивую, строго симметричную кривую распределения молекул газа по скоростям — легко поверить в "разумный замысел". Но как только вы начинаете изучать внутриклеточные сигнальные пути — сразу становится очевидно, что ни одно разумное существо не создало бы такой путаницы!»

И в заключение: если задача вас заинтересовала — можно потренироваться, решив более конкретную (но и несколько более сложную) задачу (PDF, 568 Кб) на эту же тему, которая вошла в вариант этого года олимпиады «Ломоносов»; ответы обычно публикуются после завершения олимпиады). Теперь вы вооружены для этого всеми необходимыми знаниями!