Вы когда-нибудь собирали пазл? А если в нем миллиард или даже триллион частей? Вот такую сложную задачу каждый раз решает организм в процессе развития. В самом деле, взрослый организм — это не просто скопление клеток, случайным образом разбросанных по телу, а это — сложнейшая инженерная конструкция, где каждый кирпичик, то есть клетка, обладает особыми свойствами и должен располагаться в строго заданном месте. Как бы то ни было, в процессе эволюции многоклеточные организмы научились решать эту титанически сложную головоломку крайне эффективно, и ключ к решению — это клеточная память. Для примера давайте рассмотрим один из самых популярных модельных организмов: плодовую мушку Drosophila melanogaster. Жизненный цикл плодовой мушки очень простой: после оплодотворения в яйце развивается эмбрион, который через сутки после оплодотворения вылупляется в виде личинки. Личинка двигается, питается, растет и линяет ровно три раза. Примерно на пятый день после оплодотворения личинка превращается в куколку, из которой через четыре дня вылупляется взрослая муха, по-научному — имаго, которая почти сразу приступает к размножению и жизненный цикл повторяется. Личинка и взрослая муха разительно отличаются внешне и неспециалист мог бы даже отнести две жизненные формы дрозофилы к разным видам животных. Тело взрослой мухи сегментировано: несколько сегментов в голове, три сегмента в грудке и восемь сегментов в брюшке. Метаморфоз личинки во взрослую муху происходит в куколке. На этой стадии большая часть клеток личинки систематично подвергается запрограммированной клеточной смерти, а новые органы развиваются из так называемых имагинальных клеток. Таким образом тело любой личинки содержит две популяции клеток. Личиночные клетки функционируют в молодом насекомом, а имагинальные клетки хранятся в личинке и будут использованы для построения тела взрослой мухи. Некоторые выглядят в форме плотных дисков — это так называемые имагинальные диски. Именно из них формируются усики, родовой аппарат, глаза, крылья, гальтеры и ноги взрослой мухи. Итак, хотя тело взрослой мухи сильно отличается от личинки, при внимательном рассмотрении в теле личинки можно обнаружить такую же сегментацию, как и в имаго, причем существует строгое соответствие между сегментами тела личинки и взрослой мухи. Можно сказать, что на всех стадиях развития, начиная с личинки, каждый сегмент в теле дрозофилы обладает определенным назначением. Генетические эксперименты позволили установить, что назначение сегментов определяется экспрессией так называемых гомеозисных генов или иначе Hox-генов. Эти гены кодируют важные для процессов развития транскрипционные факторы. Отличительной чертой для гомеозисных генов является то, что они располагаются кластерами, то есть близко друг к другу. Всего таких кластеров два: Antennapedia и Bithorax. Экспрессия гомеозисных генов в кластерах подчиняется определенному правилу под названием "коллинеарность". Это значит, что последовательность расположения генов на хромосоме соответствует последовательности их экспрессии вдоль передней и задней оси тела. В результате каждый гомеозисный ген ответственен за назначение сегментов, в которых он экспрессируется, как показано на схеме. В частности, гены labial и Deformed определяют назначение головных сегментов, Sex combs reduced и Antennapedia определяют первые два сегмента грудки. Мутации в гомеозисных генах проявляются крайне интересным образом: в частности, делеция гена Ultrabithorax приводит к тому, что третий сегмент грудки превращается во второй, в результате муха становится четырехкрылой, а если заставить Antennapedia экспрессироваться в голове, то на месте антенн у взрослой мухи вырастут лапки. Итак, сложный паттерн экспрессии гомеозисных генов, по сути, размечает тело дрозофилы на основные части. Однако как клетки понимают, к какой части тела они принадлежат? Именно для этого и нужна клеточная память. Исследования показывают, что назначение клеток дрозофилы задается на самых ранних этапах развития. Как и у всех других животных, яйцо дрозофилы представляет из себя огромную клетку, цитоплазма которой содержит все необходимые для формирования эмбриона вещества. Определенные молекулы, так называемые морфогены, служат сигналом для клеток и направляют их дифференцировку по определенному пути. Морфогены растворены в цитоплазме яйца крайне неравномерно, в итоге в одних частях яйца морфогена много, а в других его мало. Это так называемый градиент концентрации морфогена, и несколько морфогенов, определенным образом распределенных по объему яйца размечают части будущего эмбриона, указывая, где будет находиться голова, а где — хвост, где в будущем будет спина, а где — живот и так далее. Клетки, которые образуются в данном участке эмбриона, считывают информацию от разных морфогенов и приобретают необходимые свойства. Генетические эксперименты продемонстрировали, что под действием морфогенов тело эмбриона сегментируется, однако сегменты эмбриона смещены по отношению к сегментам тела личинки и мухи. Поэтому сегменты эмбрионов получили название "парасегменты". Всего парасегментов 14, и клетки каждого парасегмента участвуют в образовании двух сегментов личинки и взрослой мухи. В частности, парасегмент под номером шесть даст начало задней части третьего сегмента грудки и передней части первого сегмента брюшка. В результате клетки, которые получили начало в определенном парасегменте, запускают экспрессию определенных гомеозисных генов. Клетки должны уметь считывать информацию о собственном положении в эмбрионе для правильной экспрессии гомеозисного гена. За считывание позиционной информации, которую несут морфогены, ответственны специальные энхансеры, которые расположены в кластере гомеозисных генов. Если поместить такой энхансер в конструкцию, которая содержит репортерный ген, то есть ген, о экспрессии которого можно судить невооруженным глазом, то репортер будет иметь характерный паттерн экспрессии, в частности, если взять энхансеры, ответственные за экспрессию гомеозисных генов в шестом парасегменте, то репортер будет экспрессироваться во всех клетках раннего эмбриона, начиная с шестого парасегмента. В то же время клетки перед шестым парасегментом не будут экспрессировать репортер. Интересно, что способность таких энхансеров считывать позиционную информацию ограничивается шестью часами раннего эмбрионального развития и после этого момента репортер начинает экспрессироваться уже во всем эмбрионе. Таким образом для того, чтобы гомеозисные гены поддерживали экспрессию во всех частях зародыша личинки и взрослой мухи, клетки должны формировать эпигенетическую память о состоянии гомеозисного гена в раннем эмбрионе. Для формирования эпигенетической памяти клетки используют элементы ответа Polycomb, то есть Polycomb response elements — это сайты связывания, которые привлекают белки семейства Polycomb. Как вы помните, это транскрипционные репрессоры, которые играют важную роль в процессах развития всех без исключения модельных организмов. Итак, если поместить Polycomb response elements или из кластера гомеозисных генов или из других участков генома в конструкцию, содержащую репортерный ген, энхансеры, способные считывать позиционную информацию, то эмбрион будет экспрессировать репортер даже спустя шесть часов после развития, после оплодотворения. Таким образом элементы ответа Polycomb позволяют клеткам запоминать эпигенетический статус гена, характерный для клеток на начальном этапе развития дрозофилы. Способность элементов ответа Polycomb запоминать эпигенетический статус репортера, характерный для дрозофилы на раннем этапе развития, можно использовать и с другими энхансерами, например энхансеры под названием UAS активируются в ответ на присутствие белка GAL4. Можно заставить клетки активировать экспрессию белка GAL4 в ответ на тепловой шок. Для дрозофилы тепловым шоком является нагревание до 37 градусов. При этом, если обработать тепловым шоком личинку, которая несет такую конструкцию, то экспрессия репортера завершится практически сразу, как закончится тепловой шок. Однако непродолжительное воздействие тепловым шоком на ранний эмбрион приведет к стойкой активации репортера, которая будет иметь место во всех последующих стадиях развития дрозофилы, включая имаго. Итак, генетическая система, которая включает позиционную информацию, закодированную морфогенами, активацию энхансеров, считывающих позиционную информацию, работу гомеозисных генов и формирование эпигенетической памяти с помощью белков семейства Polycomb характерна не только для дрозофилы, но и для других многоклеточных организмов. Это универсальный механизм, который позволяет организмам решать сложную инженерную задачу: как же заставить руки расти из плеч, а не из другого места. Итак, в следующей лекции мы с вами рассмотрим, каким образом можно заглянуть в прошлое клеток с помощью эпигенетической памяти.
