Генетика колебателя и наблюдаемых ритмов 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Генетика колебателя и наблюдаемых ритмов



При исследовании роли наследственности в циркадианной организации обычно применяют два подхода: мультигенный анализ, который включает сравнение фенотипов разных линий и искусственный направленный отбор, и анализ отдельных генов, т. е. выяснение действия мутаций в отдельных локусах на параметры ритмов.

Первый подход ограничен в своих возможностях из-за трудности разделения эффектов, вызываемых отдельными генами. Например, при отборе, для того чтобы вызвать то или иное изменение ритма, может потребоваться совместное действие многих генов, и вклад каждого отдельного гена может остаться неясным. Тем не менее, такой подход позволяет исследовать корреляции различных эффектов, вызываемых отобранными генами, что помогает представить общую организацию циркадианной системы. Второй подход связан с выделением мутаций, получаемых обычно с помощью химических мутагенов, в тех отдельных локусах генома, которые влияют на тот или иной параметр ритма. Это позволяет изучать действие определенных генов на ритм. Кроме того, поскольку мутантная линия отличается от дикого типа одним-единственным геном, теоретически возможно выделить и идентифицировать продукт этого гена – вещество, количественное или качественное изменение которого ведет к определенному, воспроизводимому изменению циркадианного ритма. Ниже рассмотрены примеры обоих подходов.

 

Мультигенный анализ

Нейман изучал у комара Сluniо, обитающего в приливной зоне, различия между природными популяциями по времени выведения имаго. Линии, выделенные в разных местах европейского побережья, различаются по этому признаку, так как они приспособлены к местным особенностям приливов и отливов. После скрещивания двух линий с разным временем выхода имаго первое поколение потомков выводилось в какое-то промежуточное время. Возвратное скрещивание первого поколения с одной из родительских линий тоже давало промежуточное время. Таким образом, время выхода взрослой формы у С1ипio контролируется продуктами одного или нескольких генных локусов. У гетерозигот это время выхода зависит от средней активности продуктов всех локусов, а не от простого сложения их эффектов, так как в последнем случае получился бы двувершинный ритм с пиками, соответствующими временам выхода имаго у двух родительских форм.

Ренсинг и др. исследовали межлинейные различия в суточном профиле потребления кислорода у D. melanogaster. В результате сравнения линий с разным соотношением числа Х-хромосом и аутосом был сделан вывод, что Х-хромосома существенно влияет на положение вечернего максимума потребления О2 при режиме СТ 12: 12.

У дрозофилы и бабочки пектинофоры путем отбора можно получить линии с ранним и поздним временем выведения. Отбор в лабораторной популяции D. melanogasterдикого типа привел к большему размаху вариаций по этому признаку, чем отбор в природной линии мух; это свидетельствует о том, что длительное разведение в лаборатории ослабило давление отбора. В результате селекции D. pseudoobscuraна протяжении 50 поколений были получены две стабильные линии с ранним и поздним временем выведения имаго, различие между которыми составляло около 4 ч. Однако КСФ для обеих линий, как выяснилось, совпадают; значит, отбор, вероятно, затронул лишь внешние ведомые системы (которые сами по себе могут быть колебательными), но не ведущий осциллятор, способный непосредственно реагировать на свет.

В результате отбора ранней и поздней линий Реctinophora было получено 5-часовое различие фаз выведения. КСФ у этих двух линий не измерялись, но зато были сопоставлены различия по трем наблюдаемым ритмам. Оказалось, что на ритмы вылупления из яиц и выхода из куколки отбор повлиял одинаково: по их фазам при режиме СТ 14: 10 линии различались на 5 ч. Ритм откладки яиц, напротив, у обеих линий совпадал.

Таким образом, путем отбора удалось выявить различие двух колебателей, задающих ритмы вылупления и выхода из куколки, с одной стороны, и ритм яйцекладки – с другой.

 

Анализ отдельных генов

У двух видов дрозофилы были найдены мутации отдельных генов, влияющие на ритмы выхода из куколки и подвижности взрослых особей. В Х-хромосоме D. pseudoobscuraбыло локализовано 5 мутаций, вызывающих аритмию в условиях постоянного освещения. У мутантов при переменном освещении в той или иной степени проявлялись вынужденные, экзогенные ритмы выведения имаго. Эти пять мутаций можно было разделить на две комплементационные группы. Двойные гетерозиготы внутри каждой группы в постоянных условиях были аритмичны, в то время как у двойных гетерозигот с мутациями из разных групп наблюдались свободнотекущие ритмы с более длинным периодом, чем у дикого типа, а фазы их ритмов запаздывали примерно на 5 ч относительно фаз дикого типа, как при переменном освещении, так и в постоянных условиях после захватывания. Таким образом, комплементация между двумя группами «аритмичных» мутаций оказалась неполной. Это позволяет думать, что для нормального ритма необходимы по меньшей мере два различных генных продукта. Результаты указывают также на то, что и период, и фаза ритма находятся под генетическим контролем и что продукты генов, участвующие в поддержании ритмичности, в то же время влияют на фазу ритма. Из того факта, что у мутантов утрачены как ритм выведения, так и ритм подвижности, следует, что осцилляторы, контролирующие эти ритмы, имеют, по крайней мере один общий компонент, хотя у мух дикого типа свободнотекущий период второго ритма значи­тельно короче, чем первого.

У D. melanogasterв Х-хромосоме были найдены четыре мутации, влияющие на период ритмов выведения и двигательной активности имаго. Три из них – аллельные и локализованы в области ЗВ1-2. Четвертая находится в области 10; она удлиняет периоды обоих ритмов на 1,5 ч. Три мутации из области ЗВ1-2 относятся к локусу реr. Изменения этого локуса могут сокращать период ритма до 19 ч (реrs), удлинять его до 29 ч (реr1) или вовсе уничтожать ритмичность (реr°). Свободнотекущие периоды обоих ритмов у D. melanogasterтакие же, как у D. pseudoobscura.

Аллели реr1 и реr° почти полностью рецессивны по отношению к гену дикого типа. У гетерозигот регs/ + и реr5/реr1 периоды промежуточные между периодами соответствующих гомозигот. Аллель реr° ведет себя как отсутствие области ЗВ1-2, из чего можно заключить, что при этой мутации не образуется активного генного продукта.

Хотя мутации рег5 и реr1 резко изменяют периоды ритмов выведения и подвижности имаго, оба периода все же остаются мало зависимыми от температуры в диапазоне от 18 до 25 °С. Однако температурная зависимость при этих двух мутациях противоположна: у мутантов реr1 период с повышением температуры удлиняется, а у рег5 – укорачивается; иными словами, при низких температурах периоды обоих мутантов приближаются к периоду дикого типа. Таким образом, эти мутации влияют и на чувствительность колебателя к температуре.

Область Х-хромосомы, на которой картированы аллели реr, была подробно исследована Джаддом и др. В этой области число комплементационных групп леталей примерно равно числу видимых хромосомных дисков. Генетический анализ позволяет думать, что каждая такая группа соответствует определенному диску. Однако локус реr не является аллелем какой-либо из леталей этой области. Очевидно, это не жизненно важный локус, поскольку его мутации не приводят к гибели насекомого. Возможно, что локус реr – регуляторный, а не структурный ген.

Для аллеля реr5 была получена кривая смещения фазы. Примечательно, что эта мутация не только сокращает свободнотекущий период, но и увеличивает размах КСФ. Мутантная кривая относится к типу 0 по Уинфри, а нормальная – к типу 1. Таких мутантов, так же как и мух дикого типа D. pseudoobscura, можно привести в почти аритмичное состояние одним критическим импульсом света, если приложить его в определенной фазе эндогенного цикла. Однако колебатель реr отличается от колебателя D. pseudoobscuraтем, что его период короче, задержка его фазы протекает более медленно и между двумя критическими стимулами, вызывающими аритмию, нет темновой адаптации.

Ритм выведения имаго у мутанта реr° поддается захватыванию температурными циклами, но нечувствителен к циклам освещения. Однако явление двустабильности, наблюдаемое при температурном захватывании колебателя дикого типа (когда ритм может поддерживать любую из двух возможных фаз, отстоящих друг от друга на 3 ч), у этого мутанта отсутствует. Кроме того, вскоре после прекращения температурных циклов мутант реr° становится аритмичным. Таким образом, мутация реr° полностью уничтожает эндогенный характер колебателя.

Поскольку локус реr находится в Х-хромосоме, мутацию реr5 можно использовать в качестве маркера для картирования первичного эффекта гена, контролирующего часы, относительно кутикулярных структуру мозаичных мух, тела которых состоят из клеток разной половой принадлежности. Эффект этого гена выявляется вблизи головной кутикулы, что согласуется с локализацией часов в структурах мозга. Способность мозга контролировать ритм подвижности взрослых мух была установлена в опытах с трансплантацией мозга: пересадка его от донора реr5 в брюшко наследственно аритмичному реципиенту реrо приводила к возникновению ритма подвижности с коротким периодом.

Таким образом, мозг выделяет какой-то гуморальный фактор, синтезируемый в нейросекреторных клетках и контролирующий период ритма подвижности. Интересно, что «аритмичные» мутации как у D. melanogaster, так и у D. pseudoobscuraповышают в мозгу процент аномально расположенных клеток, принадлежащих к задней группе нейросекреторных элементов. Эти клетки, возможно, участвуют в функции циркадианной системы мух, например в качестве источника гуморального фактора, контролирующего ритм подвижности. Исследование мозаичных мух, нейроны которых различаются гистохимическими метками, поможет выяснить роль групп нейросекреторных клеток в контроле циркадианной ритмичности.

Генетический локус, в некоторых отношениях сходный с локусом реr дрозофилы, был описан у гриба Neurospora. Мутации этого локуса тоже могут укорачивать или удлинять период. Гетерокарионы с ядрами того и другого типа проявляют период промежуточной длины подобно гетерозиготам реr5/реr1 дрозофилы. Таким образом, у нейроспоры и дрозофилы имеются локусы, сходные по своим функциям; возможно, что циркадианные колебатели этих организмов близки по своему устройству на молекулярном уровне.

Итак, генетическое исследование циркадианных колебателей пролило новый свет на организацию циркадианной системы у некоторых организмов. Однако до сих пор не удалось установить ни одного конкретного механизма. Следующим шагом в использовании генетических методов для выяснения молекулярных механизмов циркадианных колебателей должна быть биохимическая идентификация продуктов тех генов, мутации которых затрагивают основные свойства колебателя.

 

 



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-02-17; просмотров: 167; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 44.204.65.189 (0.009 с.)