Twoja wyszukiwarka

EWA BARTNIK
MOLEKULARNI ARCHITEKCI
Wiedza i Życie nr 5/1996
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 5/1996

Nagrodę Nobla z fizjologii i medycyny w 1995 roku przyznano trojgu uczonym- Niemce Christiane Nuesslein-Volhardi Amerykanom Ericowi F. Wieschausowioraz Edwardowi B. Lewisowi. W komunikacie dla prasy przedstawiającym laureatównapisano, że nagrodzono ich za odkryciadotyczące kontroli genetycznej wczesnego rozwoju zarodka oraz, iż troje uczonychotworzyło nową drogę, która powinnaprzyczynić się do wyjaśnienia zagadkipowstawania wad wrodzonych u człowieka.

Aktywność genów regulujących rozwój jaja
Rozwój muszki owocowej

Wbrew temu co można by sądzić obiektem badań laureatów nie był człowiek, lecz znana genetykom już od lat muszka owocowa Drosophila melanogaster. Co łączy tę muszkę z człowiekiem?

Aby odpowiedzieć na to pytanie warto przyjrzeć się bliżej rozwojowi D. melanogaster. Samice po zapłodnieniu składają jaja, a już następnego dnia wylęgają się z nich larwy, przechodzące kilka wylinek. Po pięciu dniach tworzą się poczwarki, z których po przeobrażeniu wyłaniają się dojrzałe muchy. Nie przypomina to zbytnio rozwoju zarodkowego człowieka, poza podstawowym podobieństwem - w obu przypadkach z pojedynczej zapłodnionej komórki rozwija się wielokomórkowy organizm o specyficznych typach komórek i tkanek. Jeszcze przed zapłodnieniem podłużnego jaja D. melanogaster określone są w nim podstawowe osie ciała przyszłej muchy: grzbietowo-brzuszna i przednio-tylna. Wyznacza je nierównomierne rozmieszczenie matczynych białek w cytoplazmie jaja.

Christiane Nuesslein-Volhard jest autorką wielu pięknych prac dotyczących tych zagadnień, jednak nagrodę Nobla przyznano jej za inne dokonania. Nuesslein-Volhard i Wieschaus zostali uhonorowani za wspólne badania, wykonane pod koniec lat siedemdziesiątych w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej w Heidelbergu (RFN). Dotyczyły one poszukiwań pojedynczych genów, lub ich grup odpowiedzialnych za wczesny rozwój zarodków Drosophila melanogaster.

Laureaci Nagrody Nobla z fizjologii i medycyny w 1995 roku. Od lewej: Christiane Nuesslein-Volhard (52) jest dyrektorem Instytutu Maxa-Plancka w Tybindze. Doktorat z genetyki zrobiła w 1973 roku. W latach 70-tych pracowała z Erikiem Wieschausem w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej w Heidelbergu. Eric F. Wieschaus, 48 letni Amerykanin pochodzący ze Szwajcarii, od 1981 roku jest wykładowcą na wydziale Biologii Molekularnej Uniwersytetu w Princeton. Edward B. Lewis (77) jest emerytowanym profesorem w kalifornijskim Instytucie Technologii CALTECH w Los Angeles.

Uczeni wytworzyli najpierw dużą kolekcję mutantów. W tym celu poddali muchy działaniu mutagenów, a następnie krzyżowali je ze sobą i uzyskiwali potomstwo. Pod specjalnym mikroskopem o dwóch binokularach naukowcy obserwowali rozwój zarodków muchy - interesowały ich te okazy, u których został on w jakimś momencie zahamowany.

Nuesslein-Volhard i Wieschaus, podejmując swe badania mieli poważne wątpliwości, czy uzyskają sensowne wyniki, przecież genów wpływających na rozwój teoretycznie mogło być bardzo wiele. Sprzyjało im jednak szczęście albo może inaczej - prawa natury są w jakiś sposób rozsądne i uporządkowane. Zarodki nie rozwijające się można było podzielić tylko na trzy klasy.

Ułożenie genów kompleksu HOM na chromosomie jest takie same, jak układ rejonów ich działania wzdłuż osi przednio-tylnej zarodka (lab, pd itd. - kolejne geny HOM)

Prawidłowy zarodek ma kilkanaście wyraźnie widocznych segmentów. W pierwszej klasie zmutowanych zarodków brakowało pewnej grupy (do 8) segmentów, istniała jakby przerwa, w różnych miejscach u określonych zarodków. Naukowcy stwierdzili, że są trzy geny, które powodują ten efekt i nazwali je genami przerwy (ang. gap genes).

Druga grupa mutantów wyglądała inaczej - brakowało im co drugiego segmentu, albo wszystkich parzystych, albo nieparzystych. Nuesslein-Volhard i Wieschaus znaleźli sześć genów odpowiedzialnych za ten fenotyp i nazwali je genami parzystości (pair rule).

Ostatnia klasa zarodków miała wszystkie segmenty, ale każdy pozbawiony był pewnej swojej części, wzbogacony natomiast o lustrzane odbicie pozostałości. Geny powodujące ten efekt, których wykryto 8, nazwano genami polarności.

W swej pracy, opublikowanej w 1980 roku w "Nature", Nuesslein-Volhard i Wieschaus napisali, że istotą działania tych trzech grup genów jest podział zarodka na kolejne, coraz bardziej zawężone obszary. W wyniku tego działania grupa początkowo niezróżnicowanych komórek zaczyna się dzielić na strefy. Następnie wzdłuż osi przodo-tylnej zarodka pojawiają się coraz bardziej zróżnicowane obszary ciała, z których w końcu powstaną narządy i tkanki.

Muszka owocowa (Drosophila melanogaster)

Po zapłodnieniu jaja jako pierwsze uaktywniają się geny przerwy (obecnie znamy ich 6), których produkty wyznaczają zarysy rejonów ciała. Następnie do akcji wkraczają geny parzystości (poznano ich 8), których zakres działania dotyczy dwóch segmentów. Stąd mutacje w tych genach powodują utratę co drugiego segmentu. Trzecia grupa genów (10) ustala już pozycję i orientację poszczególnych rejonów segmentów.

Dorosła mucha ma trzy wyodrębnione części ciała: głowę, tułów i odwłok, a na nich odpowiednie wyrostki - na głowie czułki, na tułowiu nogi i skrzydła. Za podział ciała na te właśnie części oraz za to, gdzie pojawi się czułek lub skrzydło odpowiada inna grupa genów. Jest ich 8 i umieszczone są na chromosomie 3, tworząc tzw. kompleks HOM (od: homeotyczny). Geny te włączają się później od wyżej opisanych grup. Choć badania kompleksu HOM rozpoczęto już dość dawno, daleko jeszcze do końca ich analizy.

Głowa normalnej muszki

Kilkadziesiąt lat temu opisano dziwne mutacje u D. melanogaster, które powodowały powstawanie muszek o dwóch parach skrzydeł zamiast jednej, czy też wyposażonych w dodatkową parę nóg zamiast czułków. Edward B. Lewis przez wiele lat zajmował się badaniem tych "cudaków", mapowaniem tzw. genów homeotycznych, których mutacje dawały tak dziwne efekty. W 1978 roku opublikował w "Nature" pracę przeglądową A gene complex controlling segmentation in Drosophila, w której opisuje kompleks co najmniej 8 genów mających wpływ na charakter części ciała dorosłej muchy.

Lewis przeprowadzał wyłącznie krzyżówki i analizował powstałe mutanty, nie znał więc molekularnej natury produktów owych genów. Nie wiedział także, iż białka przez nie kodowane pojawiają się w poszczególnych częściach ciała zgodnie z ułożeniem genów na chromosomie - produkt pierwszego genu głównie w obszarze, w którym ma powstać głowa, ostatniego zaś, tam gdzie utworzy się koniec odwłoka. Model, który zaproponował Lewis okazał się jednak bardzo zbieżny z rzeczywistym, co wykazuje niesłychaną siłę stosowanej przez niego genetyki klasycznej. Kompleks HOM występuje nie tylko u Drosophila - w jego prostszą wersję wyposażony jest nicień Caenorhabditis elegans, a rozbudowaną - cztery kompleksy typu HOM (zwane Hox) - człowiek i inne ssaki.

Mutacja w genie Deformed powoduje brak dolnej części oka

I tu wracamy do pytania postawionego na początku. Jaki jest związek Drosophila z rozwojem zarodka ludzkiego? Plany budowy tych organizmów nie wydają się mieć wiele ze sobą wspólnego. Jednak uważamy obecnie, że to właśnie geny typu homeotycznego odpowiedzialne są za organizowanie pewnych obszarów ciała zwierząt wielokomórkowych. U człowieka znaleziono również odpowiedniki innych genów regulujących rozwój Drosophila. Znamy przynajmniej dwie choroby genetyczne człowieka, które wynikają z mutacji w genach podobnych do genów z grupy parzystości - jedna z nich to zespół Waardenburga, obarczeni nim ludzie są m.in. głusi i mają charakterystyczne pasmo białych włosów. Druga z chorób wyraża się brakiem soczewki. Istnieje zapewne wiele innych mutacji w genach regulujących rozwój organizmów.

Dzięki pracom trójki noblistów - i wielu innych uczonych - zaczynamy poznawać przynajmniej zarysy kluczowych etapów rozwoju człowieka.

AKTYWNOŚĆ GENÓW REGULUJĄCYCH ROZWÓJ JAJA

jajo przed zapłodnieniem -
białka matczynenierównomiernierozmieszczonew cytoplazmie jaja

aktywność genówprzerwy dajecztery szerokie prążki

geny parzystościodpowiadająza powstaniesiedmiu prążków

geny polarnościwyznaczają czternaście prążków

Do początku artykułu...

ROZWÓJ MUSZKI OWOCOWEJ OD JAJA DO POSTACI DOROSŁEJ

po zapłodnieniu -
jajo
kolejnouaktywniają sięgeny: przerwy,parzystości, polarności
rozwójzarodkowy(1 dzień)

początek działaniagenów HOM

trzy stadialarwalne(4 dni)

poczwarka

imago

Do początku artykułu...



normalna muszka

mutacje w genie Antennapedia powodują przekształcenie czułków na głowie w dodatkową parę odnóży tułowiowych

Prof. dr hab. EWA BARTNIK pracuje w Zakładzie Genetyki Uniwersytetu Warszawskiego.