Материнский эффект

Материнский эффект — явление в генетике, при котором фенотип потомка определяется исключительно генами матери. Обычно фенотип потомства определяется и генами матери, и генами отца. Чаще всего данный термин используют в отношении генов материнского эффекта, которые экспрессируются в яйцеклетке и оказывают влияние на развитие зиготы.

С материнским эффектом не следует путать наследование, сцепленное с полом, а также митохондриальную и иную цитоплазматическую наследственность, хотя митохондрии и пластиды обычно наследуются по материнской линии. Эпигенетическая модификация зародышевых генов одного из полов является другим механизмом специфической экспрессии генов от одного из родителей. Такое явление называют геномным импринтингом.

Механизмы материнского эффекта

Как правило, в период дробления (у млекопитающих — до стадии 2—8 бластомеров, а у большинства животных — до завершения дробления) собственный геном зародыша неактивен, и состав всех образующихся белков считывается с мРНК, запасенных в яйцеклетке в период её роста. Естественно, состав этих белков зависит только от генотипа матери. Если какие-то из этих белков влияют на признак взрослого организма, то его проявление также будет зависеть от генотипа матери, а не от собственного генотипа зародыша. Материнский эффект характерен поэтому для генов, которые влияют на ход раннего эмбриогенеза и определяют признаки, закладывающиеся на ранних стадиях развития.

Некоторые из генов с материнским эффектом вообще экспрессируются не в яйцеклетке, а в окружающих клетках, и в яйцеклетку поступают из организма матери их продукты — мРНК или белки. В частности, к типичным проявлениям материнского эффекта можно отнести цвет и фактуру третичных яйцевых оболочек, которые секретируются стенками яйцеводов матери (например, цвет и структуру скорлупы яиц у кур).

Гены с материнским эффектом

Гены с материнским эффектом известны у моллюсков, позвоночных, насекомых и других животных. Наиболее изучены гены с материнским эффектом у Drosophila melanogaster, для которой их известно уже несколько десятков. В последние годы найден ряд генов с материнским эффектом у млекопитающих (в основном благодаря работам на трансгенных мышах). Примеры таких генов — Stella, Mater, Basonuclin и другие, всего около 10 генов по состоянию на 2007 год. Ген Mater экспрессируется только в ооцитах, его белковый продукт присутствует на ранних стадиях развития эмбриона (до стадии бластоцисты). У гомозиготных по мутации Mater самок развитие эмбрионов прерывается на двухклеточной стадии. Белок mater проникает в ядрышки и в митохондрии. Ген Stella экспрессируется в ооцитах, ранних зародышах и плюрипотентных клетках. Лишенные нормальных аллелей самки имеют резко сниженную плодовитость — у них нарушены развитие ооцитов и имплантация зародышей. Конкретные функции продуктов генов с материнским эффеком у млекопитающих пока не выяснены.

У растений выявлен ген с материнским эффектом sin1, мутации которого нарушают формирование апикально-базальной оси у зародыша.

Особенности наследования признаков, определяемых генами с материнским эффектом

Пусть норма — доминантный аллель А, мутация — рецессивный аллель а. В случае гена с материнским эффектом при скрещивании самки АА с самцом аа мы получим ожидаемое единнообразие первого поколения (все Аа, норма). Но при реципрокном скрещивании (самка аа х самец АА) всё потомство при генотипе Аа будет иметь мутантный фенотип. Если скрестить между собой гибридов первого поколения (Аа х Аа), то и в первом, и во втором случае (то есть независимо от их фенотипа) всё их потомство будет иметь нормальный фенотип (хотя по генотипу будет наблюдаться обычное менделевское расщепление АА:2Аа: аа). И только в третьем поколении (от самок второго поколения) мы получим потомство, среди которого расщепление по фенотипу будет 3:1 — всё потомство самок АА и Аа будет нормальным, а всё потомство самок аа — мутантным. Так наследуется, например, признак лево- и правозакрученности раковины у прудовиков (см. ниже).

Примеры признаков, определяемых генами с материнским эффектом

Направление закручивания раковины у улиток

У многих видов брюхоногих моллюсков встречаются особи с правозакрученной и с левозакрученной раковиной. Наиболее детально изучено наследование этого признака у прудовиков рода Lymnaea. У этих улиток доминантный аллель D отвечает за признак правозакрученности, рецессивный аллель d — за левозакрученность. Направление закрученности раковины детерминируется на стадии 8 клеток и зависит от направления смещения анимального квартета бластомеров относительно вегетативного — при его смещении по часовой стрелке формируется правозакрученная раковина, против — левозакрученная. Смещение бластомеров, в свою очередь, детерминируется структурой цитоскелета зиготы. Структура локуса D и функция продуктов этого гена (тесно сцепленных генов?) не изучены.

Спецификация осей тела у дрозофилы

Гены материнского эффекта работают в эмбриональном развитии дрозофилы при формировании осей тела. Под их контролем в зиготе или раннем эмбрионе включаются gap-гены, отвечающие за спецификацию крупных участков тела.

Формирование дорзо-вентральной оси

Формирование дорзо-вентральной оси дрозофилы зависит от транскрипционного фактора dorsal, который синтезируется в организме матери. Образование этого белка стимулируется положением ядер эмбриона. Ядра образуют белок Gurken, который ингибирует образование белка PIPE, взаимодействующего с Torpedo-рецептором на фолликулярных клетках. Клетки, содержащие PIPE, секретируют дорсальный белок и образуют вентральную сторону яйца, в то время как клетки, которые не содержат PIPE, не секретируют дорсальный белок и образуют дорсальную сторону яйца.

Белок dorsal индуцирует транскрипцию генов twist и snail, при этом репрессирует экспрессию генов zerknullt и decapentaplegic. Мембранные белки-рецепторы dorsal также известны как Toll-рецепторы, они осуществляют транспорт белка dorsal в ядра эмбриона. Такие Toll-рецепторы являются продуктами гена Toll, они равномерно распределены по плазматической мембране эмбриона.

Дорсальные белки попадают в зародыш с вентральной стороны. После транспорта в ядра белок dorsal находится на вентральной стороне зародыша. Данный процесс приводит к образованию градиентов между вентральной и дорсальной сторонами незрелого зародыша. Репрессия или индукция этих четырех генов регулируется разными путями.

Пример:

• на вентральной стороне зародыща ядра бластодермы окружены высокими концентрациями белка dorsal, что приводит к индукции транскрипции twist и snail, в то время как экспрессия генов zerknullt и decapentaplegic репрессирована;
• в середине зародыша ядра бластодермы окружены средними концентрациями белка dorsal, при этом не экспрессируются никакие гены из упомянутых;
• на дорсальной стороне зародыша ядра бластодермы окружены низкими концентрациями белка dorsal, поэтому идет экспрессия соответствующих генов и образуются белки zerknult и decapentaplegic.

Образование передне-задней оси

Схема взаимной регуляции генов дрозофилы (nanos, bicoid, hunchback и caudal), отвечающих за образование передне-задней оси в эмбриогенезе

Образование передне-задней оси у дрозофилы происходит благодаря синтезу транскрипционных факторов hunchback и caudal. Эти гены транскрибируются в питающих клетках фолликула матери и обеспечивают рост и развитие ооцита. Транскрипты (мРНК) генов hunchback и caudal транспортируются в ооцит и равномерно распределяются в цитоплазме.

Хотя гены hunchback и caudal транскрибируются одинаково, их трансляция регулируется таким образом, что белок hunchback образуется в более высоких концентрациях на переднем конце зародыша, в то время как белок caudal накапливается на заднем конце. Белок bicoid, описанный ниже, также являются регулятором транскрипции (хотя при взаимодействии с геном caudal действует как регулятор трансляции), в то время как белок nanos — регулятор трансляции. Белки hunchback и caudal действуют как факторы транскрипции многих генов, вовлеченных в дифференцировку зародыша вдоль передне-задней оси.

мРНК bicoid и nanos синтезируются питающими клетками фолликула и транспортируются в ооцит. Белок nanos- регулятор трансляции. Он связывается с 3’OH нетранслируемым участком мРНК hunchback и bicoid и вызывает её деградацию. Разрушение мРНК hunchback в задней части зародыша приводит к созданию передне-заднего градиента белка hunchback, что позволяет экспрессироваться генам knirps, kruppel и giant, отвечающих за спецификацию брюшного отдела, в средней части зародыша. При потере функции nanos у мутанта полностью отсутствуют абдоминальные сегменты. За связывание белка nanos с мРНК отвечает белок — продукт гена pumilio.

Белок bicoid действует как транскрипционный фактор, стимулирует синтез мРНК некоторых генов, в том числе hunchback. Эти мРНК транслируются в белки, контролирующие образование головных структур зародыша. Кроме того, белок bicoid ингибирует транскрипцию мРНК гена caudal, связываясь с последовательностями на её 3’OH нетранслируемом участке.

Гены отцовского эффекта

Описаны также гены отцовского эффекта, когда фенотип обусловлен только генотипом отца, но не собственным генотипом особи. Эти гены отвечают за эффекты компонентов спермы, участвующие в оплодотворении и раннем развитии. Примером гена с отцовским эффектом является ген ms(3)sneaky дрозофилы. Самцы с мутантным аллелем этого гена образуют сперму, которая может оплодотворить яйцо, но развитие не происходит нормально. Однако самки с такой мутацией производят яйца, которые нормально оплодотворяются.