Гены, ответственные за формирование специфического фенотипа функционально зрелых нейронов, изучены главным образом для относительно просто устроенных нейронных структур, например сетчатки глаза дрозофилы. Каждый элемент сетчатки - омматидий - состоит из 8 четко различимых по морфологии и локализации фоточувствительных нейронов и 12 ненейрональных клеток. Дифференцировка нейронов в развивающихся омматидиях протекает в строго фиксированной последовательности. Недифференцированные клетки в зачатках омматидиев являются эквипотенциальными, а судьба дифференцирующихся клеток определяется не их происхождением, а индуцирующими стимулами со стороны соседствующих с ними ранее дифференцированных клеток.

Некоторые из генов, ответственных за генерацию и рецепцию этих стимулов, хорошо изучены: ген seveniess кодирует мембранный рецептор, необходимый для индукции дифференцировки нейрона R7, а ген bride of sevenless - за образование в нейроне R8 лиганда, действующего на этот рецептор. Ген seven in absentia кодирует ядерный белок, интерпретирующий сигнал, воспринимаемый рецептором sevenless. Ген rough кодирует транскрипционный фактор, необходимый для возникновения в нейронах R2 и R6 сигнала, индуцирующего дифференцировку соседних клеток в нейроны R3 и R4. Другой транскрипционный фактор, необходимый для дифференцировки нейронов Rl, R3, R4 и R6, кодируется геном seven-up. Ключевым элементом в реализации генетических программ функционального созревания фоторецепторных нейронов является ДНК-связывающий белок, кодируемый геном glass, а специфическими для индивидуалъньгх фоторецепторных нейронов компонентами этих программ - гены, кодирующие разные формы фоторецепторных белков.

Важную роль в окончательной морфологической дифферен-цировке нейронов играют гены, кодирующие молекулы избирательной межклеточной адгезии. Одной из разновидностей таких молекул у насекомых являются фасциклины, обеспечивающие взаимное узнавание и ассоциацию растущих аксонов в развивающейся ЦНС и, в конечном итоге, формирование стереотипной системы аксонных пучков. В эмбриональной ЦНС разные фасциклины экспрессируются в разных популяциях нейронов и их отростков: каждый фасцикяин экспрессируется в аксонах - 5 из - 30 аксонных пучков передних и задних комиссур каждого ганглия и - 15 нейронах каждого полусегмента. В эмбриогенезе экспрессия фасциклинов наблюдается уже в отдельных клетках морфологически недифференцированной вентральной нейроэктодермы, сохраняясь в образующихся из этих клеток нейробластах, ганглионарных материнских клетках и нейронах. По-видимому, фасциклины входят в число наиболее ранних молекулярных маркеров индивидуальных нейрональньгх линий. Обнаруженные закономерности при исследовании относительно просто устроенной ЦНС беспозвоночных не всегда находят прямые аналогии в более сложно организованных ЦНС высших позвоночных животных. Тем не менее с известной осторожностью их можно использовать при интерпретации данных по экспрессии генов в мозге позвоночных.

10. Экспрессия генов в развивающейся нервной системе позвоночных

Возникновение ЦНС из недифференцированных клеток эктодермы до настоящего времени остается одним из самых загадочных процессов в эмбриогенезе позвоночных. Считается, что исходно клетки эктодермы не имеют самостоятельного нейрогенного потенциала, а их дифференцировка в нервные клетки индуцируется какими-то сигналами, поступающими из нижележащих клеток эмбриональной мезодермы. Молекулярная природа этих сигналов и их первичных эффектов в клетках эктодермы до последнего времени была совершенно неизученной. Совсем недавно обнаружено, что, например, компонентом такого первичного эффекта в эмбрионах шпорцевых лягушек является индукция гена Х1НЬохб, содержащего характерную для многих генов, регулирующих онтогенез, эволюционно консервативную последовательность, так называемый гомеобокс. Он тесно связан с определением локализации групп клеток и тканей, с "географией" клеток и функций в организме.

Экспрессия этого гена характерна для наиболее ранних стадий нейрогенеза. Ген ХШЬохб имеет четко выраженный сегментарный характер экспрессии в эмбриональной ЦНС: его транскрипты обнаруживаются только в задних двух третях нервной трубки. Подобно многим гомейотическим генам дрозофилы ген ХШЬохб перестает экспрессироваться на поздних стадиях эмбриогенеза.

Ген XlHboxl экспрессируется в спинном мозге, причем передняя граница экспрессирующей его области - очень резкая и в точности совпадает с границей спинного и головного мозга. При инактивации кодируемого этим геном белка специфическими антителами нарушается развитие передних отделов спинного мозга: они трансформируются в структуру, морфологически идентичную продолговатому мозгу.

Очевидно, кодируемые этими генами белки являются специфическими транскрипционными факторами, регулирующими генетическую детерминацию клеточных линий в определенных отделах эмбриональной ЦНС. Они обеспечивают реализацию позиционной информации в общем процессе нейрогенеза.

В геноме мыши обнаружено четыре комплекса тесно сцепленных гомеобокс-содержащих генов, Нох-1, - 2, - 3, и - 4. Индивидуальные гены каждого комплекса аналогично гомейотическим генам дрозофилы экспрессируются в различных относительно передне-задней оси тела областях ЦНС. Морфологически различимые сегменты в эмбриональной ЦНС позвоночных обнаруживаются лишь на ранних стадиях развития заднего мозга в виде так называемых ромбомеров, тогда как на более поздних стадиях и в мозге взрослых животных рудиментом сегментарного строения остается лишь распределение ядер черепно-мозговых нервов.

Индивидуальные гены Нох-2 комплекса имеют общую область экспрессии в каудальных отделах эмбриональной нервной трубки, тогда как передние границы экспрессирующей области у них различны: чем ниже данный ген расположен в Нох-2 локусе хромосомы, тем выше расположена эта граница.

Сейчас интенсивно накапливаются и обобщаются новые данные в этой области. Эволюционная консервативность регуляторных генов, экспрессируемых в сегментарных отделах эмбриональной ЦНС позвоночных, и явные аналогии в характере их экспрессии с гомейотическими генами дрозофилы делают весьма привлекательной гипотезу об их роли в детерминации общего плана строения и идентичности отдельных клеточных линий в развивающейся ЦНС.

Ни один из исследованных генов Нох комплексов не экс-прессируется в передних отделах головного мозга позвоночных в эмбриогенезе. Эти отделы не проявляют явных признаков сегментарного строения. Являясь относительно эволюционно новыми приобретениями, они, по-видимому, имеют специфичные механизмы генетической детерминации. Показано, в частности, что в детерминации отделов переднего и промежуточного мозга существенную роль играет ген Dlx, гомологичный гомейотическому гену D11 дрозофилы. Аналогично, в детерминации среднего мозга и, возможно, передних отделов мозжечка участвует протоонкоген Wnt-1 и гомеобокс-содержащие гены Еп-1 и - 2.