ЛЕКЦИЯ N 15

 

 

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ КЛЕТОК И ТКАНЕЙ В ПРОЦЕССЕ ОНТОГЕНЕЗА

 

 

1. Общие закономерности онтогенеза.

2. Механизмы онтогенеза на клеточном и организменном уровнях.

3. Молекулярно-генетические механизмы дифференцировки. Избирательная активность генов в развитии.

4. Роль наследственности и среды в онтогенезе. Критические периоды. Тератогенные факторы среды.

5. Целостность онтогенеза. Корреляции. Эргонтические взаимоотношения биологической структуры и функции.

Развитие организма - это не только авторепродукция его клеток и тканей, но и длинная цепь закономерных изменений, возникновение нового в химическом, физическом, морфологическом и функциональном отношении. Достаточно вспомнить, что из яйцеклетки человека, имеющей вес около 0, 0015 мг, после оплодотворения развивается ребенок массой около 3 кг. Проходят годы и человек становится способным анализировать окружающий мир и преобразовывать его.

В основе роста и индивидуального развития многоклеточного организма лежат митотические деления клеток. Митоз - деление равнонаследственное. В силу этого клетки специализированных тканей организма (мозга, мышц, кожи, печени и др.) должны обладать идентичными генотипами. Поэтому генетические механизмы дифференцировки клеток и тканей в ходе онтогенеза требуют своего выяснения. Исходным моментом генетического исследования онтогенеза является анализ действия гена на формирование признака в соответствии с принципом: ген (ДНК) - и-РНК - белок -... - признак.

Главной проблемой в изучении наследственных основ индивидуального развития является установление промежуточных звеньев в цепи "ген-признак".

Известно, что у животных первичная дифференцировка обусловлена структурой цитоплазмы яйца и его поверхностным слоем (кортексом) - ооплазматическая сегрегация. Например, безъядерные яйца некоторых амфибий и беспозвоночных после их активации сохраняют способность развиваться на стадии бластулы. Кортекс функционально дискретен. Он имеет анимальную зону, из которой образуется эктодерма, зону "серого сердца", где закладывается мезодерма и откуда начинается гаструляция, и вегетативную, образующую энтодерму. т.о., яйцеклетка дифференцирована ещё до оплодотворения.

После оплодотворения выявляется ещё более тонкая дифференцировка яйца, детерминирующая развитие зародыша на ранних стадиях.

 

Бластомеры, возникающие путем митоза, содержат геномы, но размеры участков кортекса и цитоплазмы в них неодинаковые. Вследствие этого они имеют различно организованную цитоплазму, которая может служить регулятором считывания не одних и тех же генов в разных бластомерах и, т.о., влиять на ход дифференцировки. Итак, ядро и цитоплазма в процессе дифференцирования взаимосвязаны, при этом преформированность цитоплазмы и кортикального слоя яиц являются результатом деятельности генотипа материнского.

С оплодотворения начинается собственно онтогенез, в котором проявляется действие генов, полученных от отцовского организма. Если гены контролируют весь онтогенез, все признаки и реакции организма, то возникает ряд вопросов: одновременно или лишь отдельные гены действуют на разных этапах развития; чем определяется вступление их в действие; каким образом осуществляется специфическое действие генов? Ответ на некоторые вопросы был получен в опытах с пересадкой ядер. Неоплодотворенную яйцеклетку активируют уколом и удаляют из неё ядро. Затем с помощью микропипетки в неё пересаживают ядро из клетки зародыша, находящегося на более поздней стадии развития (бластулы, гаструлы). В этом случае, если ядро клетки-донора уже претерпело дифференциацию, то после его пересадки яйцо-реципиент не даст нормального зародыша. И наоборот, если ядро донора ещё не было дифференцировано и сохранило способность давать полное развитие, то яйцеклетка-реципиент будет нормально дробиться. Опыты показали, что если ядро берется от клетки донора со стадии бластулы или ранней гаструлы, то из яйца-реципиента развивается нормальный головастик. Следовательно, ядра клеток на ранних стадиях развития ещё не дифференцированы и равноценны ядру зиготы. Из яйца с ядром, пересаженным из клеток поздней гаструлы, зародыш не развивается. Следовательно, к моменту гаструляции происходит необратимая дифференцировка ядра.

Молекулярно-генетические процессы определения течения начальных этапов индивидуального развития в основном сходны как у беспозвоночных, так и позвоночных, и начинаются ещё в предзиготный период.

В течение онтогенеза в будущей яйцеклетке происходит усиленный синтез РНК, рибосом и тех и-РНК, которые после оплодотворения понадобятся для начального развития эмбриона. В ооцитах земноводных и других животных интенсивность этого синтеза может возрастать благодаря процессу амплификации (или умножения) генов р-РНК. Этот процесс происходит следующим образом. При репликации генов р-РНК часть из них выходит из хромосомы в ядерный сок, располагается вблизи ядерной мембраны и продолжает автономно реплицироваться, причем число таких генов р-РНК во много раз превышает число генов р-РНК, находящихся в ядрышковом организаторе хромосомы. Затем в сотнях или даже тысячах сформированных т.о. добавочных ядрышках происходит транскрипция и огромное число молекул р-РНК поступает из ядра в цитоплазму и используется при образовании рибосом.

Не исключено, что могут амплифицироваться и другие гены.

У земноводных мейоз надолго приостанавливается в диплонеме и в течение этого периода в ооците происходит усиленный синтез и-РНК. Хромосомы при этом удлиняются, отчетливо видны хромомеры. От многих хромомеров походит в стороны по паре больших петель, что придает хромосоме вид ершика для мытья посуды. Такие хромосомы получили название ламповых щеток. Н а этих петлях происходит синтез и-РНК. Многие и-РНК могут длительно сохраняться, образуя в комплексе с белком частицы и использоваться для трансляции лишь много времени спустя после того, как были синтезированы на ДНК. Запасом и-РНК в яйце пополняются, кроме того, молекулами и-РНК, проникающими в него из клеток яичника.

После оплодотворения начинается дробление, регулируемое на первых порах исключительно информацией, содержащейся в яйце. Активный синтез белка идет за счет полученного из яйца запаса рибосом и РНК. Т.о., ни материнский, ни отцовский геномы в этом периоде не транскрибируются.

В эмбриогенезе лягушки синтез и-РНК, прекратившийся в яйце, возобновляется только после делений дробления, т.е. в середине стадии бластулы, когда зародыш состоит приблизительно из 1000 бластомеров, т-РНК начинают синтезироваться в конце стадии бластулы, а р-РНК и новые рибосомы впервые образуются только на стадии гаструлы. В эмбриогенезе мыши синтез и-РНК, т-РНК и р-РНК начинается раньше, на стадии 2-4 бластомеров, но и тут первые стадии развития зародыша протекают по плану, определяющемуся сначала исключительно, а затем преимущественно информацией, полученной от матери через цитоплазму яйца.

На протяжении первых стадий эмбриогенеза, вплоть до поздней бластулы, реализуется главным образом та часть генетической информации, которая касается:

1) общих метаболических процессов, присущих всем делящимся клеткам;

2) затем происходит постепенная репрессия неспецифических генов, т.е. начинается дифференцировка клеток зародыша. У животных на стадии гаструлы и позже обособляются так называемые стволовые клетки, разные популяции которых дают начало различным тканям и органам.

Начиная с этого момента в ходе развития устанавливаются индукционные отношения между тканями и органами, т.е. влияние одной ткани на другую, направляющее характер её развития. Например, в ходе гаструляции у позвоночных зачаток хорды приходит в контакт с определенным районом эктодермы. В результате чего эпидермальные клетки дифференцируются не в эпителий кожи, как вся эктодерма, а в нервную систему. Феномен получил название ЭМБРИОНАЛЬНАЯ ИНДУКЦИЯ. Механизм индукции состоит в образовании в клетках ткани "индуктора" специфических веществ, которые, мигрируя в соседнюю индуцируемую ткань, меняют путь ее развития. Природу индукторов пока неясна. Очевидно, продукты деятельности генов клеток зачатка хорды активируют деятельность тех участков клеток эктодермы, которые определяют развитие нервной системы.

В ядрах дифференцированных клеток большинство генов находится в репрессивном состоянии, число же активно работающих генов различно в различных тканях и органах на разных стадиях развития. Тщательные исследования, проведенные на разных объектах, позволяют считать, что, по-видимому, в большинстве случаев их доля превышает 10-20%, конечно, в разное время она состоит из разных генов. Все структурные гены эукариотов можно условно разделить на три типа:

1. Гены, функционирующие во всех клетках организма. К ним принадлежат гены, кодирующие ферменты энергетического обмена, ответственные за синтез важнейших макромолекул и образование общих для всех клеток структур.

2. Гены, функционирующие только в тканях одного типа. Это гены, определяющие синтез миозина в мышцах, коллагена - во всех опорных тканях и т.д.

3. Гены, необходимые для выполнения клетками специализированных узких функций (синтез гемоглобина в эритроцитах, разных гормонов в эндокринных железах, трипсина и амилазы и др. ферментов в пищеварительном тракте, белка хрусталика и др.). При этом клетки, морфологически почти тождественные и функционально близкородственные, могут отличаться по активности отдельных генов. Например, свойства хряща в позвоночнике отличаются от свойств отдельных генов хряща скелета пальца.

Регуляция активности генов в онтогенезе была открыта и изучена Жакобом и Моно. Для эукариот характерна групповая регуляция генов в онтогенезе. Групповое выключение генов, находящихся в одной хромосоме, происходит в онтогенезе самок млекопитающих. У них гены обеих Х-хромосом активны только на ранних стадиях эмбриогенеза, когда решается, что последующая дифференциация организма пойдет в сторону женского, а не мужского пола. Позже, когда уже заложены гонады, дальнейшее развитие вторичных половых признаков определяется половыми гормонами. Если бы в это время у гомогаметных особей транскрибировались бы гены обеих Х-хромосом, это привело бы к возникновению больших различий особей разного пола не только по половым признакам, но и по другим жизненно важным признакам, регулируемым Х-хромосомой.

У эукариот широко распространена регуляция активности генов особыми сигнальными веществами, вырабатываемыми другими клетками. Из таких сигнальных веществ лучше изучены гормоны. Регуляция, осуществляемая разными гормонами (адреналином, тироксином, половыми гормонами, гормоном роста и др.), имеет много общих черт. Все они действуют только на специфические клетки-мишени. Способность таких клеток реагировать на определенный гормон обусловлена тем, что в клетке вырабатывается особый белок-рецептор, связывающийся с данным гормоном и при этом изменяющийся, после чего он приобретает свойства индуцировать работу одного или нескольких генов в хромосомах клеточного ядра. Так, при воздействии глюкокортикоидов на клетки печени или эстрагенов на клетки матки, в них происходит резкое возрастание матричной активности ядер и интенсивный синтез РНК и белка.

 

Образование белков-рецепторов и гормонов контролируется генами. Например, у человека известно наследственное заболевание тестикулярная феминизация. У лиц с таким заболеванием отсутствуют рецепторы к тестостерону. Поэтому зародыш мужского пола приобретает черты, свойственные женскому организму. В случае адреногенитального синдрома из-за дефекта генетического контроля возникает нарушение в синтезе коры надпочечников, в результате чего образуется промежуточный продукт с андрогинной активностью. В результате этого нарушается формирование полуспецифических признаков. Т.о., у высших организмов имеется интегрированная система управления генами взаимосвязанных функций организма: одни гены контролируют синтез гормонов, другие - синтез рецепторов, третьи реагируют на гормональный статус.

Развитие зародыша протекает при непрерывном взаимодействии наследственных и внешних факторов. В процессе таких взаимоотношений формируется фенотип, фактически отражающий результат реализации наследственной программы в конкретных условиях среды. Несмотря на то, что внутриутробное развитие зародыша у млекопитающих происходит в относительно постоянной вреде в оптимальных условиях, влияние внешних неблагоприятных факторов в этот период вовсе не исключено, особенно при их возрастающем накоплении в окружающей среде в связи с техническим прогрессом. В настоящее время человек во все периоды своей жизни подвергается воздействию химических, физических, биологических и психологических факторов.

Экспериментальное изучение развития животных привело к представлению о так называемых критических периодах в развитии организмов. Под этим термином понимают периоды, когда зародыш наиболее чувствителен к повреждающему действию разнообразных факторов, которые могут нарушить нормальное развитие, т.е. это периоды наименьшей устойчивости зародыша к факторам внешней среды. Организм в разные периоды своей жизни неодинаково чувствителен к температуре, в другой - к хим. агентам и т.д. В критические периоды у зародыша сильно меняется метаболизм, резко усиливается дыхание, меняется содержание РНК, падает темп роста. Различают критические периоды, общие для всего организма и критические периоды в развитии отдельных органов. Критические периоды совпадают с активной морфологической дифференцировкой, с переходом от одного периода развития к другому. У млекопитающих имплантация бластоцисты в стенку матки является критическим периодом, переходом к новым условиям питания и газообмена, требующим новых приспособлений. Развитие плаценты и переход к газообмену представляют новый критический период. Применительно к человеку большое значение отводится следующим критическим периодам: период имплантации [6-7 сутки после зачатия (.), период имплантации (конец 2-й недели беременности), перинатальный период (роды)]. Изучение критических периодов в эмбриогенезе показывает необходимость охраны материнского организма от вредных факторов, особенно в первые недели беременности.

Воздействие на организм матери во время беременности различных химических, физических, биологических агентов может привести к нарушению развития эмбриона и рождению урода или внутриутробной смерти плода. Тератогенным действием могут обладать хинин, алкоголь, кофеин, различные токсические вещества, а также простейшие (токсоплазма), вирусы (вирус краснухи). Тератогенным действием могут обладать некоторые лекарства (талидомид), все виды ионизирующего излучения. Эти факторы говорят о необходимости охраны здоровья беременной, осторожного назначения лекарств, физиотерапевтических процедур.

Форма и функции органов и тканей развивающего организма непрерывно взаимосвязаны и морфологические явления имеют свою физиологическую сторону. Организм ни на одной стадии развития не есть мозаика частей, органов или признаков. Организм развивается всегда как специфическое целое. Сложная система связей, т.е. корреляция, обусловливает развитие организма как целого. И. И. Шмальгаузен выделил геномные, морфологические и эргонтические корреляции.

Корреляции в онтогенезе:

ГЕНОМНЫЕ корреляции могут осуществляться, по-видимому, непосредственно веками, через какие-то биохимические процессы, совершающиеся в клетках, в которых реализуется изменение. Это зависимости одного или нескольких связанных генов - плейотропное действие гена, пенетрантность, множественный аллелизм.

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ корреляции - это взаимозависимости между двумя или более морфогенетическими процессами (хорда-мезодерма), развитие нервной системы из эктодермы, преобразование эктодермы в наружную часть роговицы под влиянием хрусталика глаза.

ЭРГОНТИЧЕСКИЕ (функциональные) корреляции - это корреляции между частями, обусловленные функциональными зависимостями между ними (зависимость между развитием нервных центров, нервов и развитием периферических органов, зависимость между развитием мышц, нервов, кровеносных сосудов мышц).

Различные типы корреляции характерны для различных этапов онтогенеза. В онтогенезе в результате процессов дифференциации происходят новые и новые корреляции. Это приводит к дальнейшим дифференцировкам. Движущие силы индивидуального развития создаются по мере дифференцировки зародыша в результате взаимодействия продуктов этой дифференцировки. В результате этих взаимодействий организм развивается на всех стадиях как одно согласованное целое.