Дифференциальная активность генов в онтогенезе

Генетикой установлено, что все соматические клетки организма несут один и тот же набор генов, однако клетки многоклеточного организма очень разнообразны. Даже в одной клетке скорость синтеза и состав белковой фракции могут варьировать. Что регулирует активность генов?

1961г. Жакоб и Моно исследовали синтез ферментов у Е.coli (синтезирует около 800 ферментов, но постоянных лишь конструктивные, индуцибельные синтезируется только в присутствии специфических индукторов). Е.coli выращивали на среде с глюкозой, затем пересаживали на лактозу, появлялась задержка роста культуры, вскоре темпы роста восстановились. Выяснили, что для усвоения лактозы необходимо 2 фермента β-галактозадаза (лактозо → галактоза+глукоза) и лактозопермиаза (позволяет быстро поглощать лактозу из среды). Это пример индукции ферментов. Другой опыт: в среде много триптофана, при этом у Е.coli подавляется синтез триптофансинтетазы (это пример репрессии). Для объяснения Жаков и Моно предложили гипотезу «включения» и «выключения» генов

Генетическая регуляция развития

Многоклеточные животные и растения начиняют свой жизненный цикл с одной клетки, далее следуют митозы и все клетки содержат один и тот же генетический материал, но имеют определенную структуру позволяющую им выполнять ряд специфических функций более эффективно. Процесс развития организма включает рост и дифференцировку. Причины такого разнообразия клеток не ясна, однако она явно связана с индукцией и репрессией генов. Дифференцировка связана с различным взаимодействием 3-ех факторов: ядра, цитоплазмы и окружающей среды.

Ядро – хранилище генетической информации, оно является первичным источником развития.

Роль цитоплазмы изучалась на эмбрионах. У некоторых организмов цитоплазма яйца уже является неоднородной и из разных ее частей развиваются разные участки зародыша.

Шпеман и Мангольд выдвинули гипотезу об эмбриональной индукции: в зародыше есть группы клеток, действующие на другие как организаторы. Первичный организатор детерминирует дальнейшее развитие (определяет ось зародыша, побуждает появление вторичных и третичных организаторов) в результате чего все органы и системы дифференцируются на нормальных для низ местах. Это лишь один из механизмов развития (у мозаичных яиц – другие механизмы).

Дифференцировка – возникновение различий между клетками, тканями, органами. До 7 дня зигота тотипотентна, т.е. из любой её клетки можно вырастить целый организм или орган. После 7 дня тотипотентность теряется из-за дифференцировки. Все структурные клетки условно делят на 3 типа:

1) гены “домашнего” хозяйства – работающего во всех клетках организма;

2) гены, работающие в специализированных тканях;

3) гены, выполняющие 1-ну узкую функцию. Большинство генов многоклеточного организма работают только на определённых стадиях онтогенеза или в определённых тканях.

Примеры неравномерной работы генов:

1) инактивация “х” хромосомы у самок. Сначала на ранних стадиях эмбриогенеза из 2-х “х” хромосом по принципу случайности, выбирается одна, затем она инактивируется мителированием – её её неактивное состояние стабилизируется, т.е.сохраняется в течение всей жизни данного организма. Любой женский организм мозаичный, т.е. 50% отцовских, 50% материнских “х” хромосом. Неравномерная активность отцовских и материнских генов наз. геномным иниринтингом.

2) у эукариот зигота до стадии поздней бластулы развивается за счёт информации, содержащеёся в информосомах. Гены ядра начинают работать со стадии гаструлы.

3) работа гигантских хромосом в слюнных железах личинок насекомых. На них находятся активные гены.

4) изменение состояния гемоглобина у человека и животных с возрастом.

Ооплазматическая сегрегация яйцеклетки

Ооплазматическая сегрегация: перераспределение биологически активных молекул (локальных детерминант) в цитоплазме яйцеклетки в результате ее активации.

Во время движения мужского пронуклеуса в яйце происходят сложные перемещения цитоплазмы. В результате она становится более неоднородной. Эти процессы получили название ооплазматическои сегрегации (разделения). Они хорошо заметны в тех случаях, когда разные участки цитоплазмы содержат разноцветные гранулы (желток, темный пигмент и др.). У хорошо изученных в этом отношении асцидий (сидячих морских животных) и амфибий перемещения цитоплазмы приводят к тому, что яйцеклетка приобретает двустороннюю симметрию.

В яйцеклетках асцидий удается обнаружить и другие области, различающиеся по составу и цвету включений. Наблюдения показали, что эти области цитоплазмы попадают в строго определенные клетки зародыша, из которых формируются строго определенные ткани

Механизмы движения цитоплазмы в деталях не изучены. Очевидно, что главную роль в этих перемещениях играет цитоскелет. В частности, важная роль может принадлежать центриоли сперматозоида и отходящим от нее микротрубочкам. С помощью вещества колхицина, нарушающего сборку микротрубочек, ооплазматическую сегрегацию удается подавить.

Можно предположить, что в разных участках цитоплазмы яйцеклетки содержатся различные вещества (их назвали локальными детерминантами, т.е. "определителями"), которые определяют судьбу клеток.

Химическая природа локальных детерминант во многих случаях не изучена, так как выделить их в чистом виде не удается. Однако механизмы их действия интенсивно изучаются современными методами

Известно, что локус Т играет принципиальную роль на ранних стадиях развития. Так, он принимает участие в образовании эктодермы мышиного зародыша, а также в ряде морфогенезов на более поздних стадиях развития организма. Хотя мутации по локусу Т дают как правило рецессивные аллели, известны пять доминантных мутаций. Результатом одной из них является доминантный аллель Brachiury.

Совсем недавно исследователями Соединенных Штатов Америки был выявлен новый ген под названием GRP54. Данные исследователи утверждают, что именно этот ген не просто принимает участие, а занимает руководствующее место в процессе полового созревания как девочек, так и мальчиков. Более того, он отвечает не только за сам процесс, но еще и за половое развитие. Как только данный ген активируется, он провоцирует своего рода гормональный взрыв в организме человека. В случае же если данный ген по каким-либо причинам начнет видоизменяться, это приведет к нарушению процесса.

Ген старения — P 16

Однако, как оказалось, старение клеток зависит не только от укорачивания теломеров. Китайские ученые во главе с профессорами медицинской академии при Пекинском университете обнаружили ген «P 16», отвечающий за старение клеток. В ходе исследований выяснилась не только прямая связь гена «P 16» с процессами старения, но и его способность оказывать влияние на длину теломеров.

Китайские ученые доказали, что сдерживание активности гена«P 16» может не только продлить жизнь клетки, но и уменьшить степень сокращения теломеров. Из этого следует, что процессы старения заложены в генетической программе клеток, и для того, чтобы сделать клетки бессмертными, в них нужно заблокировать ген «Р 16». Предполагается, что ученые получат возможность блокировать гены организма с развитием нанотехнологий.

Дифференцировка, рост, морфогенез — основное содержание и результат становления фенотипа.

Закономерные видоспецифичные изменения особив продуктивную (созидательную) фазу индивидуального развития, составляющую у людей период развития дефинитивного фенотипа. включающий внутриутробное (эмбриогенез) и раннее постнатальное (детство, отрочество, юность) развитие, представляют в своей совокупности элементарное явление рассматриваемого уровня. В части биологической составляющей онтогенеза человека, также как и других животных, эти изменения обеспечивают рост организма, гисто- и морфогенезы и дифференциацию его частей (образование тканей и органов), а также, одновременно, интеграцию развития в целостный процесс, структурно-цитохимически-функциональную специализацию (дифференцировку) клеток, у многоклеточных - регуляцию количества клеток определенного цитотипа (направления дифференцировки). Специфическим для человека является то, что он рождается, готовым к мыслительной и трудовой деятельности, способным стать членом общества и гражданином.

Рост - это увеличение общей массы и размеров организма в процессе развития. Он происходит на клеточном, тканевом, органном и ор-ганизменном уровнях. Увеличение массы в целом организме отражает рост составляющих его структур.

Различают два типа роста: ограниченный и неограниченный. Неограниченный рост продолжается на протяжении всего онтогенеза, вплоть до смерти. Таким ростом обладают, в частности, рыбы. Многие другие позвоночные характеризуются ограниченным ростом, т.е. достаточно быстро выходят на плато своей биомассы

Рост обеспечивается следующими механизмами:

• увеличением числа клеток;

• увеличением размера клеток;

• увеличением объема и массы неклеточного вещества (рис. 8.65).

Рост - одна из составляющих онтогенеза. Он тесно связан с процессами детерминации, дифференциации и морфогенеза. Важнейшая характеристика роста, как было сказано выше, - его дифференциальность. Другой не менее важной особенностью является такое свойство роста, как эквифинальность. Это означает, что, несмотря на воздействующие факторы, особь стремится достичь типичного видового размера. Как дифференциальность, так и эквифинальность роста указывают на проявление целостности развивающегося организма. В процессе роста реализуются клеточные и системные механизмы развития.

В процессе развития первоначально происходит детерминация и пространственная разметка структуры, а затем ее рост. Так, у куриного зародыша разметка зачатка конечности осуществляется, когда его размер составляет всего несколько миллиметров в длину. Сначала все элементы: плечо, локтевая кость и запястье одинаковы по размеру. Затем происходит их дифференциальный рост. Программы роста уже определены, когда реализуется пространственная разметка конечности, что подтверждается экспериментами по пересадке зачатка в нейтральное место зародыша. После пересадки каждый элемент скелета следует собственной программе развития.

На рост как процесс онтогенетического развития регулирующее действие оказывают гуморальные и генетические факторы. Так, в мышцах миобласты продуцируют белок миостатин, оказывающий тормозящее влияние на рост. Мутация гена, кодирующего данный белок, приводит к значительному увеличению мышечной массы. Генетически запрограммирован размер организма и его отдельных структур.

41. Основ­ные клеточные процессы в онтогенезе (пролиферация, миграция, клеточ­ные сгущения, избирательная сортировка клеток, дифференцировка, за­программированная гибель клеток, адгезия). Межклеточные взаимодейст­вия (контактные и дистантные) на разных этапах онтогенеза.

Пролиферация-разрастание ткани организма путём размножения клеток, лежит в основе развития всех органов. Благодаря ей достигается определенная масса тканей. В отдельных зачатках делящиеся клетки могут располагаться без видимого порядка или концентрироваться в особых матричных зонах.