Принципы и механизмы регуляции онтогенеза

Главной задачей генетики в проблеме индивидуального развития является познание и управление его внутренними факторами, которые коренятся в дифференциальной транскрипции генов по мере хода развития. Генетическая программа создает основу целостного предопределенного развития, включая все нужные пути клеточной дифференциации и органогенеза. Реализация в онтогенезе генетической информации, записанной чередованием нуклеотидов в ДНК зиготы, осуществляется в результате непрерывных взаимовлияний ядра и цитоплазмы. Еще в 1975 году Н.К. Кольцов подчеркивал важную роль обмена веществ между ядром и цитоплазмой в регуляции активности генов в онтогенезе.

Цитоплазма зиготы, основную часть которой составляет цитоплазма яйцеклетки, так как спермин переносят ничтожную часть цитоплазмы, играет важнейшую роль в происхождении ранних этапов эмбриогенеза и активации первой группы генов на этих стадиях развития. Цитоплазма яйцеклетки содержит значительно больше различных белков, РНК и других видов молекул, чем любая соматическая клетка. Эти молекулы яйцеклетки синтезируются в оогенезе и, следовательно, имеют материнское происхождение.

Результаты исследования Бовери, Конклина, Дриша еще в конце прошлого столетия указывали на то, что определенные участки цитоплазмы яйцеклетки могут содержать факторы, определяющие судьбу тех или иных дифференцирующих клеток. В результате неодинакового пространственного распределения веществ в цитоплазме яйцеклетки, обозначаемого как ооплазматическая сегрегация, при дроблении зиготы в бластомеры попадают разные вещества, т.е. цитоплазма их оказывается различной. Функциональное состояние ядра оценивается по синтезу ДНК и РНК, определяемого с помощью меченых предшественников. Если ядро нейрона взрослой лягушки пересадить в активную неоплодотворенную яйцеклетку, то

в ядре начинается синтез ДНК, но синтез РНК прекращается. Следовательно, в цитоплазме яйцеклетки содержится активатор синтеза ДНК и репрессор синтеза РНК, действующие независимо друг от друга на разные группы генов.

Опыты по пересадке ядер эритроцита курицы, введение его в клетку тканевой культуры человека или мыши, показали, что оно реагирует на сигналы чужеродной ему цитоплазмы и начинает синтезировать ДНК и РНК. Межвидовые трансплантации ядер соматических клеток в энуклеированные яйцеклетки амфибий также показали, что в чужеродной цитоплазме не происходит нормальной активации генома. При взаимных пересадках ядер от разных видов животных было показано, что хромосомы ядер одного вида необратимо изменяются, будучи перенесены в цитоплазму другого вида. Ядра клеток на ранних стадиях развития еще не дифференцированы и эквипотенциальны ядру зиготы в его исходном состоянии. В процессе дифференцировки и функционирования соматических клеток хромосомы претерпевают значительные изменения, связанные со спецификой обмена веществ. Принято считать, что гены функционируют только в интерфазном состоянии ядра клетки; в метафазе они не функционируют, т.е. не выделяют в цитоплазму генные продукты. Предполагается, что функционирование гена происходит в состоянии полной деспирализации хромосом.

Это указывает на несомненную связь состояния ядра и хромосом с морфофизиологической дифференцировкой соматических клеток организма.!

В ходе эмбриогенеза ядерно-цитоплазматические взаимовлияния дополняются гомо- и гетеротипическими клеточными взаимодействиями, причем в этих случаях наблюдается переход веществ из одной клетки в другие. В разработку этой гипотезы большой вклад внесли Шпеман (1938), Чайлд (1941), сформулировавшие представления об эмбриональных индукторах и градиентах. Теория градиентов концентрации определенных химических веществ (дистантных агентов), запускающих те или иные морфогенетические процессы, и сейчас используются для объяснения механизмов развития высших организмов.

Если гормоны, относящиеся к категории диффундирующих веществ дальнего действия оказывают влияние в течение длительного периода онтогенеза, то диффундирующие вещества ближнего действия, которые называются индуцирующими, действуют только на определенном этапе дифференцировки клеток в эмбриогенезе. Явления эмбриональной индукции проявляются, в частности, при развитии нервной трубки, хрусталика и почки конечности, причем индуктором в этих случаях служат соответственно хордомезодерма, глазной пузырь и боковая мезодерма. В результате индукции происходит дерепрессия тканеспецифических генов. Первичная индукция, обуславливающая формирование нервной пластинки, вероятно, связана с белком, который мигрирует из хордомезодермы в эктодермальные клетки.

Экспериментальными исследованиями показано, что индуктор представляет собой белок, синтезируемый мезенхимными клетками. Индуцирующий белок сначала стимулирует клетки компетентной ткани - энтодермального эпителия - к делению, число клеток увеличивается и затем они дифференцируются в эндокринные и экзокринные клетки поджелудочной железы. Дифференцировка характеризуется последовательным синтезом ферментов поджелудочной железы и гормонов, причем различные гидролазы синтезируются последовательно друг за другом строго в запрограммированном порядке. Это показывает, что структурные гены, ответственные за синтез каждого фермента, последовательно активируются.

Для межклеточной передачи индуцирующих веществ, как правило необходимы, клеточные контакты, что, возможно, обусловлено быстрой деградацией веществ-индукторов во внеклеточной среде.

Индукторы являются белками молекулярным весом около 30000. Это открыл Тидеман (1975). Индуцирующий фактор проникает, по-видимому, в ядро клетки, вызывая изменение его активности. Наряду с веществами индукторами, характеризующимися контактным характером действия, большая роль в процессах развития принадлежит гормонам, осуществляющим свое действие дистантно, часто даже на значительном расстоянии от места их секреции.

Гормоны стероидной или полипептидной природы являются мощными регуляторами активности генов в клетках-мишенях. Стероидные гормоны (андроген, эстроген, альдостерон, прогестерон, кортикостероиды) проходят через плазматическую мембрану и соединяются с цитоплазматическим рецептурным белком; затем происходит активация стероид-рецепторного комплекса и перенос его в ядро, где такой комплекс связывается со строго определенным участком хроматина, приводя тем самым к специфической

транскрипции гена.

Различные стероидные гормоны, включая эстроген и прогестерон, контролируют развитие и функцию железистых клеток яйцевода курицы. Введение эстрогена молодым цыплятам приводит к дифференцировке железистой клетки, которая синтезирует основные белки белковой оболочки ядра, включая овальбумин, кональбумин и лизоцим. Если введение эстрогена прекратить, то железистые клетки сохраняются, но синтез овальбумина не происходит. Повторное введение эстрогена приводит к возобновлению синтеза этого белка.

Полипептидные гормоны (соматотропный гормон, инсулин, паратироидный гормон) действуют первично на плазматическую мембрану и, прежде всего, влияют на систему циклического АМФ.

Один из главных и наиболее перспективных методов изучения морфофизиологической дифференцировки в онтогенезе - это метод культуры тканей. Разработаны методики культуры тканей человека, животных и растений на специальных питательных средах в асептических условиях. Они позволяют выращивать колонии клеток различных тканей: кожи, костного мозга, печени, селезенки, легких, яичников, семенников и др.

Использование метода культуры тканей позволит не только осуществлять все этапы генетического анализа на соматических клетках: получение мутаций, их анализ и т.д., - но также, как это сделано на микроорганизмах, подойти к изучению действия генов, в данном случае в соматических клетках, относящихся к разным стадиям дифференциации ткани.

В настоящее время генетические исследования на культуре тканей ведутся с использованием спонтанно возникающих и индуцированных соматических мутаций. Эти мутации затрагивают иммунологические реакции и морфологические особенности клеток. Получены мутантные линии клеток различающиеся по потребностям в разных химических соединениях, входящих в состав питательной среды, по устойчивости к лекарственным веществам, вирусам и т.д.

Генетическое и цитогенетическое изучение морфофизиологической дифференцировки тканей с привлечением новых методов исследования дает основание сделать следующее заключение; В процессе онтогенеза клетки соматических тканей претерпевают дифференцировку. При этом ядра соматических клеток уже на ранних стадиях эмбриогенеза теряют свою исходную тотипотентность, а хромосомы локально изменяют состояние спирализации.

Реализация наследственной информации в ходе развития позвоночных и человека может быть представлена на слайде. Активация генов зависит от состояния цитоплазмы, действия гормонов и разнообразных клеточных взаимодействий. Экспрессия генов может регулироваться на уровне транскрипции в течение процессинга и транспорта и-РНК из ядра в цитоплазму, а также на трансляционном и посттрансляционном уровнях. В ходе развития происходит постоянное взаимодействие наследственных и экзогенных факторов. Одни признаки, например, цвет глаз, группа крови, синтез определенных структурных белков и ферментов определяется исключительно генетически и не зависит от внешних факторов. Влияние экзогенных факторов, а также сложное взаимодействие генных продуктов приводит к изменению экспрессии генов, в следствие чего генные эффекты могут не проявлятся.

Изучение механизмов регуляции активности генов в индивидуальном развитии является одной из важнейших проблем современной биологии. В зиготе гены не активны, дерепрессия или активация генов происходит в ходе развития, причем в разных клетках дерепрессируются различные гены. На любой стадии дифференцировки клетки работает не более 5-10% генов, а остальные гены находятся в неактивном, репрессированном состоянии. В качестве репрессоров генов выступают особые белки-гистоны, синтез которых контролируется генами. Взаимодействие генов, проявляющееся через взаимовлияния молекул репрессоров и дерепрессоров генов, ядра и цитоплазмы и различных клеточных систем друг с другом, определяет характер индивидуального развития высших организмов. Пока еще получено мало данных, чтобы понять весь сложный процесс действия и взаимодействия многих тысяч генов, контролирующих в конечном итоге развитие организма.

В онтогенезе нельзя изменить какую-либо одну функцию (реакцию) и элементарную структуру без того, чтобы при этом не затронуть всю систему онтогенеза. Онтогенез как бы программирован в генотипе. Он протекает неравномерно, в его ходе происходит качественная смена процессов, выражающаяся в изменении характера роста и дифференцировки.

Ввиду крайней сложности процессов развития поистине удивительно, что они совершаются с такой правильностью. Например, рука человека состоит из 29костей, и каждая из них в процессе развития должна приобрести в процессе развития определенные размеры и форму и образовать с соседней костью сустав совершенно определенного типа. Кроме того, должно образовываться 40 с лишним мышц, причем каждая из них должна иметь определенную величину и прикрепляться к соответствующим участкам костей. К этим мышцам подходит множество двигательных и чувствительных нервов, каждый из которых должен соединится с соответствующими двигательными концевыми пластинками на мышечных волокнах или с рецепторами кожи, сухожилий и суставов. К этому необходимо добавить развитие множества артерий и вен, расположенных таким образом, чтобы обеспечить кровоснабжение каждой части руки.

На протяжении всех периодов онтогенеза формируется одно из важнейших свойств всех живых систем- свойство приспосабливаться.

В процессе приспособления изменяются биохимические процессы, функциональные свойства клеток, тканей и органов.

Генотип, сформировавшийся в процессе эволюции, определяет врожденную приспособленность организма к условиям внешней среды, в которой осуществляется его онтогенез. Так как факторы внешней среды разнообразны и изменчивы в довольно широких пределах, то в процессе эволюции отбор создал специальные механизмы индивидуального приспособления. Эти механизмы наследственно детерминированы. Так, организмы одного генотипа могут легче, чем другие, приспосабливаться к понижению или повышению температуры, изменению давления, содержания кислорода в воздухе и т.д.

Способность организма приспосабливаться в индивидуальном развитии к меняющимся условиям окружающей его среды называют онтогенетической адаптацией. Критерием приспособленности организма является сохранение его до воспроизведения потомства. Организм может адаптироваться как к постоянно, систематически действующим в течение индивидуальной жизни факторам внешней среды, так и к флуктуирующим.

Онтогенетическая адаптация может быть генотипической и фенотипической. Генотипическая адаптация представляет наследственно детерминированное приспособление организма к конкретным условиям внешней среды, фенотипическая адаптация, хотя и не сопровождается наследственным изменением, тем не менее, ограничена в своих пределах нормой реакции генотипа.

Примером фенотипической адаптации может служить опыт с адаптацией дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) к галактозе. Обычно этот вид дрожжей выращивают на среде, содержащей глюкозу, которая и сбраживается дрожжами. Если клетки дрожжей, выращенных на глюкозе, отмыть и перенести в среду, лишенную глюкозы, но содержащую галактозу, то дрожжи вначале не размножаются. Однако через несколько часов они все же приобретают способность сбраживать галактозу, так как у них происходит перестройка гликолитического механизма. Эта перестройка у дрожжей представляет не генотипическую (за счет отбора мутантов), а фенотипическую адаптацию. Если в питательную среду прибавляют глюкозу, то клетки теряют приобретенную адаптацию и переключаются на сбраживание глюкозы. Подобные опыты указывают на то, что в процессе такой адаптации происходит синтез специфического фермента или набора ферментов, осуществляющих сбраживание необычного субстрата. Такого рода адаптационные изменения ферментативной деятельности называют ферментативной адаптацией.

Наиболее отчетливо существование механизмов онтогенетической адаптации можно видеть у многоклеточных организмов, в особенности у животных. Прежде всего, к ним относятся физиологические механизмы, обеспечивающие физиологический гомеостазис, т.е. сохранение постоянства внутренней среды организма. Многоклеточный организм обладает также рядом других механизмов приспособления: 1) регенерация тканей и функциональное замещение (компенсация) утраченной функции; 2) иммунитет, обеспечивающий устойчивость организма против инородных включений, в том числе против инфекционных начал; 3) функциональная адаптация органов в зависимости от влияния внешних раздражителей на организм; 4) у животных - способность образовывать временные связи (условные рефлексы) на изменяющиеся факторы внешней среды и другие механизмы.

Иммунитетом в широком смысле слова обладают все организмы -животные, растения и микроорганизмы. Иммунитет может быть врожденным (генотипическим) и приобретенным (фенотипическим). Проникновение в чужеродного белкового тела, являющегося антигеном, ведет к выработке в крови животного соответствующих антител, которые делают

организм невосприимчивым, устойчивым к этому антигену или сходному с ним. Мобилизация защитных иммунологических механизмов против заражения паразитами, бактериальной или вирусной инфекции является одним из общих и важных адаптационных механизмов в онтогенезе.

Своеобразным примером иммунитета может служить явление резус-фактора, приводящего к несовместимости крови матери и ребенка. Людей, обладающих этим фактором, называют резус-положительными (Rh⁺), a людей, не обладающих этим фактором, - резус-отрицательными (Rh^-). Резус-фактор определяется доминантным геном Rh, отсутствие его - рецессивным аллельным геном rh. Если мать и отец являются резус-положительными или оба резус-отрицательными, то заболевание крови младенца не наступает. Указанной болезнью страдают младенцы, происходящие только от резус-положительного отца и резус-отрицательной матери.

Описанное явление служит примером генотипической адаптации, так как адаптивнаяя реакция — выработка антител так же, как и образование обусловливается определенными генотипами. При обычных которые проводятся в профилактических целях, в организме вырабатывается временный иммунитет, который не является наследственным. Его возникновение служит примером фенотипической адаптации.

Приведенные примеры показывают, как много в понимании факторов индивидуального развития дают современные молекулярно-генетические подходы. Однако главная загадка сущности индивидуального развития - это вопрос о природе целесообразности на базе реализации плана целостного развития. Для этой проблемы огромный материал будет создан в исследованиях по молекулярной генетике.

Дата добавления: 2015-07-13