Факторы регуляции развития человека на разных этапах онтогенеза. Генетические факторы регуляции онтогенеза.

Анализ взаимоотношений «генотип-фенотип» на уровне отдельных генов и целых генных сообществ остается центральной проблемой современной генетики развития. В настоящее время эта проблема приобретает особую актуальность в связи с полной расшифровкой первичной структуры генома человека и началом исследований по функциональной геномике. Благодаря достижениям в расшифровке генома человека, а также успехам нового научно-практического направления в медицинской генетике-пренатальной диагностике, стал возможным углубленный комплексный анализ сложных взаимоотношений генотипа и фенотипа в развитии человека.

Согласно определению профессора Н.А. Колчанова «Генная сеть – группа координированных экспрессирующихся генов, контролирующих определенные функции организма». В каждой генной сети выделяют ряд обязательных компонентов: 1) группа генов, составляющих ядро сети; 2) белки, кодируемые этими генами; 3) пути передачи сигналов; 4) отрицательные и положительные взаимодействия, обеспечивающие авторегулирование; 5) низкомолекулярные соединения.

Важно, что генная сеть может быть построена как для любого процесса морфогенеза, так и для любого заболевания. При этом выясняется, что в каждой сети можно вычленить так называемые «центральные гены», обеспечивающие координацию функций остальных генов сети. Кроме того, характерным для каждой генной сети является кассетный механизм активации больших групп генов одним транскрипционным фактором.

Каждая хромосома имеет сложную структурно-функциональную организацию, уникальный генный состав, включающий не только структурные гены , но и регуляторные последовательности, в том числе и факторы транскрипции, контролирующие как гены своей хромосомы, так и генные ансамбли других хромосом. Почти половина общей транскрипционной активности клетки приходится на долю генов, контролирующих синтез рРНК. У человека кластеры рибосомных генов располагаются в спутничных нитях пяти пар акроцентрических хромосом(13, 14, 15, 21, 22) в областях ЯОР(ядрышковых организаторов). Гены рРНК в них построены в виде длинных повторов. Участки, кодирующие единицы рРНК высоко консервативны, а промежуточные участки(спейсеры) подвержены значительной межвидовой и внутривидовой изменчивости. Транскрипция генов рРНК является сложным многоэтапным процессом, она происходит в интерфазном ядре, начиная с поздней телофазы вплоть до следующего митоза. Одна молекула РНК-полимеразы считывает сразу три гена, соответствующим трем типам кодируемых РНК. В ходе последующего процессинга она расщепляется на три молекулы, которые транспортируются в цитоплазму, а спейсеры разрушаются ядерными нуклеазами. Основными факторами, влияющими на качественный и количественный состав синтезируемых молекул являются пролиферативный статус клетки и стадия клеточного цикла. Во время митоза транскрипция рибосомных генов приостанавливается. К настоящему времени установлен выраженный полиморфизм числа и функциональной активности ядрышковых организаторов в разных клетках одного организма, а также межиндивидуальный полиморфизм по этим признакам. Согласно исследованиям, в постнатальном периоде онтогенеза человека состояние ЯОР может меняться в зависимости от типа клеток, вида тканей, от возраста. Транскрипционная активность отдельных ЯОР варьирует также у детей и их родителей. Основной причиной межиндивидуального полиморфизма является случайная комбинаторика пяти пар акроцентрических хромосом, несущих разное количество копий генов рРНК. Пределы варьирования суммарной активности ЯОР достаточно широки, но не выходят за рамки определенных пороговых значений, за пределами которых дисбаланс генов, локализованных в ЯОР, может быть причиной различных фенотипических нарушений. Нередко транскрипционная активность некоторых ЯОР при передаче потомству меняется. Это позволяет предположить возможность наследования не жестко закрепленного признака, а некоторого диапазона потенциальной изменчивости в функционировании ЯОР индивидуальных акроцентрических хромосом. Копийность кластеров генов и уровень их активации не всегда коррелирует друг с другом, в связи с этим следует допустить существование механизмов регуляции уровня экспрессии. Предполагается, что основную роль могут играть: метилирование ДНК, ацетилирование гистонов, изменение структуры хроматина, а также инактивация генов, обусловленная эффектом положения. Экспериментальные исследования по изучению дифференциальной активности генов на разных стадиях эмбриогенеза позволяют предположить, что она определяется своеобразной наследственной программой. Регуляция этого процесса осуществляется как путем активации/инактивации целых кластеров генов, так и путем изменения скорости транскрипции в каждом их них.

Все клетки организма содержат полный набор генов, так как имеют равнозначный генетический материал. Доказательством этого являются: постоянное количество ДНК в клетках, постоянный кариотип, одинаковая последовательность нуклеотидов в молекулах ДНК разных клеток, сохранение генетической потенции ядер соматических клеток живых организмов. (опыты Гердона)

Гены «домашнего хозяйства» представлены в геноме в виде нескольких нуклеотидных последовательностей со средней частотой повторяемости. Продуктом их активности являются белки, необходимые для сборки клеточных мембран различных субклеточных структур, гистоны, альбумины и т.д. Количество этих генов составляет примерно 9/10 от всех генов ядра. 10-15% генов специфичны для какой – либо одной ткани. Они характеризуются уникальными нуклеотидными последовательностями структурных генов, действие которых специфично в данном месте и в данное время. Эти гены называются генами терминальной дифференцировки

(уникальными генами или генами «роскоши»). Таких генов около 2000. Они отвечают за дифференцировку клеток.

Регуляция активности генов может осуществляться и на уровне зрелых иРНК – на уровне трансляции. При этом некоторые иРНК блокируются в составе рибонуклеопротеиновых частиц (информосом), вследствие чего происходит задержка трансляции. Это наблюдается, например, при формировании хрусталика глаза.

Вместе с тем, в ходе индивидуального развития организма наблюдается дифференциальная активность (экспрессия) генов генотипа, которая является основным механизмом дифференцировки.Уровни регуляции дифференциальной экспрессии генов соответствуют этапам реализации генетической информации: ген – полипептид – биохимическая реакция – признак.

В результате многочисленных исследований установлено, что одни гены транскрибируются активнее других. В местах транскрипции генов образуются пуфы или «вздутия». Клетки разного типа содержат разные пуфы. Изменения в клетках, происходящие в ходе развития, контролируют с изменениями в характере пуфов и синтезом определенных белков.

Изучение количества и качества РНК в ядре клеток организмов, находящихся на разных стадиях развития, а также в клетках различных типов, показывает, что число различных видов ядерной РНК в 5-10 раз выше, чем иРНК. Ядерная РНК по количественному и качественному составу идентична на разных стадиях развития особи, а иРНК цитоплазмы отличается в клетках разных тканей. Это свидетельствует о том, что существуют постранскрипционные механизмы регуляции экспрессии генов. Одним их таких механизмов является альтернативный процессинг (сплайсинг) первичных транскриптов, который был изучен на примере синтеза одного из видов иммуноглобулинов (JgM). Другим посттрансляционным механизмом является формирование активных центров ферментов или гормонов (на стадии формирования) третичной или четвертичной структуры белка.

Кроме того, экспрессия генов и процесс дифференцировки могут регулироваться и после трансляции, в процессе межклеточных взаимодействий. Например, холинорецепторы обнаруживаются внутри клеток – миобластов еще до образования ими мышечных волокон, а чувствительность к ацетилхолину возникает только с момента встраивания рецепторов в плазматическую мембрану во время образования мышечных волокон.

Следовательно, процесс дифференцировки клеток не сводится только к синтезу специфических белков. Применительно к многоклеточному организму эта проблема имеет пространственно-временной контекст. Дифференцировка всегда затрагивает группу клеток и соответствует задачам обеспечения целостности многоклеточного организма.

Роль генов в процессе регуляции онтогенеза неодинакова. Часть генома состоит из генов, определяющих жизненно важные функции и отвечающих за синтез т-РНК, р-РНК ДНК полимеразы, гистонов и других жизненно важных белков, без которых невозможно функционирование клеток. Другая часть генов учавствует в процессах дифференцировки, детерминации, морфогенеза, то есть они имеют более специфическую, ключевую функцию. Мутации, возникающие в этих генах, оказывают различное влияние на формирование фенотипа. Их действия вызывает гомеозисные либо дизруптивные изменения. Под действием гомеозисных мутациях типичный орган замещается гомологичным или совсем другим, но с нормальным строением. Изучение гомеозисных мутаций показало, что существуют комплексы генов, отвечающие за направление развития, то есть существуют так называемые «гены переключатели» направления развития. Дизруптивные мутации приводят к нарушению нормального развития, отсутствию или аномальному строению органов.

В конце XX века были проведены крупномасштабные исследования спонтанных абортусов человека. Патоморфологическому описанию были подвергнуты тысячи эмбрионов и зародышевых оболочек, у которых были выявлены все типы геномных мутаций и многие структурные изменения хромосом. Было показано, что хромосомный(генный) дисбаланс приводит к различным по характеру и выраженности патологическим изменениям - бласто-, эмбрио- и фетопатиям, которые проявляются на клеточном, тканевом и организменном уровне. Эти исследования сыграли важную роль в формировании представлений о генетической основе врожденных пороков развития.

Совсем недавно исследователями США 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 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. Согласно данным многочисленных наблюдений, на скорость нарастания и выраженность изменений в процессе старения оказывают влияние генотип организма, условия, в которых развивается и живет. а также его образ жизни.

У млекопитающих известен целый ряд рецессивных мутаций сложного локуса Т 17-й хромосомой, затрагивающих раннее развитие. Локус Т представлен множеством аллелей, обозначаемых знаком t с дополнительными индексами. Около 30% t-генов в гомозиготном состоянии вызывает гибель зародышей, часть аллелей является полулетальными. Весь этот ряд рецессивных аллелей t распадается на восемь групп, которые могут быть комплементарны друг другу и в гетерозиготном состоянии не приводить к гибели зародыша. Известны также и 5 доминантных мутаций Т-локуса. Каждая из восьми групп обуславливает разного рода дефекты. Один из аллелей останавливает превращение морулы в бластоцисту, состоящию из трофобласта и эмбриобласта. Такие морулы гибнут. Другая мутация приводит тому, что развившийся трофобласт не вступает в контакт со стенкой матки и зародыш тоже гибнет. Третьи мутантные зародыши не образуют внезародышевой эктодермы, у четвертых – гибнут клетки зародышевой эктодермы, у пятых – клетки зародышвой эктодермы не способны мигрировать в области первичной полоски и образовывать мезодерму, у шестых – уже образовавшиеся структуры нервной системы дегенерируют и т.д. Очевидно, что локус Т играет первостепенную роль в морфогенезе эктодермы зародыша и организма в целом.

Наиболее интенсивно действие мутаций происходит в период органогенеза. Развитие каждого органа и системы органов контролируется совокупным координированным действием сотен генов. У человека известны более 120 форм наследственной глухоты, возникающих в результате экспрессии мутантных генов, отвечающих за формирование слухового анализатора; 250 форм наследственных поражений глаз, около 150 наследственных аномалий развития скелета; выявлено не менее 18 генов, отвечающих за дифференцировку пола. О значении генетического контроля онтогенеза свидетельствуют многочисленные болезни, связанные с генными и хромосомными мутациями.