генетика / 4_ontogenez

4

ТЕМА 4. ГЕНЕТИКА ОНТОГЕНЕЗУ

ОГ – процес індивідуального розвитку організму від утворення зиготи чи вегетативного зачатка до природної смерті.

Періоди:

• ембріональний = пренатальний розвиток

• постембріональний = постнатальний період

• період статевого розмноження = дорослого організму → у однорічних та дворічних рослин і багатьох видів тварин (осетрові та лососеві риби, деякі комахи тощо) після відкладення яєць чи зигот батьківські організми гинуть → випадає 4-й період онтогенезу

• період старості

Перші поділи дробіння забезпечуються відповідними іРНК із материнського організму, які у вигляді інформосом (мРНК : білки = 1:3) знаходяться в цитоплазмі яйцеклітини.

Спочатку всі клітини будь-яких організмів є тотипотентними (рівноспадковими) і здатними до соматичного ембріогенезу: з однієї клітини або частини організму може відновитися цілісний організм або його втрачена частина (регенерація).

У подальшому онтогенезі ця властивість зберігається тільки у рослин, кишковопорожнинних, губок, черв’яків, а також у стовбурових клітин вищих тварин. Такі клітини відзначаються тим, що в них залишаються неактивними гени, які зумовлюють тканинну специфічність. Це досягається метилуванням цитозину у відповідних ділянках геному.

Каліфорнійські вчені відкрили реверсин, який може перетворювати звичайні клітини у стовбурові (м’язові волокна → стовбурові клітини).

Японські вчені також заявили про створення ними шляхом генетичних маніпуляцій "універсальної" (стовбурової) клітини. Ключовими є 4 гени, які поступово впроваджували до клітини шкіри миші. Це призводило до її перетворення на стовбурову з можливістю подальших перебудов.

Внаслідок таких відкриттів може зникнути цілий ряд морально-етичних проблем, пов’язаних із одержанням таких клітин із ембріонів.

Активація ключового гену відбувається внаслідок деметилування цього нуклеотиду.

вирізається метильований цитозин і на його місце вбудовується нормальний нуклеотид; порушення метилування – деметилування → онкологія

Запускається каскад реакцій, які призводять до втрати тотипотентності і перешкоджають переходу клітинних систем зародка до стадії гаструли.

Диференціація – це перетворення однорідного клітинного матеріалу зародка в спеціалізований різнорідний, тобто окремі клітини набувають морфо-функціональних відмінностей. Їхня поява базується на таких процесах як:

Спочатку в зародку виокремлюються клітини-організатори, що виділяють спеціальні речовини – евокатори, які спрямовують розвиток тих чи інших клітин у певному напрямку.

Зародкові листки:

• ектодерма – дає похідні, що виконують переважно покривну та чутливу функції;

• ентодерма – функції живлення та дихання

• мезодерма – зв’язки між частинами зародка, а також опорну, рухову та трофічну функції.

1. вибіркове перетворення пре-мРНК на справжню мРНК,

2. посттрансляційні модифікації білків (метилування, фосфорилювання, ацетилування, вирізування фрагментів тощо),

3. запрограмовані транспозиція та ампліфікація деяких регуляторних ділянок,

4. синтез молекул-ефекторів, якими частіше за все бувають кінцеві продукти ланцюгів біосинтезу, що зв’язуються з алостеричними (не активними!) центрами одного або кількох ферментів даного метаболічного шляху, гальмуючи їх активність тощо.

Вибірковість цих процесів у часі запрограмована генетично через систему послідовної експресії невеликого числа генів.

При цьому, речовини, що синтезуються на попередній стадії диференціації, активують гени, які мають працювати протягом наступної стадії. Реалізація каскадного, ієрархічного принципу в часі та просторі спричинює поступове розгортання всієї генетичної програми онтогенезу.

Відомі групи гомеозисних (гомеозисних, НОХ) генів, які детермінують морфологічні перетворення. Мутації у таких генах називаються гомеозисними, вони можуть трансформувати одну частину організму в іншу, зовсім не схожу на неї структуру (наприклад вусик на голові мухи – в ногу тощо) і становлять собою помилки диференціації.

До факторів диференційованої активації генів відносяться:

1. Ооплазматична сегрегація – нерівномірний просторовий розподіл речовин і структур у цитоплазмі яйцеклітини, її певна зональність. Під час поділів дроблення зовнішні мембрани дочірніх клітин відокремлюють ці зони одна від одної таким чином, що до різних клітин потрапляють різні ділянки материнської цитоплазми з неоднаковою активністю генів і так далі.

2. Індукція – вплив одного вегетативного зачатка на розвиток іншого, який здійснюється шляхом хімічної взаємодії під час безпосереднього контакту різних клітин. Ці впливи взаємні → єдина система. Клітини ранньої гаструли називаються компетентними, так вони можуть змінювати свій напрям розвитку під впливом індукторів, якими слугують зачатки органів і клітин зародка, розташовані поряд.

На стадії пізньої гаструли клітини зародка втрачають цю здатність і розвиваються в певному (визначеному раніше) напрямі. Такі клітини називають детермінованими. Стан детермінації успадковується при мітотичних поділах і є незворотним.

3. Гормони – можуть викликати вибіркову активацію генів, визначаючи тип розвитку відповідних клітин.

4. Інактивація однієї з Х-хр ембріона ♀ статі.

Через 6 днів внутрішньо-маточного розвитку одна із двох Х-хр, обрана випадково, інактивується в усіх клітинах зародка.

Синдром Тернера (Х0, хворі мають жіночий фенотип і близький до норми рівень інтелекту) проявляється по-різному в залежності від того, чия Х-хр потрапила до зиготи: якщо батьківська, то у хворих спостерігається менше аномалій у соціальній поведінці та менша схильність до аутизму.

5) Умови зовнішнього середовища (температура, тривалість світлового і темнового періодів доби, фотоперіодизм тощо) впливають на реалізацію генетичної програми, прискорюючи або гальмуючі проходження певних етапів розвитку.

Подальше розгортання онтогенезу супроводжується генетично запрограмованою загибеллю клітин, що не знайшли свого місця в процесі диференціації або суттєво відхилилися від нормального розвитку.

Зокрема,

• у рослин: відмирання клітин сім’ядоль, брунькових лусок, клітин, що входять до складу квіток;

• формування еритроцитів крові супроводжується втратою ядер, тому вони досить швидко старіють і гинуть;

• в ембріогенезі хребетних роз’єднання пальців відбувається шляхом загибелі клітин між ними;

• перетворення пуголовка на жабу пов’язане із загибеллю клітин хвоста і зябер;

• линяння плазунів та метаморфоз багатьох видів комах супроводжується загибеллю клітин покривів;

• формування НС тощо.

Таке явище генетично запрограмованої мирної загибелі зайвих клітин без утворення осередків запалення називається апоптоз (з грецької мови – опадання листя). Він відіграє суттєву роль у боротьбі з вірусними інфекціями (в тому числі й СНІДом) та онкологічними захворюваннями.

Наявність ДНК у мітохондріях призводить до того, що в них також відбуваються подібні процеси, які супроводжуються руйнуванням цих органел. Називається таке явище мітоптоз – запрограмована смерть мітохондрій, яка запобігає накопиченню активних форм кисню, що можуть спричинювати загибель усієї клітини.

Наявність таких могутніх систем захисту організму як апоптоз і мітоптоз суттєво мінімізує небезпеку передчасної загибелі організмів протягом онтогенезу

Але, незважаючи на це, із часом поступово накопичуються різні патологічні варіанти будови та функціонування окремих клітин, тканин і органів, інтенсивність яких, за кінцевим рахунком, і зумовлює терміни життя всього організму.

Наприклад, у людини виявлено 3 гени, пов’язані з тривалістю життя. Реалізація їх дії суттєво залежить від типу харчування. Жорстке обмеження раціону сприяє подовженню життя майже у 1,5 рази.