Змістовний модуль 1.

Регуляція активності генів на рівні ініціації транскрипції та трансляції

Тема1. Загальні відомості про онтогенез.

Механізми регуляції програм онтогенезу

1. Загальні відомості про онтогенез. Історія вивчення механізмів онтогенезу. Програми онтогенезу.

2. Активація генів в онтогенетичних процесах.

3. Рівні регуляції експресії генів та їх приклади.

Питання 1.

Індивідуальний розвиток (онтогенез) охоплює: перiод з моменту заплiднення до природної cмepтi, протягом якого в органiзмi проходять змiни, властивi даному виду. Онтогенез включає доембріональний розвиток (прогенез, гаметогенез), власне ембріональний та постембріональний розвиток. Оскiльки фiзiологiчнi i бiохiмiчнi процеси, якi вiдбуваються в органiзмi, контролюються генами – сам процес iндивiдуального розвитку – це поступова реалiзацiя генетично детермiнованої програми. Основна проблема онтогенетики – яким чином реалiзується спадкова iнформацiя в процесi iндивiдуального розвитку i як контролюється виникнення та розвиток окремих тканин i opгaнів.У багатоклiтинних органiзмiв гени проявляють свою дiю протягом декiлькох поколiнь взаємодiючих клiтин, тому формування анатомо-морфологiчних ознак включає як picт клiтин i розвиток, так i їхню локальну смерть або змiну форми.

В одноклiтинних органiзмiв ознаки визначаються генами, якi знаходяться в самiй клiтинi, тому i активнiсть генів регулюється процесами, що вiдбуваються в межах клiтин.

Згідно з сучасними уявленнями, в зачатку особини (наприклад, в зиготі) закладена програма розвитку особи. В ході онтогенезу проходить реалізація цієї програми в результаті взаємодії між ядром і цитоплазмою, між різними частинами зародка; тобто в загальному між молекулярно-генетичними факторами, з одного боку, та внутрішнім і зовнішнім середовищем з іншого боку.

Доведена генетична запрограмованість тривалості життя. При проведенні експериментів лабораторні миші живуть не більше 3-3,5 років не залежно від зовнішніх умов. При чому виділяться короткожителі та довгожителі. На середню тривалість життя істотно впливають зовнішні фактори, однак максимальну тривалість життя змінити дуже важко. Так, середня тривалість життя людини за останні 100 років збільшилась приблизно у 2 рази, однак на максимальній тривалості людського життя це ніяким чином не відбилось.

Питання вияснення механізмів онтогенезу почалось вивчатись і цікавити вчених ще з часів Давньої Греції. Сформувались два протилежні погляди на проходження етапів онтогенезу:

• Преформізм

• Епігенез.

Гіпократ (6-4 ст. до н.е) – перший вчений, який намагався пояснити розвиток живих організмів, основною рушійною силою якого є вогонь. Він вважав, що ті частини зародка, які піддаються вогню, випалюються, і згодом утворюються порожнини, а інші ущільнюються, перетворюючись на стінки (напр., органи травного тракту). Сповідував преформізм – положення про те, що розвиток організмів іде шляхом росту сформованих диференційованих частин органзму.

Арістотель (4 ст. до н.е.) – засновник протилежної течії – епігенезу – розвиток організмів іде шляхом новоутворення, із безформної маси виникають частини, елементи, відмінності.

Стійкість онтогенеза

Онтогенез характеризується відомою стійкістю, для визначення якої Ф.Добжанський і Б.Уоллес ввели поняття «гомеостаз розвитку». Механізми, які забезпечують стійкість онтогенезу, вивчав англійський ембріолог і генетик Кондрат Уоддінгтон (на прикладі температурної залежності експресії гена Bar у дрозофіли). Стійкість процесів розвитку Уоддінгтон назвав гомеорезом – стабілізуючий потік явищ, які представляють собою процес реалізації генетичної програми будови, розвитку і функціонування організму.

Уоддінгтон описував процес онтогенеза як простір можливостей, або епігенетичний ландшафт. Епігенетичний ландшафт являє собою набір епігенетичних траекторій, що приводять від початкового стану організма до дорослого стану. Епігенетичний ландшафт і епігенетичні траекторії можна уявити як поверхню з системою паралельних жолобів, що углубляються.

Епігенетичні траєкторії в деякій мірі пов'язані між собою, тобто під дію різних факторів (внутрішніх і зовнішніх, генетичних і негенетичних) можливий перехід з однієї траекторії на іншу. В результаті на основі однієї генетичної програми можливе формування кількості траекторій онтогенеза, що і приводить до поливаріантності онтогенеза.

Першопочатково епігенетичні траекторії більш або менш рівноцінні, але в ході каналізованого відбору деяких траекторій поглиблюються і отримують переваги перед інщими траекторіями. Траекторії, що отримали перевагу, Уоддінгтон назвав креодами. (Каналізований відбір – це різновид стабілізуючого відбору. Каналізований відбір контролює нормальний хід онтогенеза, вибраковуючи особини з відхиленнями. Ця форма відбору являє собою фактор стабілізації розвитку.)

Реалізація програм морфогенеза проходить під дією комплекса генетичних і негенетичних (парагенетичних) факторів.

Для аналізу програм развитку особини уявимо онтогенез як сукупність процесів морфогенезу, що закономірно змінюють один одного в ході розвитку. Морфогенез (формоутворення) – це зовнішній прояв розвитку. В ході морфогенезу кількісні зміни преходять в якісні. До проявів морфогенеза відносяться: особливості росту, анатомо-морфологічного диференціювання, тіло рослини, полярності, симетрії, кореляції. В якості одиниці морфогенезу може розглядатися цілий організм, частина организму, орган, частина органа; елементарною одиницею морфогенезу є клітина. Результатом морфогенезу є поява завершального розвитку органа (наприклад, завершений ріст паростка) або частини органа (наприклад, метамера або серії метамерів). Тобто, результатом морфогенеза є формування ознаки. За кількістю можливих кінцевих результатів морфогенез може бути моноваріантним (інваріантним) та поліваріантним (мультиваріантним).

Морфогенез проходить за участю генетичних і парагенетичних факторів. Більшість генетичних факторів (генотип) утворює генетичну програму морфогенеза, яка виникає в момент утворення одиниці розвитку (наприклад, нового організма або його частини). Поліваріантність морфогенеза може бути закладена вже в самій генетичній програмі. Парагенетичні фактори з'являються в одиниці розвитку вже в ході самого морфогенезу, вони створюють умови для реалізації спадкової програми.

Із всієї кількості програм морфогенеза розглянемо деякі основні типи.