Завдання для самостійної роботи роботи студентів
Вчення Гіпократа про преформізм.
Вчення Арістотеля про епігенез.
Дослідження Карла Бера.
Досліди Ру, Шпельмана, Дріша в галузі експериментальної ембріології.
Список літератури
Нiколайчук B.I., Надь Б.Б. Курс лекцiй генетики з основами селекції. – Ужгород : Патент, 1997.
Тема 2. Спадкова детермінація онтогенезу
Генетичні основи диференціації клітин
Пенетрантність і експеривність генів
Прояв дії гена
Дози генів. Ефект положення генів.
Питання 1.
Генетика, володіючи можливістю довільного створення відповідних генотипів, запропонувала свої підходи до вивчення спадкової детермінації онтогенезу. До них належать дослідження:
молекулярного характеру дії генів в ланцюгу біосинтезу ДНК — РНК — білок;
мутантних ознак, початку їх диференціації, часу і характеру прояву;
взаємодії мутантних алелів і генів дикого тику в генотипі;
мутацій і рекомбінацій соматичних клітин в процесі диференціації тканин і морфогенезу;
виникнення генокопій, тобто фенотипових змін, схожих за проявом з мутаціями;
розвитку віддалених гібридів, у яких поєднані ознаки різних видів;
прояву ознак у одно яйцевих близнюків;
впливу схожості і відмінності генотипів на приживання тканин при гетеро- і гомопластичних пересадках тканин;
імунологічних реакцій у генотипові відмінних організмів;
біосинтезу на основі біохімічних мутантів;
впливу геному й плазмону на розвиток ознаки;
прояву генетичної норми реакції в різноманітних умовах зовнішнього середовища і ін.
Генетичнi основи диференцiацiї клiтин здавна цiкавили бiологiв. Вони не могли пояснити, як одна клiтина (наприклад, зигота) здатна забезпечити iндивiдуальний розвиток, дати початок рiзним типам тканини i цiлого opгaнiзму. Ще в 1883 роцi В. Ру висунув гiпотезу, що ядра, якi утворюються при подiлi зиготи, якiсно вiдрiзняються. Але через декілька pоків (1892) Г. Дриш експериментально довiв, що перемiщення ядер мiж клiтинами ектодерми i мезодерми не порушує нормальний розвиток зародка. Початок регенеруючого хвоста тритона може бути пересаджений в область кiнцiвок i тодi перетворюється в ногу, а не в хвіст, тобто дроблення i диференцiацiя клiтин не супроводжується змiнами ядерного матерiалу.
Таким чином, пiд тотипотентнiстю розумiємо здатнiсть клiтин диференцiйованих тканин пicля дезiнтеграції i при наявностi певних умов росту i диференцiацiї репродукувати цiлий органiзм або частину його.
Роздiляючи зародки амфiбiй на ранньому етапi розвитку, клiтини певний час залишаються тотипотентними (рис. 4). У 8-клiтинному зародку кролика 7 клiтин можна вбити голкою i лише з однiєї клiтини одержати нормальну тварину. Прикладом тотипотентностi є також народження однояйцевих близнят. Вони походять з однієї заплiдненої яйцеклiтини, що на paннix стадiях вагітностi спонтанно подiляється на двi або бiльше iзольованих частин, з яких розвиваються самостiйнi ембрiони.
Рис. 4. Дослiд, що пiдтверджує тотипотентність ядер на paннix етапах онтогенезу амфiбiй:
а – перетягнуте волосяною петлею яйце; б,в – після кількох днів одне з ядер проникає в ліву половину (яка ще не ділиться); г – розвиток зародка, який з лівої половини яйця проходить із деяким запізненням; д – нормальний зародок.
У 1902р. г. Габерланд висловив думку про те, що рослиннi клiтини тотипотентнi. Але свою теорiю він експериментально не змiг пiдтвердити. Зараз, коли вiдомi методи культивування рослинних клiтин в умовах in vitro, розробленi i технологiчнi прийоми одержання регенерантних рослин з калусної тканини.
Тотипотентнiсть клiтин пiдтверджує також дослiд Д. Гордона.
Руйнуючи ядро яйцеклiтини пiвденно-африканської жаби (Xenopus laevis) шляхом опромiнення ультрафiолетом, Biн одержав без’ядернi яйцеклiтини. В такi клiтини він перенiс ядра, якi були взятi з епiтелiю кишок пуголовка. У 1 % яйцеклiтин з пересадженими ядрами операцiя закiнчилася успiшно i утворилися дорослi особини. У 9% почалося дроблення, але через деякий час в результатi аномального розвитку ембрiони загинули. В iнших (90%) яйцеклiтин дроблення не спостерiгалося.
Рис. 5. Схема пересадки ядер з кишечника пуголовка в незапліднене яйце жаби (за: Гордон, 1970).
Ядро-реципієнт, помічене наявністю двох ядерець, руйнується в результаті опромінення ультрафіолетовими променями (1), потім у пуголовка виділяють кишечник (2) і беруть клітини епітеліального шару. Одиночну епітеліальну клітину засмоктують в мікропіпетку, при цьому клітинна оболонка руйнується (3), звільнюючи ядро. Ядро клітини кишечника переносять у підготовлене яйце (4), яке потім розвивається. Біля 1% яєць з пересадженими ядрами розвиваються в жаб, що мають в ядрі лише одне ядерце замість звичайних двох (5)
В лютому 1997 року видання Nature опублікувало повідомлення, що змусило обговорювати проблеми генетики розвитку журналістів, політиків, юристів і державних діячів: група вчених з Шотландії повідомила про успішну трансплантацію ядер з диференційованих клітин в яйцеклітину вівці і отримання нормально сформованої тварини. Ці результати відкривають шлях для фактично необмеженого вегетативного розмноження будь-якого індивідуума: кожна особина в результаті трансплантації ядер із її клітин до реципієнтів може дати початок мільярдам повністю ідентичних нащадків. Цей процес називають клонуванням.
Схема досліду була аналогічною з тою, яку використовували Дж. Гордон і його співробітники. Маркерами в даному випадку служили масть овець і різноманітні мікросателіти в складі ДНК. Ооцити виділяли з овець шотландської чорномордої породи, а донорні клітини були виділеними з вим’яти овець біломордої породи Финн Дорсетт. Після цього за допомогою електричного імпульсу зливали енуклейований ооцит з цілою клітиною-донором. Експериментально отримані зиготи поміщали в яйце води самок, де вони починали дробитися і розвивались в морули, що й були пересаджені в матки чорномордих овець. Із 277 експериментально отриманих зигот тільки одна пройшла всі стадії розвитку аж до народження ягняти, яке було біломордим (рис. 6).
Рис. 6. Вівця (на рисунку ліворуч), що розвинулась з клітини молочної залози, взятої від вівці біломордої породи і трансплантованої у вівцю чорномордої породи (праворуч) (за Wilmut et al., 1997)
Той факт, що ягнятко виросло з яйцеклітини з ядром з дорослої тварини, доводить відсутність незворотних модифікацій генетичного матеріалу в ході нормального розвитку.
Питання 2.
Розглядаючи дію генів, їх алелів необхідно врахувати модифікуючий вплив неалельних генів та умов середовища, в якому розвивається організм. Якщо рослини примули схрещувати при температурі 15-20 °С, то в нащадків згідно з менделівською схемою, все покоління матиме рожеві квіти. Але коли таке схрещування проводити за температури 35 °С, то всі гібриди матимуть квіти білого кольору. Якщо ж здійснювати схрещування при температурі близько 30 °С, то виникає різне співвідношення (від 3:1 до 100 відсотків) рослин з білими квітами.
Для характеристики фенотипового прояву ознаки у генетично iдентичних особин, для кількісного опису неоднозначної відповідності генотипа фенотипу у 1925р. Відомий російський генетик М. В. Тимофеєв-Ресовський запропонував термiни пенетрантність та експресивнiсть.
Таке коливання класів при розщепленні залежно від умов середовища отримало назву пенетрантність (від лат. penetrans – проникнення, досягнення) – сила фенотипного прояву. Отже, пенетрантність – це частота прояву гена, явище появи або відсутності ознаки у організмів, однакових за генотипом.
Пенетрантність значно коливається як серед домінантних, так і серед рецесивних генів. Поряд з генами, фенотип яких з’являється тільки за поєднання певних умов і досить рідкісних зовнішніх умов висока пенетрантність), у людини є гени, фенотиповий прояв яких відбувається за будь-яких поєднань зовнішніх умов (низька пенетрантність). Пенетрантність вимірюється відсотком організмів з фенотипною ознакою від загальної кількості обстежених носіїв відповідного алеля.
Якщо ген регулярно визначає фенотиповий прояв, то він має пенетрантність 100 відсотків. Проте деякі домінантні гени проявляються менш регулярно. Так, полідактилія має чітке вертикальне успадкування, але бувають пропуски поколінь. Домінантна аномалія – передчасне статеве дозрівання – властиве тільки чоловікам, проте іноді може передатися захворювання від чоловіка, який не страждав цією патологією. Пенетрантність показує, у якому відсотку носіїв гена виявляється відповідний фенотип. Так, у гомозигот шизофренія проявляється у 100 % – це повна пенетрантність. Якщо в носіїв певного гена ознака виявляється тільки у частини особин – це неповна пенетрантність. Наприклад, шизофренія у гетерозигот складає 20 %, цукровий діабет – 20 %, вроджений вивих стегна – 25 %, ретинобластома – 60 %. У дрозофіли домінантна мутація Lobe (L) викликає зменшення розміру очей, проте ця ознака проявляється лише у 75% особин, в інших 25% мух – носіїв гена L – очі нормальні. Отже, пенетрантність алеля L становить 75%.
Отже, пенетрантність залежить від генів та середовища. Таким чином, це не константна властивість гена, а функція генів у певних умовах середовища.
Експресивність (від лат. expressio – вираз) – це зміна кількісного прояву ознаки у різних особин – носіїв відповідного алеля.
При домінантних спадкових захворюваннях експресивність може коливатися. В одній і тій самій родині можуть проявлятися спадкові хвороби за перебігом від легких, ледь помітних до тяжких: різні форми гіпертонії, шизофренії, цукрового діабету тощо.
Рецесивні спадкові захворювання в межах сім’ї проявляються однотипно і мають незначні коливання експресивності.
У дрозофiли вiдома мутантна форма (eyeless – без очей) зi зменшеною кiлькicтю фасеток ока. Серед нащадкiв однiєї батькiвської пари спостерiгається розщеплення за кiлькістю фасеток (аж до повної їx вiдсутностi), якщо вони i є гомозиготними за цiєю мутацiєю. Наприклад, у дрозофіл з генотипом eyey зменшена кількість фасеток, але абсолютна кількість фасеток варіює від 0 до 50% від норми (779 фасеток). В той же час експеривність алеля ey при повній відсутності фасеток у особини рівна 100%, а у особини з числом фасеток, зменшеним у 2 рази, -50%.
Експресивність і пенетрантність часто залежать від умови середовища, в якому розвивається організм: освітлення, температура або вологості.
Приклад 1. У дрозофіли з генотипом vgvg (vestigial – залишковий) крила недорозвинені, зачаткові, але ця мутація проявляється сильніше при пониженій температурі. (Примітка. Алель vestigial володіє плейотропною дією: призводить до редукції крил, а також до модифікації галтерів, зміни положення відповідних щетинок на дорзальній стороні тіла, зниження плодючості, тривалості життя та іншими відмінностями мутантних мух від нормальних. Однак уе не означає, що ген vestigial в однаковій мірі може вважатися і геном щетинок, і геном плодючості і т. д.)
Приклад 2. Дослід схрещування примул при різних температурах, наведений вище.
Приклад 3. У кроликів фенотипів прояв гена Ch при нормальній температурі (~ 20°) виражається в тому, що при білому кольору шерсті вуха, ніс, кінчики лап і хвіст виявляються чорними (таке забарвлення називається горностаєвим, або гімалайським). При температурі више 30° колір шерсті кроликів повністю білий. Якщо будь-яку частину тіла, на якій вищепана біла шерсть, систематично охолоджувати, то на ній виростає чорна шерсть.
Рис. 7. Гімалайське забарвлення у кроликів
Приклад 4. У пшениці (та та багатьох інших рослин) добре відомі озимі та ярі форми. Озимі форми, посеяні навесні, зазвичай ростуть, кущаться, але не переходять до колосіння, тобто не розвиваються. Якщо насіння озимих форм перед весняним посівом стимулювати діє понижених температур протягом певного часу (яровизація), то то рослини будуть розвиватися за яровим типом і перейдуть до плодоношення.
В розглянутих прикладах експресивність алелей зачаткових крил у дрозофіли, біле забарвлення квіток у примули, горностаєве (гімалайське) забарвлення у кроликів, типу развитку у злаків залежать від температури. В інших випадках пенетрантність та експресивність визначаються генами-модифікаторами, які створюють генотипове середовище для прояву гена. Значення генетичних факторів у визначення характера прояву ознак доводиться ефектом відбору в лініях з не повністю пенетрантними генами. Можна отримати лінії як з різко зниженою пенетрантністю по відношенню з вихідною лінією, так і з 100%-вою пенетрантністю.
Таким чином, в фенотипі ніколи не реалізуються всі генотипові можливості, тобто фенотип кожної особини є лише окремим випадком прояву її генотипу у визначених умовах розвитку. Формування різних варіантів ознаки на основі одного і того ж генотипу називається поліваріантністю онтогенеза.
Питання 3.
Прояв фенотипових ознак в онтогенезi залежить вiд прояву дискретних одиниць спадковостi - генів. Ген, як одиниця спадковостi, має такi xapaктернi риси:
дискретність – тобто ген визначає присутність або відсутність окремої біохімічної реакції, ступінь розвитку або пригнічення певної ознаки;
градуальна дія – накопичення дози його в соматичних клітинах може призводити до посилення або послаблення прояву ознаки;
специфічна дія – тобто ген відповідає за синтез первинної структури білеової молекули;
множинна дія – ген може безпосередньо впливати на проходження різних реакцій і розвиток багатьох ознак організму (плейотропна дія);
полімерна дія – різні гени, що знаходяться в різних парах хромосоми, можуть діяти на розвиток одного і того ж органу, властивість організму, посилюючи або послаблюючи його;
залежність від факторів зовнішнього середовища через продукти, синтез яких вони детермінують.
Питання 4.
Експресія гена залежить від безпосереднього оточення, в якому він знаходиться. Це так званий ефект положення гена. Зміна активності гена нерідко пов’язана з переміщенням його в іншу групу зчеплення при транслокаціях або зі зміною його положення у хромосомі при інверсіях. Особливий випадок складають зміни експресії генів внаслідок діяльності мобільних генетичних елементів, які активують або пригнічують прояв тих генів, поблизу яких вони вбудовуються.
Сформований в процесі еволюції геном кожного виду являє собою сукупність генетичних одиниць, які представлені в ньому у чітко визначених дозах. В результаті генотипи особин і генотипи їх клітин збалансовані за дозами генів системи. Інколи збільшення кількості генів призводить до підвищення їх дози (прикладом може бути полімерія), але такий ефект спостерігається не завжди. В організмі існують механізми, які підтримують певне дозове співвідношення генів у генотипі. Наприклад, у процесі еволюції виникає механізм інактивації однієї з Х-хромосом у гомогаметної статі XX. Це врівноважує дозу активно функціонуючих Х-генів відповідно з їх дозою в гетерогаметної статі Х0 або XY.
Порушення дозової збалансованості генотипу організму призводить до різних відхилень у його розвитку. Прикладом можуть бути порушення розвитку організму при хромосомних перебудовах, коли доза генів змінюється в результаті втрати або переміщення фрагмента хромосоми, а також при зміні кількості хромосом у каріотипі (анеуплоїдія або поліплоїдія).
Таким чином, несприятливі наслідки хромосомних і геномних мутацій зумовлені, в першу чергу, порушенням дозової збалансованості генів у генотипі.
Узагальнюючи вищесказане, можна зробити висновки, що незалежно від того, що соматичні клітини мають ідентичний генетичний матеріал, на різних етапах онтогенезу функціонують різні гени.