Литература

1. Айала, Ф. Современная генетика / Ф. Айала, Дж. Кайгер. – М.: Мир, 1987. – Т.1. – 295 с; Т.2. – 368 с; Т.3.

2. Алиханян, С. И. Общая генетика / С. И. Алиханян, А. П. Акифьев, Л. С. Чернин. – М.: Высш. шк., 1985.

3. Бокуть, С. Б. Молекулярная биология: молекулярные механизмы хранениия, воспроизведения и реализации генетической информации / С. Б. Бокуть, Н. В. Герасимович, А. А. Милютин. – Мн.:Высш. шк., 2005.

4. Дубинин, Н. П. Общая генетика / Н. П. Дубинин. – М.: Наука, 1986.

5. Жимулев, И. Ф. Общая и молекулярная генетика / И. Ф. Жимулев. – Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.

6. Жученко, А. А. Генетика / А. А Жученко, Ю. Л. Гужов, В. А. Пухальский. – М.: Колос, 2004.

Генетические основы онтогенеза (2 часа) Лекция 15 Онтогенез – как реализация генетической информации

Цель лекции: ознакомить учащихся с особенностямионтогенеза – как реализации генетической информации в ходе индивидуального развития в определенных условиях внешней и внутренней среды, изучить процессы детерминации, дифференциации, первичной дифференцировки цитоплазмы и стабильности генетического материала в ходе индивидуального развития.

План лекции:

1. Дифференцировка и детерминация.

2.Эпигеномная наследственность.

3. Транскрипция и амплификация генов в оогенезе.

4. Дифференциальная активность генов в онтогенезе.

5. Роль генетических факторов в определении продолжительности жизни.

6. Молекулярные основы процесса старения и генетическая карти­на онтогенеза.

1. Дифференцировка и детерминация

Раздел генетики, изучающий генетические основы ин­дивидуального развития (онтогенеза), называется феногенетикой.Онтогенез включает увеличение массы орга­низма (рост) и структурно-функциональную дифферен­циацию составляющих его клеток.Понятия «рост» и «развитие» применимы как к одноклеточным, так и к многоклеточным эукариотическим организмам, однако специфика онтогенеза тех и других обусловлена глубо­кими эволюционными отличиями между ними, связанными с возникновением многоклеточности. В данной теме рас­сматриваются в основном вопросы, касающиеся генети­ческой регуляции онтогенеза многоклеточных животных.

Индивидуальное развитие начинается с оплодотворен­ной яйцеклетки.Однако уже организм новорожденного ребенка содержит около 10¹⁴клеток, а тело взрослого человека состоит из 10¹⁵-10¹⁶клеток. В результате процес­сов, происходящих в онтогенезе, формируются органы и ткани, выполняющие, как правило, ограниченное число функций. Структура клеток тканей взрослого организма отличается, и весьма заметно, от структуры яйцеклетки и приспособлена к выполнению тканеспецифических фун­кций, возникающих в ходе дифференцировки.Дифференцировка — это процесс формирования структурно-фун­кциональной организации клеток многоклеточных жи­вотных и растений, в результате которого клетки приобре­тают способность к выполнению определенных функций в сложном организме. Дифференцированное состояние в норме стабильно: клетки нервной ткани не превращаются в печеночные или эпителиальные клетки кишечника, и наоборот.

Советский биолог А. А. Заварзин открыл основную тенденцию в эволюции тканевых клеток: по мере услож­нения организации их носителей они все больше и больше становятся частями целого, теряют самостоятельность и в своих проявлениях целиком зависят от надклеточных регуляционных систем: внутри- и межтканевых отноше­ний, гуморальных и нервных факторов. Другими словами,соматические клетки животных эволюционируют как субъединицы целостного организма.Отсюда ясно, что этот принцип был бы нарушен, если бы происходило постоянное превращение одних клеток в другие. В свою очередь, это нарушило бы гомеостатические реакции ор­ганизма и резко снизило бы его устойчивость к внешним факторам.Взаимодействие клеток тканей и надклеточных регуляционных систем основано на компетентности, т. е. восприимчивости клеток к регуляционным влияниям. Фак­тически все основные функции дифференцированных кле­ток контролируются организмом.Этот принцип нарушает­ся в злокачественных опухолях.

Конечная дифференцировка часто связана с утратой способности клеток к размножению – пролиферации. Активная пролифе­рация и функционирование — процессы в норме, как пра­вило, взаимоисключающиеся.Это, вероятно, и служит причиной того, что, например, нервные клетки млеко­питающих делятся последний раз в эмбриональном и раннем постэмбриональном периодах, а клетки нервных ганглиев дрозофилы — в личиночной стадии. При раз­витии взрослого организма формируются комплексы, со­стоящие из многих нервных клеток, выполняющих разные функции, начиная от чувствительного нейрона и кончая двигательным. Если бы нервные клетки постоянно дели­лись во взрослом организме, то поддержание целостности этих комплексов было бы невозможно и это, несомненно, имело бы катастрофические последствия для нервной регуляции.

Итак, дифференцированное состояние проявляется в специфическом «портрете» соматических клеток и их функциональной характеристике. Однако в пролиферирующих тканях клетки дифференцированы в разной сте­пени.Например, в эпителии на вершине ворсинки на­ходятся клетки, достигшие конечной стадии дифференцировки, тогда как клетки в криптах — камбиальных от­делах кишечного эпителия — морфологически сильно от­личаются от клеток вершины ворсинок. Однако из недиф­ференцированных клеток крипт могут возникнуть только эпителиальные клетки кишечника. В этом случае можно утверждать, что клетки крипт детерминированы, т. е. могут развиваться только в каком-либо определенном направлении.Детерминация начинается в раннем эмб­риогенезе и постепенно сужает число возможных превра­щений клеток до одного какого-либо дифференцирован­ного состояния или очень немногих.

В опытах по пересадке ядер на амфибиях, проведенных в 50-е годы, было показано, что полноценное развитие может быть обеспечено только ядрами, взятыми на самых ранних стадиях развития животных. Такие ядра называют­ся тотипотентными, т. е. способными повторить все ста­дии развития организма и дать все типы клеток. Ядра, взятые из сформировавшихся первичных зародышевых тканей, такую способность теряют. Например, эктодермальные ядра, пересаженные в энуклеированную яйце­клетку, приводили к развитию зародыша с дефектной энтодермой, и, напротив, энтодермальные ядра не спо­собны образовывать эктодерму. Позднее было показано (см. ниже), что при определенных экспериментальных условиях тотипотентность ядер клеток даже дифференци­рованных тканей может быть восстановлена, однако важно подчеркнуть, что в норме процессы сужения потенций ядер соматических клеток развиваются необратимо.

Интересные факты, касающиеся детерминации, были получены на дрозофиле. Как известно, многие насекомые, в том числе и дрозофила, развиваются путем полного метаморфоза. Это означает, что на стадии куколки про­исходит лизис личиночных тканей, кроме нервных ганг­лиев, гонад и имагинальных дисков. Из имагинальных дисков путем пролиферации и дифференцировки разви­ваются органы взрослой мухи. Они состоят из дифферен­цированных постмитотических неделящихся клеток. Има-гинальные диски можно выделить из личинки и трансплан­тировать в брюшко взрослых самок. Там под влиянием гормонов реципиента они пролиферируют без дифферен­цировки. Если их возвратить в полость тела личинки незадолго до окукливания, то они дифференцируются в строгом соответствии со своим происхождением. Так, имагинальные диски, определяющие развитие глаз, даже если они пересажены в необычное место, например в брюшную часть тела другой личинки, развиваются в глаза.