57.Первичная дифференцировка цитоплазмы, действие генов в раннем эмбриогенезе, амплификация генов. Роль гомейозисных генов в онтогенезе.

В результате делений дробления создаются условия для возникновения различий между частями зародыша - дифференцировки. Клетки, образовавшиеся из разных участков яйца, получают неодинаковую цитоплазму (что определяет первичную дифференцировку) и становятся способными к передвижениям, обеспечивающим формирование органов будущего организма.

После действия ряда факторов они постепенно детерминируются, т. е. приобретают способность развиваться в одном, определённом направлении. По мере развития клетки всё более дифференцируются, специализируются их строение и функция. Так, напр., в части эктодермы, образующей зачаток нервной системы, обособляется головной мозг, часть его развивается в зачатки глаз, в к-рых выделяется сетчатка, а в ней дифференцируются палочковые и колбочковые зрительные клетки, имеющие характерные узкоспециализированные строение и функцию. 3. р. определяется наследственным аппаратом клетки, заключённым в ядре. Содержащиеся в ядре хромосомы состоят из мн. генов, каждый из к-рых несёт информацию о строении одного из белков. Признаки родительского организма, закодированные в генах, реализуются в ходе 3. р. Клетки при делениях получают полный набор генов, но в каждой ткани функционирует только часть генов, обеспечивая синтез белков, свойственных данной ткани.

Поэтому на генетич. уровне процесс 3. р. заключается во "включении" отдельных генов, в результате чего синтезируется соответств. рибонуклеиновая к-та (РНК), передающая наследств. информацию из ядра в цитоплазму, где синтезируется молекула специфич. белка, функция генов начинается ещё в предзародышевом развитии, когда в растущей яйцеклетке происходит активное накопление желтка и всех видов РНК, необходимых для обеспечения синтеза белков в раннем развитии. В ходе 3. р. в разных зачатках на тех или иных стадиях развития включаются разные гены, определяющие синтез белков, необходимых для каждого вида дифференцировок. Т. о., реализация наследственности в ходе 3. р. состоит в том, что факторы дифференцировки определяют включение специфич. генов, те вызывают синтез соответств. белков, а белки обеспечивают диффе-ренцировку клеток. Роль мн. белков в этом процессе уже известна - гемоглобин синтезируется при дифференцировке эритроцитов, миозин - при образовании мышц, ферменты и гормоны - при развитии желез и т. д. Однако ещё не изучены белки, определяющие изменения формы клеток, их движение и поведение в ходе 3. р. Неизвестны также механизмы, благодаря к-рым факторы дифференцировки приводят к включению специфич. генов.

Амплификация (amplification) - Процесс образования дополнительных копий участков хромосомной ДНК, как правило, содержащих определенные гены либо сегменты структурного гетерохроматина. Амплификация может быть ответом клеток на селективное воздействие (например, при действии метотрексата). Амплификация – один из механизмов активации онкогенов в процессе развития опухоли, например, онкогена N-myc при развитии нейробластомы (наиболее распространенная форма рака плотных тканей у детей). Также амплификация – накопление копий определенной нуклеотидной последовательности во время ПЦР – полимеразной цепной реакции.

В результате возникает хромосома дицентрик, что может привести к ассиметричному распределению ДНК в каждом клеточном делении. Другой механизм был предложен при амплификации KAD в клетках HT1080. В данном случае амплификация возможно начинается с рекомбинации через центромеры сестринских хроматид, обеспечивающей i(2)+i(2q). В каждом случае оба механизма зависят от неравнего распределения генов между дочерними клетками, сопровождающимся событиями рекомбинации. Таким образом, потеря хромосомного материала может быть связана с амплификацией генов, и оба этих явления объясняются одним механизмом.

Еще до оплодотворения, т.е в ооците, начинается экспрессия генов, продукты которых несколько позже принимают участие в формировании различий между передним и задним полюсом оплодотворенного яйца дрозофилы. Это так называемые "материнские" гены. К ним относятся, например, ген caudal (определяет полярность ооцита), ген bicoid (мутация по нему вызывает появление эмбрионов без головы и торакального ганглия), ген oskar (у мутантных эмбрионов нет брюшка).

Уже в самом эмбрионе проявляют свое действие гены других групп.

Больше всего информации получено по генам сегментации и по так называемым гомейозисным генам.

Гены сегментации. Мутации по ним нарушают метамерию, т.е. деление тела зародыша дрозофилы на сегменты, а также вызывают аномалии развития сегментов разных категорий. Могут происходить, например, потеря сегментов (ген gap), появление дефектных по структуре сегментов "через один" (ген pair rule), нарушение внутренней структуры полярности сегмента (engrailed). Совместное действие нормальных аллелей генов этих групп обеспечивает формирование сегментации тела. Мутации генов сегментации несовместимы с нормальным ходом эмбриогенеза и вызывают его остановку с последующей гибелью зародыша на разных стадиях.

Гомейозисные гены. Исторически первыми были описаны и изучены мутации по генам, которые вызывают заметные морфологические аномалии (уродства), но, тем не менее, совместимы с жизнью, т.е. не только не вызывают гибели зародыша, а даже не препятствуют метаморфозу и развитию имаго. Это так называемые гомейозисные мутации, выражающиеся в формировании сегментов с "неправильными" органами. Наиболее известны среди них — мутации aristapedia и antennaepedia, когда вместо аристы или антенны на голове мухи формируется конечность.

Гомеобокс. Молекулярно-биологические исследования гомейозисных мутаций выявили в соответствующих участках ДНК короткую консервативную последовательность оснований, которая была названа гомеодоменом, или гомеобоксом (Нох) (подробнее см.: Дондуа, 1997). Гомеодомен кодирует небольшого размера белковую молекулу, которая может связываться с ДНК. Эти данные позволили предположить, что гомеобокс кодирует регуляторный белок, способный включать и выключать экспрессию генов в определенные моменты развития. Структурные особенности ДНК Hох-доменов подтверждают предположение, что продукты этих генов могут связываться с ДНК и регулировать транскрипцию.

Итак, действие генов ряда групп проявляется либо в оплодотворенном яйце, либо позднее, на разных стадиях формирования самого эмбриона.