4 КУРС (ЭМБРИОЛОГИЯ) / Несортированное по эмбриологии / ТАБЛИЦА

После того, как были открыты и изучены гомеозисные-гены дрозофилы, сходные гены были найдены у всех других животных от нематоды до человека. У млекопитающих они называются НОХ-генами (гомеобокс-содержащими генами), и также кодируют белки, регулирующие транскрипции и определяющие структуры тела и их положение в передне-заднем направлении

(рис. 60).

Рис. 60. Гомология работы гомеозисных генов дрозофилы (гео- мео-гены) и млекопитающих (мышь и человек) НОХ-гены в определении передне-задней оси и сегентации тела

Таким образом, в эмбриональном развитии исходный гра- диент-белков и мРНК в яйцеклетке стимулирует локальную экспрессию генов эмбриона, которая ведет к дальнейшей дифференциации генной экспрессии и определяет судьбу клеток развивающегося эмбриона. Процесс, в котором формируются конечности, ткани и органы, называется морфогенезом, и определяется последовательностью переключения экспрессии групп

генов, однако эти гены пока не столь детально изучены. Морфогенез – буквально означает образование новой формы или принятие новой формы. Он связан с дифференциальным ростом, но чаще связан с организованным движением клеток и групп клеток. Морфогенез может идти при перераспределении клеток в пространстве и во времени. На ход нормального развития влияет взаимодействие частей зародыша, нарушение которого может привести к уродствам.

Рис. 61. Реализация разного эпигенитического ландшафта при взаимодействии генов со средой

В процессе эмбриогенеза осуществление записанной в генах программы развития происходит в конкретных условиях среды. Взаимодействие генов и среды можно описать на следующей модели (рис. 61). Эмбриональное развитие можно сравнить с шариком, катящимся по наклонной поверхности с разными желобками. Такое представление эмбрионального развития, на-

званное эпигенетическим ландшафтом, было предложено Кондратом Уоддингтоном.

Действие окружающей среды может быть и вредным, то есть у организма под действием внешней среды возникают отклонения развития при совершенно нормальных генах. Для примера рассмотрим один случай (см. рис. 61). В 60-х годах в Германии было сильно разрекламировано новое снотворное под названием талидомид (см. рис. 61). Среди принимавших новое лекарство были беременные женщины. Спустя некоторое время было замечено, что в стране стало рождаться много детей с патологией конечностей. У них отсутствовали длинные кости конечностей, т. е. прямо от основания тела начинались кисти или ступни (см. рис. 61).

Раньше такое заболевание встречалось один раз на несколько тысяч новорожденных, и вдруг такой всплеск. Начали проводиться исследования, и выяснилось, что причина в новом лекарстве. Как оказалось, талидомид имеет большое сродство к гуанину. Взаимодействуя с ДНК, он может приводить к функциональным нарушениям. Промотор гена, отвечающего за рост и развитие длинных конечностей, содержит большое количество гуанина, таким образом, талидомид нарушает работу этих генов, и зачатки костей длинных конечностей так и не начинают развиваться. Многие из этих детей не выжили, часть из тех, кто выжил, ведут жизнь инвалидов, но есть среди них люди, которые, несмотря на инвалидность, реализовали свои возможности.

По мере развития происходит смена активно работающих генов. В разных частях зародыша функционируют разные гены, хотя есть гены, активные во всех клетках. Часть генов, активных в оогенезе не теряют своей активности и в эмбриональном развитии. Точнее – активной остается лишь часть генов.

Некоторые генные системы, последовательно включающиеся в процессе развития, организованы по кластерному типу. Порядок расположения HOX-генов соответствует временной последовательности их активности в ходе развития. Подобного рода явления описаны и у некоторых эукариот (дрожжи).

Колинеарность в расположении генов и контролируемых ими признаков.

Этот удивительный феномен означает соответствие линейного расположения генов и линейной последовательности рас-

пределения детерминируемых ими признаков в теле развивающегося зародыша. Об этом говорилось в главе о гомеозисных генах: признаки, которые гены контролируют (голова, грудь, брюхо), расположены точно в той же последовательности, что и соответствующие комплексы генов (ANT-C, ВХ-С, abd-A, Abd- B). Иными словами, в определенном участке хромосомы как бы «нарисована» в молекулярных терминах – миниатюрная или мушка-дрозофила, или мышка, или человечек. Получается нечто похожее на то, о чем думали преформисты XVII в. Только они полагали, что в половой клетке присутствует миниатюрный человек в буквальном смысле этого слова, в действительности же его «образ записан», но в определенной структуре клетки, несущей наследственную информацию (хромосома), и на специфическом языке (молекулярно-генетическом).

2. Реализация программ морфогенеза

Реализация программ морфогенеза происходит под воздействием комплекса генетических и негенетических (парагенетических) факторов.

Генетические программы морфогенеза образованы двумя группами генов:

1)Гены, управляющие переключением: главные гены, «ге- ны-господа». К ним относятся гены-регуляторы, продукты которых влияют на экспрессию других генов, и гомеозисные гены, продуцирующие морфогены – вещества, определяющие морфогенетические процессы. К морфогенам относятся как тканеспецифические вещества (например, гормоны), так и неспецифические низкомолекулярные соединения (ретиноивая кислота).

2)Гены, обеспечивающие переход от одного состояния (узла) к другому: исполняющие гены, «гены-рабы», продуктами которых являются ферменты, структурные белки.

Историческая справка. Термины «гены-господа» («MasterGenes») и «гены-рабы» («Slaves-Genes») предложил шведский цитолог Ян-Эрик Эдстрем в начале 1960-х гг. Суперрегуляторные гены у дрозофилы открыл швейцарский эмбриолог и генетик Вальтер Геринг (начало 1990-х гг.). Термин «гомеозис» предложил У. Бэтсон в 1894 г. Под гомеозисом он понимал превращение одной части организма в другую. Гомеозис-

ные гены у дрозофилы открыли Эдвард Льюис (США) и Кристина Нюссляйн-Вольхардт и Эрик Вишхаус (Германия) (Нобелевская премия).

Экспрессия всех генов контролируется разнообразными эффекторами. Часть из них закодирована в генотипе, часть – поступает в клетки извне или образуется в ходе метаболических реакций. Синтез эффекторов контролируется условиями внешней среды, например, белки «теплового шока», регулирующие процессы транскрипции, синтезируются у дрозофилы при температуре свыше 35°С, при воздействии антибиотика антимицина А, гидроксиламина, колхицина, хлорида аммония и других веществ.

Регуляция экспрессии всех генов происходит на различных уровнях:

1.Регуляция на генном уровне происходит различным об-

разом.

1.1.Модификация ДНК (например, замена цитозина или гуанина на метил-цитозин или метил-гуанин; метилирование оснований снижает активность генов).

1.2.Увеличение объема ДНК в клетке путем дифференциальной амплификации ДНК (например, многократное копирование генов рРНК) или за счет образования политенных хромосом.

1.3.Программированные количественные изменения ДНК (например, изменение ориентации промотора).

1.4.Сплайсинг ДНК (например, вырезание участков генов, кодирующих антитела).

1.5.Диминуция хроматина – необратимая утрата части генетического материала в соматических клетках некоторых организмов (инфузорий, аскарид, циклопов).

1.6.Изменение активности целых хромосом (например, инактивация одной из двух X–хромосом у самок млекопитающих).

1.7.Изменение последовательностей ДНК с помощью подвижных генетических элементов, например, транспозонов.

2.Регуляция на уровне транскрипции – путем регуляции транскрипции мРНК. Интенсивное функционирование отдельных генов или их блоков соответствует определенным этапам развития и дифференцировки. Регуляторами транскрипции у животных часто являются стероидные гормоны.

3.Регуляция на уровне сплайинга (посттрансляционной модификации мРНК) – обеспечивает возможность образования различных типов зрелой, функционально активной мРНК. Процессинг РНК регулируется с помощью рибозимов (катализаторов рибонуклеиновой природы) и ферментов матураз. Некоторые генетические заболевания человека (фенилкетонурия, некоторые гемоглобинопатии) обусловлены нарушением сплайсинга.

4.Регуляция на уровне трансляции – обусловлена раз-

личной активностью разных типов мРНК.

5.Регуляция на уровне посттрансляционной модифика-

ции белков – регулируется путем посттрансляционной моди-

фикацией белков (фосфорилированием, ацетилированием, расщеплением исходной полипептидной цепи на более мелкие фрагменты и т. д).

Рассмотренные примеры свидетельствуют о многообразии способов реализации генетической информации путем регуляции активности самих генов либо их продуктов. Следует, однако, отметить, что для клетки наиболее экономична регуляция на уровне транскрипции, поскольку она препятствует образованию соответствующих мРНК и белков, когда клетка не испытывает в них потребности. Вместе с тем регуляция на уровне транскрипции идет сравнительно медленно, тогда как, например, активация белков путем расщепления молекул-предшественников хотя

инеэкономична, но происходит очень быстро.

Гомеозисные мутации. При нарушении структуры гомеозисных генов возникают гомеозисные мутации, которые изменяют порядок экспрессии исполняющих генов. Фенотипический эффект гомеозисных мутаций заключается в превращении одних органов в другие.

Например, у мушки дрозофилы мутация группы генов bithorax, контролирующих развитие грудных и брюшных сегментов у дрозофилы, может приводить к появлению крылоподобных образований вместо галтеров. Мутации группы генов antennapedia выражаются в том, что у насекомых на месте антенн вырастают ножки. Мутации ophthalmoptera приводят к развитию крыла из имагинального диска глаза. Мутации proboscipedia приводят к развитию ноги или части антенны (в зависимости от температуры) вместо хоботка. У мутантов tumorous head ткани головы за-

мещаются другими типами тканей, включая структуры, характерные для гениталий.

Основные свойства онтогенеза:

1.Исходная запрограммированность процессов. Наличие уникальной неизменной генетической программы развития, сформированной вследствие мейоза и оплодотворения.

2.Необратимость онтогенеза. При реализации генетической программы невозможен возврат к предыдущим стадиям.

3.Углубление специализации: по мере развития уменьшается вероятность смены траектории онтогенеза.

4.Адаптивный характер: поливариантность онтогенеза обеспечиваетвозможностьприспособления кразличным условиям.

5.Неравномерность темпов: скорость процессов роста и развития изменяется.

6.Целостность и преемственность отдельных этапов. Признаки, появляющиеся на более поздних стадиях, базируются на признаках, проявляющихся на ранних стадиях.

7.Наличие цикличности: существует цикличность старения

иомоложения.

8.Наличие критических периодов, связанных с выбором пути в узловых точках (точках бифуркации) или с преодолением энергетических порогов.

Условно можно выделить четыре группы генов:

1.Отвечает за образование ферментов энергетического обмена, за синтез больших молекул (белок, ДНК, РНК), за образование структур, общих для всех клеток.

2.Функционирует в одинаковых клетках какой-нибудь ткани (эти гены определяют синтез сократительных белков в мышечных тканях или коллагена – в опорных тканях).

3.Специфичные для определенного типа клеток. Специфичен синтез гормонов, медиаторов.

4.Регуляторные гены. Они включают и выключают активность генов 1-, 2- и 3-й групп.

Одинаковые по внешнему виду клетки находятся в разных тканях, но они отличаются по активности генов. Так, например, формируется определенная форма хрящей в разных органах или определенная форма, структура мышц. Гены «лепят» эту форму

взависимости от места.

XIII. ОНТОГЕНЕЗ

1. Особенности, свойства и виды онтогенеза

Индивидуальное развитие особи называется онтогенезом (Э. Геккель, 1866). Особью, или индивидом (от лат. individuum – неделимый) называется неделимый далее организм (от лат. organizo и франц. organisme – устраиваю, придаю стройность). Главные существенные признаки особи – это её целостность, строгая взаимозависимость всех частей, органов и систем органов: разделить особь на части без потери морфофункциональной индивидуальности невозможно. Само выражение «особь» подразумевает обособленность: таким образом, особь обособлена, отделена от других подобных особей, она способна (хотя бы частично) к самостоятельному существованию.

С эволюционной точки зрения, особью называется морфофизиологическая единица, происходящая от одного зачатка: от одной зиготы (при половом размножении), яйцеклетки (при партеногенезе), споры (при споровом размножении), почки или любого другого зачатка (при бесполом или вегетативном размножении). В дальнейшем зачаток, дающий начало новой особи, будем для краткости называть зиготой, поскольку именно при образовании зиготы возникают новые сочетания наследственных факторов, определяющих индивидуальность особи. Именно особь является объектом воздействия эволюционных факторов, в первую очередь – естественного отбора.

Целостность и дискретность онтогенеза. Онтогенез особи начинается с момента её образования. Этим событием особи может быть прорастание споры, образование зиготы, начало дробления зиготы, возникновение особи тем или иным путем при вегетативном размножении (иногда начало онтогенеза относят к образованию исходных клеток, например, оогоний). В ходе онтогенеза происходят рост, дифференцировка и интеграция частей развивающегося организма. Онтогенез особи может завершиться её физической смертью или её воспроизведением (в частности, при размножении путем деления).