Глава 10. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ
РАЗВИТИЯ ОРГАНИЗМА (ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫОНТОГЕНЕЗА)
Онтогенез эукариот, размножающихся половым путем, — это процесс индивидуального развития, который начинается с оплодотворения или активации развития яйцеклетки и заканчивается смертью организма. Онтогенез определяется генотипом (всей системой генов и плазмогенов конкретного организма), в котором запрограммированы специфичность, время, место и последовательность действия генов. Программа генотипа реализуется в условиях внешней и внутренней среды, зависит от этих условий, а поэтому ее реализация уникальна для каждого конкретного организма.
Раздел генетики, который занимается изучением наследственных основ онтогенеза человека, называется онтогенетикой.
Основой генетического исследования онтогенеза является анализ действия гена на формирование признака. В онтогенезе растений, животных и человека осуществляется ряд основных процессов: рост, дифференцировка тканей, морфогенез (формирование органов и признаков).
Все клетки конкретного организма содержат одну и ту же информацию, закодированную в ДНК, которую получила зигота при оплодотворении. В ходе развития зиготы формируется огромное разнообразие различных типов клеток, у позвоночных животных — это несколько сот типов.
Основной вопрос, на который должна ответить онтогенетика, состоит в том, как при наличии одинакового комплекта генов во всех соматических клетках многоклеточного организма получается разнообразие его тканей и органов.
Экспрессия генов в процессе онтогенеза
В 1961 г. Франсуа Жакоб, Жак Люсьен Моно и Андре Мишель Львов открыли принцип регуляции активности генов во времени у бактерий (за что удостоены Нобелевской премии). Суть принципа состоит в том, что в каждый момент бактерия использует лишь часть своих генов для образования разных молекул. Эти экспрессирующиеся гены включаются посредством продуктов питания, получаемых клеткой из внешней среды. Не нужные в данный момент гены выключены и могут быть включены последовательно по мере надобности с помощью тех продуктов, которые наработаны в связи с экспрессией предыдущих генов.
Этот же принцип действует и в клетках эукариот. В разное время в разных типах клеток «работают» разные гены, действие которых необходимо для синтеза белков данного типа ткани. Только в клетках поджелудочной железы человека работают гены, необходимые для синтеза белка — гормона инсулина, в эритроцитах — гены, контролирующие синтез гемоглобина, в клетках гипофиза— контролирующие синтез гормона роста соматотропина и т. д.
Небольшая часть генов постоянно сохраняет активность в клетках всех типов. Иногда их называют генами «домашнего хозяйства». Это гены, контролирующие синтез рибосомальной, транспортной РНК, белков-гистонов, входящих в состав хромосом, протекание процессов митоза и ряд других функций клетки.
Подготовка к онтогенезу у позвоночных животных начинается задолго до оплодотворения и зависит от генотипа матери. В формировании яйцеклетки принимает участие весь набор генов диплоидного материнского организма (еще до мейоза) за счет активного синтеза иРНК. Эта запасная иРНК обеспечивает начальные фазы развития зиготы после оплодотворения (безъядерные яйца беспозвоночных и амфибий после их активации сохраняют способность развиваться до стадии поздней бластулы). Кроме того, еще до мейоза формируется цитоплазма яйцеклетки с находящимися в ней плазмогенами. Мужские клетки содержат настолько мало цитоплазмы и плазмогенов, что практически не оказывают влияния на зиготу. К моменту оплодотворения цитоплазма яйцеклетки локально неоднородна, т. е. яйцеклетка дифференцирована еще до оплодотворения. Сразу после оплодотворения гены репрессированы (не активны), затем происходит их дерепрессия — активация. Неодинаковое пространственное распределение различных веществ в цитоплазме яйцеклетки является причиной того, что при дроблении зиготы в бластомеры попадает разное количество тех или иных веществ цитоплазмы (рис. 43). Разные участки цитоплазмы активируют разные гены.
Итак, «вступление» в действие в разных клетках разных генов реализуется взаимодействием между ядром и разнородной цитоплазмой, а затем по мере дифференцировки, взаимодействием между разными тканями — через гормоны.
Продукты этих взаимодействий и «включают» в работу соответствующие гены.
Гормоны — биологически активные вещества, которые выделяются железами внутренней секреции или скоплениями специализированных клеток организма, в онтогенезе эукариот имеют огромное значение.
Они оказывают целенаправленное действие на другие органы и ткани. Каждый гормон активизирует свою группу генов: адреналин включает синтез ферментов, расщепляющих гликоген мышц до глюкозы, инсулин влияет на образование гликогена из глюкозы в печени и т. д.
В основе развития лежит каскадный принцип: вещества, синтезированные на предыдущей или более ранних стадиях, дерепрессируют гены последующей стадии.
На этапе ген (ДНК) —> иРНК — > белок действие генов во многом хорошо изучено. На этапе белок — > орган — > признак до сих пор остается больше загадок, чем достоверных фактов.
Гены н признаки
После оплодотворения ядро зиготы в течение некоторого периода остается тотипотентным. Под тотипотентностью ядра понимается его способность к формированию всех типов клеток, способность давать начало целому организму. У человека тотипотентность сохраняется, видимо, до стадии 8 бла-стомеров, т. к. достоверно известно рождение 5 однояйцевых близнецов (сестры Диони в Канаде).
Уже на следующей стадии дробления — 16 бластомеров — тотипотентность теряется и начинается дифференциация клеток. У взрослых организмов деление происходит лишь в немногих обновляющихся тканях. У животных это в основном кроветворная, лимфоидная и эпидермальная ткани.
Клетки, сохранившие у взрослого организма способность к размножению и дифференцировке в определенном направлении, называются стволовыми.
У растений ядра практически всех клеток не теряют тотипотентных свойств. Экспериментально показано, что любая растительная клетка может в специальной среде — культуре — превратиться в каллусную, или в зиготообразную клетку и дать начало новому организму. Подробнее об этом речь пойдет в разделе «Клеточная инженерия».
Известно, что в формировании каждого органа принимает участие, как правило, большое число генов. Показателем этого является наличие мутаций. У мыши известно более 50 мутантных генов, вызывающих аномалии внутреннего уха; более 20 мутантных генов, нарушающих различные этапы развития глаза. У человека описано более 50 различных форм наследственной глухоты, более 250 аномалий глаза, более 100 дефектов развития скелета. Известно, что одинаковые фенотипические проявления отдельных признаков у человека могут быть обусловлены действием очень разных генетическими механизмов.
Известно также, что формирование многих органов сопровождается генетически запрограммированной гибелью клеток. Это установлено при изучении формирования конечностей у насекомых и позвоночных. Гибель клеток способствует клеточным перемещениям и моделирует форму пальцев и конечностей в целом. Известны мутантные гены, которые повышают (ген ws) и понижают (ген ta3) гибель клеток на ранних стадиях развития конечностей у куриных эмбрионов. У гомозигот по гену ws могут даже отсутствовать конечности, тогда как у гомозигот по гену ta3 не разделены большая берцовая и малая берцовая кости, лучевая и локтевая, пальцы не отделяются друг от друга.
10.3. Стадии развития
Процесс онтогенеза протекает неравномерно, в нем происходит качественная смена периодов, выражающаяся в изменении характера роста и дифференцировки. Отдельные этапы этих процессов называют стадиями. Стадийные изменения строго последовательны и необратимы (личинка, куколка, имаго у насекомых).
В процессе развития каждого органа есть свой критический период развития. В этот период орган особенно чувствителен к различным, выходящим за пределы обычных факторам среды. Они могут вызвать развитие аномалий, которые называются морфозами. Морфозы — это ненаследственные фенотипические изменения, возникающие под действием ряда факторов среды на организм, претерпевающий критический период. Морфозы, очень сильно изменяющие нормальное строение органа, называются тератомами, или уродствами. Факторы, которые приводят к возникновению уродств, называются тератогенами. Изучением уродств занимается специальная наука — тератология. Тератогенический эффект (каждый в свой конкретный период эмбриогенеза) способны вызывать вирусы краснухи, гриппа, оспы, паротита сифилиса, полиомиелита и др. Тератогенами являются хинин, наркотики, алкоголь, некоторые лекарственные препараты.
Новый снотворный и успокаивающий фармакологический препарат талидомид послужил причиной рождения в разных западных странах нескольких десятков тысяч уродливых детей в 1959—1960 гг. У женщин, принимавших талидомид во время беременности, рождались дети с дефектами в развитии глаз, уха, сердца, пищевода и с фокомелией. Эта аномалия превращает руки и ноги (или что-то одно) в «тюленьи конечности», напоминающие ласты. Фокомелия бывает и наследственной, вызывается аномальным геном. Морфозы, имитирующие мутации, называются фенокопиями. Фокомелия, вызванная талидоми-дом, — фенокопия.
Талидомид послужил впечатляющим примером того, что лекарство, облегчая страдания больного, может привести к трагедии — рождению уродливого ребенка. История талидомида потрясла всех. Во многих странах о талидомиде писали в газетах, говорили по радио, этому были посвящены специальные телевизионные передачи. В 1961 г. талидомид был запрещен и изъят из продажи. Стало очевидным, что новые лекарства следует испытывать на зародышах животных, тогда как до талидомидной истории ни одно лекарство так не проверялось.
В отличие от модификации, которая предполагает изменение степени выраженности признака в пределах нормы реакции генотипа, морфоз, фенокопия, тератома — это резко измененный, часто уродливый признак.
Онтогенез контролируется генотипом, но в фенотипе никогда не реализуются все фенотипические возможности. Фенотип каждого организма есть лишь частный случай проявления его генотипа в конкретных условиях внешней среды в пределах нормы реакции генотипа. И в этом проявляется индивидуальность каждого индивида. Изучение генетики онтогенеза продолжается