Механизмы реализации программ онтогенеза

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, «гены–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» («Master–Genes») и «гены–рабы» («Slaves–Genes») предложил шведский цитолог Ян-Эрик Эдстрем в начале 1960-ых гг. Супер-регуляторные гены у дрозофилы открыл швейцарский эмбриолог и генетик Вальтер Геринг (начало 1990-ых гг.). Термин «гомеозис» предложил У. Бэтсон в 1894 г. Под гомеозисом он понимал превращение одной части организма в другую. Гомеозисные 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 образом

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 сплайсинга (посттранскрипционной 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 различной активностью разных типов мРНК.

5. Регуляция на уровне посттрансляционной модификации белков – регулируется путем посттрансляционной модификацией 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 и неэкономична, 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 замещаются другими типами тканей, включая структуры, характерные для гениталий.

Заключение: Основные атрибуты онтогенеза

На основании изложенного материала сформулируем основные атрибуты (черты, свойства) онтогенеза:

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

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

– Углубление специализации: по мере развития уменьшается вероятность смены траектории онтогенеза

– Адаптивный характер: поливариантность онтогенеза обеспечивает возможность приспособления к различным условиям

– Неравномерность темпов: скорость процессов роста и развития изменяется.

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

– Наличие цикличности: существует цикличность старения и омоложения

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