2. Общие принципы онтогенеза

Новым и существенно важным в описании структуры генома и процесса онтогенеза, считаю отметить следующее положение.

Как показали мои дальнейшие логические рассуждения и аналитические исследования (о чём ниже), собственно программа онтогенеза, как программа строительства и формирования особи представляет собой фактически один и тот же непрерывно повторяющийся процесс, процесс циклического считывания практически одного и того же участка (участков) генома, в ходе которого происходит постоянное однотипное наращивание всех органов и членов, как бы напыление слоя за слоем на органы и члены, сформированные на самом первом цикле - круге.

Далее, после полного формирования особи (до 20 лет), наступает период активной жизни, старения и смерти.

Как представляется, программа онтогенеза основана на реализации 3х основных принципов:

1й принцип – «каждой клетке строго своё место», это принцип собственно строительства: судьба каждой клетки заранее определена и реализуется через типовую процедуру «деление – не деление – специализация». Эта информация последовательно считывается с определённого участка (участков) генома и реализуется с использованием, главным образом, эпигенетического механизма (и других регуляторов транскрипции): в исходном положении все гены и другие молекулы ДНК генома закрыты метильными группами и, в соответствии с программой считывания генома, каждая идущая по очереди клетка специализируется вполне определёнными факторами активации (снятием метильных групп и навешиванием групп ацетилирования гистонов и другими). Далее, этот белок кодирующий ген опять закрывается метильной группой (и другими факторами репрессии). Возможно, что нет этих «групп закрытия» на ногтях и волосах, и растут они постоянно.

2й принцип, принцип управления, контроля и повышения надёжности и правильности строительства: определённые управляющие Нох-гены (специальные участки ДНК) разрешают строительство там, где надо, в зоне собственной ответственности, и запрещают строительство там, где не надо (с тем, чтобы зубы появились именно во рту и не появились в любом другом месте, глаз в заранее подготовленных глазницах головы, а не на руке и т.п.).

3й принцип, принцип совмещения программ: т.к. большинство органов и человека, и животных носит очень сложный, комплексный характер и включает в себя одновременное формирование и костного скелета, и кровеносных сосудов, и лимфы, и разных мышечных тканей, тканей кожи, нервов, сухожилий, нейронов, волосяного покрова и многого другого, то все эти отдельные программы фактически комплексно входят в соответствующий кластер, и как бы вложены, наложены друг на друга.

3.Реализация первого принципа онтогенеза: управление направлением деления клетки

3.1. Общие соображения.

Т.к. все органы и члены, образующие единый организм особи, имеют очень сложный, витиеватый, но вполне определённый, строго конкретный вид и форму, то управляя процессом именно деления клеток легко добиться получения практически любой запланированной формы. Это достигается именно тем, что не все появившиеся стволовые клетки делятся, т.е. идёт процесс управления направлением деления стволовых клеток, и, соответственно, направлением строительства органа, формирования его формы!

И судьба каждой клетки (по сути, стволовой с разной степенью дифференцировки) из только что сформированных на фазе митоза, в соответствии с общим планом строительства, заранее определена программой: будет ли данная СК подвергнута дифференциации, т.е. превращению в соматическую клетку, или она вступит в фазу деления (митоза).

Именно для этого и существует в процессе деления клетки интерфаза с предсинтетическим этапом G1 и критической точкой R. Именно путём соответствующего объёма синтеза белка триггера и определяется дальнейшая судьба клетки в точке ристрикации R1. Т.е. количество этого белка и определяет дальнейшую судьбу клетки и, тем самым, форму создаваемого органа или члена. Если данная клетка (СК) не делиться, а подлежит специализации, то содержание клетки, т.е. вид белка в этой специализирующейся клетке, заранее известен из назначения этого органа или члена.

Вот этот последовательно – параллельный процесс, эта программа реализации судьбы каждой клетки и есть собственно программа онтогенеза!

Следовательно, если в этой клетке образовалось мало тригерного белка, то это и есть сигнал на запуск процесса специализации этой клетки, а не на её деление. Для дальнейшей специализации необходимо указать этой клетке, какой она должна быть по белковому содержанию, т.е. какой белок активировать в ней именно в соответствии с общим планом и общей программой строительства. Очевидно, что в процессе считывания генома количество тригерного белка определяется общей программой строительства (онтогенеза) и кодируется специальной управляющей последовательностью ДНК. Можно с уверенностью предположить, что эта информация заключена в «некодирующей» части генома в зоне диспергированных (т.е. рассеянных) повторяющихся последовательностей ДНК, расположенных между генами: их «длинные» (Line) повторы дают команду на производство тригерного белка в большом количестве (R больше R порога), и, как следствие, клетка переходит в этап деления. Если следует короткая (Sine, типа Alu) последовательность, то производиться триггерного белка меньше порога и клетка вступает в фазу специализации. Общее количество этих, управляющих длинных (около 0,85 млн.) и коротких (около 1,5млн.) повторов ДНК в геноме составляет около 2,4 миллионов, что одного порядка с количеством клеток плода перед родами (около 200 млн). Можно предположить, что вот это число в 2,4 млн. клеток и определяет тот самый минимально возможный объём как бы уже сформированного организма .

Т.о., порядок следования диспергированных последовательностей в геноме и определяет порядок деления и специализации клеток, т.е. прядок формирования формы каждого органа.

При этом, сам процесс активации этих ДНК повторов, быстрее всего, осуществляется последовательно и формально с использованием, главным образом, эпигенетических маркеров: снятия репрессивных метильных групп и присоединения групп активации - ацетилирования гистонов. Следовательно, эти, т.н. «некодирующие участки ДНК» являются кодирующими! Они кодируют не соматические белки и аминокислоты, а регулирующие белки.

В клетках животных митоз, как правило, длится 30—60 минут, а в растительных — 2—3 часа. У человека подготовительная фаза G1 может занимать от нескольких часов до нескольких дней (до 50% цикла), синтетическая фаза S от 6 до 10 часов (до 25%цикла), постсинтетическая G2 2-3 часа, а сам митоз (собственно деление) 1-3 часа.

Это время зависит от будущей судьбы появившейся клетки, от того, во что она будет превращаться, от темпа специализации уже дифференцирующихся окружающих клеток и, поэтому оно тоже фактически строго определено программой.

Если рассмотреть процесс развития плода у женщины, то определим, примерно, какому месяцу беременности и какой недели соответствует работа программы самого первого цикла онтогенеза. Т.к. общее число процессов деления, наверное, должно быть равно сумме коротких и длинных повторов, т.е. числу в 2,4 млн., а общий вес новорожденного составляет около 3500 граммов и содержит около 200 млн. клеток, то из простой пропорции получим вес плода около 45 грамм. Это соответствует концу 3го месяца беременности, концу 12 недели.

Из справочника: «На третьем месяце беременности плод постепенно начинает получать питательные вещества из плаценты (а не из маточной стенки). Ребенок приобретает все больше черт, характерных для маленького человека: конечности и лицо сформированы. Пока еще нет волос на голове и кожа стеклянно-прозрачная, но зато внутренние органы почти полностью сформированы и функционируют. Глаза покрыты веками, имеются ушные мочки, на крошечных пальчиках малыша начинают расти ноготки. Мышцы активно развиваются, ребенок двигается, сжимает ручку в кулачок и разжимает ее. Развивается также и мимика: плод двигает губами, открывает рот, морщит лоб и хмурит брови. Иногда он заглатывает окружающую его амниотическую жидкость и даже мочится в нее. Длина ребенка на третьем месяце беременности составляет 8-9 см при весе 20-40 г.

На третьем месяце в печени и селезенке плода образуется кровь. Такое плодное кроветворение продолжается на протяжении всего периода беременности, лишь после родов формируется кроветворение по взрослому типу (клетки крови образуются в костном мозге). У плода оканчивается формирование аорты, вен, артерий и капилляров».

С определённой долей уверенности можно, наверное, считать, что, что плод практически сформировался в «минимальном объёме» и первый цикл (этап) онтогенеза завершён. Более того. В эмбриологии многие считают, что большинство органов младенца уже сформировалось к концу 8 недели!

Этот описанный принцип онтогенеза (деление – не деление – специализация) есть самый общий принцип. Он имеет ещё и ту специфику, что на самых ранних стадиях онтогенеза, когда ещё нет основы, «заготовок» для соматических клеток, в ходе этого процесса идёт деление стволовых клеток (СК) с их плановой дифференциацией , в соответствии с которой, образуется заранее определённая иерархия СК: тотипотентные – плюрипотентные – мультипотентные – унипотентные (клетки – предшественницы, зачатки соматических). Т.е. и на этом, начальном этапе, обозначенный выше принцип имеет несколько другой вид и другое звучание: «деление и специализация каждой, вновь образованной». Это касается всех СК, кроме унипотентных, т.к. последние могут и делиться, и превращаться в соматические или другие специализированные. А тотипотентные - плюрипотентные – мультипотентные, в основном, только делятся.

Т.е. процесс конечной специализации клеток (окончательная дифференциация) наступает не сразу, а через множество промежуточных стадий, когда в процессе онтогенеза постоянно образуются новые СК, целая и однозначная иерархия СК, из уже имеющихся. Можно сказать, что идёт планомерный процесс программирования всех клеток, начиная с тотипотентной, далее они последовательно программируются в плюрипотентные, те в свою очередь в мультипотентные, а мультипотентные программируются в унипотентные, которые на последнем этапе (пере)программируются в соматические и другие специализированные.