48. Понятие о гомеостазе. Механизмы регуляции клеточного цикла как пример поддержания гомеостаза (циклимы, циклинзависимые киназы, чек-пойнты).

Гомеоста́з (др.-греч. ὁμοιοστάσις от ὁμοιος — одинаковый, подобный и στάσις — стояние, неподвижность) — саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия.

Гомеостаз популяции — способность популяции поддерживать определённую численность своих особей длительное время.

Американский физиолог Уолтер Кеннон (Walter B. Cannon) в 1932 году в своей книге «The Wisdom of the Body» («Мудрость тела») предложил этот термин как название для «координированных физиологических процессов, которое поддерживают большинство устойчивых состояний организма». В дальнейшем этот термин распространился на способность динамически сохранять постоянство своего внутреннего состояния любой открытой системы. Однако представление о постоянстве внутренней среды было сформулировано ещё в 1878 году французским учёным Клодом Бернаром.

Общие сведения

Термин «гомеостаз» чаще всего применяется в биологии. Многоклеточным организмам для существования необходимо сохранять постоянство внутренней среды. Многие экологи убеждены, что этот принцип применим также и к внешней среде. Если система неспособна восстановить свой баланс, она может в итоге перестать функционировать.

Комплексные системы — например, организм человека — должны обладать гомеостазом, чтобы сохранять стабильность и существовать. Эти системы не только должны стремиться выжить, им также приходится адаптироваться к изменениям среды и развиваться.

Циклины — семейство белков, являющихся активаторами циклин-зависимых протеинкиназ (CDK) (CDK — cyclin-dependent kinases) — ключевых ферментов, участвующих в регуляции клеточного цикла эукариот. Циклины получили свое название в связи с тем, что их внутриклеточная концентрация периодически изменяется по мере прохождения клеток через клеточный цикл, достигая максимума на его определенных стадиях.

Каталитическая субъединица циклин-зависимой протеинкиназы частично активируется в результате взаимодействия с молекулой циклина, которая образует регуляторную субъединицу фермента. Образование этого гетеродимера становится возможным после достижения циклином критической концентрации. В ответ на уменьшение концентрации циклина происходит инактивация фермента. Для полной активации циклин-зависимой протеинкиназы должно произойти специфическое фосфорилирование и дефосфорилирование определенных аминокислотных остатков в полипептидных цепях этого комплекса. Одним из ферментов, осуществляющих подобные реакции, является киназа CAK (CAK — CDK activating kinase).

Циклин-зависимые киназы (англ. cyclin-dependent kinases, CDK) - группа белков, регулируемых циклином и циклиноподобными молекулами. Большинство CDK участвуют в смене фаз клеточного цикла; также они регулируют транскрипцию и процессинг мРНК. CDK являются серин\треониновыми киназами, фосфорилируя соответствующие остатки белков. Известно несколько CDK, каждая из которых активируется одним или более циклинами и иными подобными молекулами после достижения их критической концентрации, притом по большей части CDK гомологичны, отличаясь в первую очередь конфигурацией сайта связывания циклинов. В ответ на уменьшение внутриклеточной концентрации конкретного циклина происходит обратимая инактивация соответствующей CDK. Если CDK активируются группой циклинов, каждый из них как бы передавая протеинкиназы друг другу, поддерживает CDK в активированном состоянии длительное время. Такие волны активации CDK возникают на протяжении G₁- и S- фаз клеточного цикла.

По мере прогрессии клеточного цикла должны существовать механизмы проверки правильности выполнения его событий. Такая проверка осуществляется в нескольких точках клеточного цикла получивших название сверочных точек (checkpoint). Эти точки расположены в концах G1, G2 и М фаз. В первой точке осуществляется проверка наличия повреждений ДНК, во второй наряду с повреждениями ДНК проверяется завершенность репликации, в третьей проверяется правильность расхождения хромосом в митозе. Если обнаруживается какое-либо из вышеперечисленных нарушений, то происходит остановка клеточного цикла, что дает время для их исправления. Если исправление оказывается невозможным, то происходит запуск механизма апоптоза - программируемой клеточной смерти.

49. Генетическая регуляция развития, особенности молекулярно-генетических процессов на разных этапах онтогенеза (генетическая детерминированность развития, дифференциальная активность генов, влияние ооплазматической сегрегации, Т-локус, гены полового созревания, старения ).

Весь процесс развития организма регулируется генетической программой. В большинстве случаев геном всех клеток остается одинаковым. Это означает, что при развитии "нужные гены работают в нужное время и в нужном месте" (Н.В.Тимофеев-Ресовский).

Различными методами ученые пытались определить число генов, которые задействованы в процессах развития. Хотя эти оценки остаются очень приблизительными, можно утверждать, что в ходе развития работает большинство генов организма. Часть генов - так называемые гены домашнего хозяйства - необходимы для жизнедеятельности любой клетки (понятно, что мутации таких генов, приводящие к потере функции, будут летальными). Процент этих генов в геноме, видимо, довольно мал. Большинство же генов - это так называемые гены роскоши. Их продукты необходимы только на определенных стадиях развития и (или) в клетках определенных тканей. Число включенных генов в большинстве случаев снижается со стадии яйцеклетки и до стадии зрелых тканевых клеток. Например, у наиболее изученных в этом отношении морских ежей на стадии зиготы белки считываются примерно с 24000 разных иРНК, на стадии гаструлы - с 11000, а в клетках разных тканей взрослого животного - всего с 2000-4000.

Таким обюразом большинство белков нужно не для функционирования клеток взрослого организма, а для его развития.

Генетический Детерминизм

Убеждение в том, что развитие любого организма находится под генетическим контролем. Мнение может казаться бесспорным в отношении поведения простых организмов, но не для более высокоорганизованных животных и человека. Идея о том, что человеческое поведение во многом обусловлено генетическими факторами, нашла выражение в развитии эволюционной психологии.

Ооплазматическая сегрегация. Созревание ооцита.

Созревание ооцита развертывается как строго направленное, последовательное формирование гетерогенности его цитоплазмы, получившее наименование ооплазматической сегрегации - процесса, в ходе которого намечается план строения будущего организма. Этот план материализуется на основе градиентного распределения биологически активных веществ, доказательством чего, в частности, является постепенное падение концентрации РНК и белков в направлении от анимального полюса к вегетативному. Если экспериментально разрушить анимальновегетативный градиент (например, центрифугированием) и добиться равномерного распределения РНК, белков и других веществ в цитоплазме, то развитие зародыша останавливается в самом начале.

При другом типе разрушения - расчленении существующего в ооците дрозофилы анимально-вегетативного фадиента на 2 самостоятельных, возникает зародыш с двумя системами осевых органов.

Ооплазматическая сегрегация обусловлена положением ооцита в материнском организме. Яйцо дрозофилы созревает в особой камере - фолликуле. Из одного оогония в результате четырех делений, характеризующихся высокой степенью упорядоченности, формируются 16 клеток, которые остаются связанными друг с другом кольцевыми каналами. Ооцитом становится та клетка, которая занимает задний конец яйцевой камеры. Остальные 15 превращаются в огромные питающие клетки.

Именно в них активны так называемые гены с материнским эффектом, т.е. функционирующие в организме матери еше до оплодотворения яйца: bicoid, exuperantia, swallow, nanos u pumilio. Их взаимоотношения подробно разбирались в гл. 5. При экспериментальном изучении транспорта мРНК-транскрипта гена bicoid, показано наличие для нее четко выраженного анимально-вегетативного фадиента: мРНК гена bicoid накапливается тем концом ооцита, который должен стать передним полюсом эмбриона.

Все пять вышеперечисленных генов составляют систему, обеспечивающую формирование передне-заднего фадиента. Продукты этих генов принято называть морфогенами. Помимо них, важную роль в формировании плана строения будущего организма дрозофилы играет ген hunchback, активно функционирующий не только в материнском геноме, но и у зиготы. Мутанты, гомозигот ные по hunchback, детальны и схожи с мутантами bicoid по утрате передних структур. Продукт гена hunchback блокирует развитие хвостового конца, чему в ходе нормального развития противостоит продукт гена nanas, локализующийся у заднего полюса яйца.

Кроме того, в ооците существует система, контролирующая формирование дорсо-вентрального градиента. Она включает функционирующие в фолликулярных клетках гены torpedo, pipe, nudel, windbeutel, в результате чего происходит обмен не идентифицированными сигналами между фолликулярными клетками и вентральной областью ооцита. После оплодотворения экспрессируются шесть генов, из которых snake и easier, кодирующие сериновые протеазы, активируют ген spatzle. Но ведущая роль в детерминации дорсо-вентральной полярности принадлежит гену toll, активность которого, опосредованная генами pelle и cactus, обеспечивает формирование градиентного распределения белкового продукта гена dorsal, действующего как фактор транскрипции.

Наконец, третья система, состоящая из генов torso, tailless и huckebein осуществляет общий контроль над формированием градиентов при развитии несегментированных головного и хвостового конца. Причем в детерминации их анатомических границ особое значение имеет белок гена torso, расположенный на обоих полюсах яйца.

Таким образом, еще до формирования зиготы продукты материнских мРНК распределяются вдоль будущей оси эмбриона дрозофилы неравномерно, создавая определенные фадиенты разных морфогенов. Что касается ооцитов млекопитающих, то столь жестко фиксированная гетерогенность, по-видимому, им не свойственна. Так, согласно отдельным экспериментальным данным, в ооцитах мыши эмбриональные оси устанавливаются только с момента развития зиготы. Однако делать какие-либо заключения можно будет только после обнаружения продуктов генов, гомологичных описанным удрозофилы.

У мышей также известен целый ряд рецессивных мутаций сложного локуса Т 17-й хромосомы, затрагивающих раннее развитие. Локус Т представлен множеством (117) аллелей, обозначаемых знаком t с дополнительными индексами: t¹, t², t³ и т.д. Около 30% t-генов в гомозиготном состоянии вызывает гибель зародышей, часть аллелей являются полулетальными. Весь этот ряд рецессивных аллелей t распадается на восемь групп, которые могут быть комплементарны друг другу и в гетерозиготном состоянии не приводить к гибели зародыша.

Известны также и пять доминантных мутаций Т-локуса. Каждая из восьми групп обусловливает разного рода дефекты. Один из аллелей останавливает превращение морулы в бластоцисту, состоящую из трофобласта и эмбриобласта. Такие морулы гибнут. Другая мутация приводит к тому, что развившийся трофобласт не вступает в контакт со стенкой матки и зародыш тоже гибнет. Третьи мутантные зародыши не образуют внезародышевой эктодермы, у четвертых — гибнут клетки зародышевой эктодермы, у пятых — клетки зародышевой эктодермы не способны мигрировать в области первичной полоски и образовывать мезодерму, у шестых — уже образовавшиеся структуры нервной системы дегенерируют и т.д. Первичное нарушение, лежащее в основе всех этих эффектов, всего лишь одного локуса пока не выяснено. Однако очевидно, что локус Т играет первостепенную роль в морфогенезе эктодермы мышиного зародыша и организма в целом.

Ген полового созревания

По данным американских исследователей, которые совершенно недавно обнаружили новый ген - GRP54, который запускает и в дальнейшем, отчасти отвечает за процесс полового развития и созревания. Активизация именно этого гена вызывает так называемый гормональный взрыв - основное действующее начало в этом щепетильном процессе. Мутации этого гена мешают людям становиться половозрелыми в совершенно конкретном смысле этого слова, считают авторы исследования, ученые из Massachusetts General Hospital в Бостоне. Лекарства, влияющие на активность этого гена, стимулируют или, наоборот подавляют способность к деторождению. Удивительно, но оказалось, что таковых препаратов великое множество, снотворные, антидепрессанты, слабительные, нестероидные противовоспалительные и т.д. Следует заметить, что указанные группы лекарств достаточно широко применяются в лечении детей и подростков в период полового созревания! В настоящее время, по статистике, каждый пятнадцатый подросток демонстрирует признаки раннего взросления. К шестнадцати годам окончательного полового созревания достигают дети с пониженной массой тела или интенсивно занимающиеся спортом. Это обусловлено определенным соотношением фракций гормонов своеобразно конкурирующих между собой. Полненьким, как правило, не светит раннее половое созревание, поскольку все жиры депонируются в подкожно-жировой клетчатке, а не идут на синтез половых гормонов. Известно, что один человек из 50 тысяч вообще может никогда не достигнуть пубертата (именно так, по научному, называется период полового созревания, если не вдаваться в подробности, то от латинского pubis – лобок, и его производного pubertatis – половая зрелость) по причине измененной версии гена GRP54. Этот ген может определять выработку определенного гормона, который заставляет гипофиз вырабатывать другие важные вещества, вызывающие созревание яичников и яичек, вот такая интимная цепочка событий обеспечивает не менее интимные вещи.

Ген или гены, отвечающие за старение, по-видимому, находятся в X-хромосоме человека и передаются от отцов к дочерям и от матерей к сыновьям. Сузить круг поиска ключа к долголетию удалось исследователям из бельгийского Университета Лювена. "Мы обнаружили возможный генетический механизм, влияющий на долголетие и возможность старения", - отметил один из авторов исследования доктор Ян Стессен (Jan Staessen) на страницах британского научного журнала The Lancet. Ученые опирались на опубликованную ранее в США научную работу, в которой утверждалось, что так называемые теломеры – участки ДНК, сосредоточенные на концах хромосом, имеют связь с продолжительностью жизни. С каждым делением клетки они постепенно уменьшаются, поэтому, чем больше их изначальный, заложенный генами размер, тем дольше может прожить человек. В ходе работы бельгийские ученые измеряли теломеры в клетках членов семьей добровольцев. Они обнаружили, что их длина наследуется по давно известному принципу, который можно объяснить локализацией определяющей ее гена в X-хромосоме. Чтобы понять это, надо вспомнить, что X-хромосома передается от отца дочерям и от матери дочерям и сыновьям, и именно в таком сочетании этот фактор должен наследоваться. Авторы работы обнаружили, что сходство длины теломер можно обнаружить у братьев и сестер, у отцов и дочерей, а также матерей, сыновей и дочерей. Такого сходства не было выявлено между супругами, а также отцами и сыновьями. То есть фактор наследуется вместе с X-хромосомой, что дает основание сузить круг поиска гена, отвечающего за старение, до этой половой хромосомы. Хотя имеющиеся данные указывают на X-сцепленное наследование, ученые предупредили, что результаты исследования имеют предварительный характер и требуют дальнейшей работы и проверки. Кроме того, вполне вероятно, что старение определяется сразу несколькими генами, так что обнаруженный бельгийскими учеными является лишь одним из многих.