7. Основы онтогенетики

Онтогенез — индивидуальное развитие организма от опло­дотворения яйцеклетки и до смерти.

Онтогенез подразделяется на следующие периоды: предэмбриональный (предзиготный), эмбриональный (прена-тальный) и постэмбриональный (постнатальный) (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Типы онтогенеза

Предэмбриональный (предзиготный) период (прогенез) — это период образования и созревания половых клеток. Он весьма важен, так как от содержания в половых клетках нормальных, и мутантных генов и их комбинации при оплодотворении во многом зависит качество будущих потомков.

Эмбриональный (пренатальный) период начинается с мо­мента оплодотворения и заканчивается рождением или выходом из яйца. После оплодотворения зигота начинает дробить­ся, бластомеры постепенно выстраиваются по периферии, об­разуя однослойный зародыш — бластулу. Затем образуется двухслойный зародыш — гаструла, имеющая эктодерму и энтодерму, первичный рот — бластопор и полость — гастроцель. На следующем этапе закладывается третий слой клеток — ме­зодерма. Далее из этих пластов клеток образуются ткани и ор­ганы, т. е. идет гисто- и органогенез.

В эмбриональном развитии человека выделяют следующие периоды:

1)герминативный, или начальный, — 1-я неделя после оплодотворения; зародыш развивается за счет пита­тельных веществ яйцеклетки, идет дробление зиготы;

2)зачатковый, или эмбриональный (зародыш называется эмбрионом), — 2-3-я недели после оплодотворе­ния; питание за счет трофобласта; образуются зародышевые листки и закладываются осевые органы;

3)предплодный (зародыш называется эмбрионом) — с 4-й по 8-ю неделю; питание через плаценту; идет органогенез;

4) плодный (зародыш называется плодом) — с 9-й неде­ли до рождения; плод питается через плаценту, растет, у него развиваются органы и системы органов.

Особенности постэмбрионального периода онтогенеза рассмотрены в § 7.5.

7.1. Реализация действия генов в онтогенезе

В главе 2 описана "центральная догма молекулярной био­логии" и ее современное состояние. Эту схему необходимо до­полнить. Во-первых, геномный уровень организации генети­ческого материала обеспечивает как внутриаллельное, так и межаллельное взаимодействие генов. Следовательно, прояв­ление действия конкретного гена зависит от других генов. Эти гены могут влиять непосредственно на данный ген, через взаи­модействие белков-ферментов, кодируемых ими, изменять течение биохимических реакций и тем самым влиять на про­явление данного признака (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Схема реализации генетической информации

В свою очередь этот ген может влиять на реализацию действия других генов. Во-вторых, на реализацию действия любого гена влияют факторы внешней среды, которые могут изменять структуру молекул ДНК, и-РНК, белков-ферментов, течение биохимических ре­акций и, следовательно, фенотипическое проявление гена.

7.2. Генетические основы дифференцировки

Яйцеклетка является уникальной клеткой, разные участки цитоплазмы которой имеют разный химический состав и раз­личные потенции. В области анимального полюса цитоплаз­ма обладает потенциями эктодермы, в области вегетативного полюса — энтодермы, а на экваторе — мезодермы (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Схема неод­нородности цитоплаз­мы яйцеклетки (знач­ки «+», «v», «•» обо­значают разный хи­мический состав ци­топлазмы)

Приведем последовательность этапов дифференцировки:

1) первопричиной дифференци­ровки клеток является химическая разнородность цитоплазмы яйце­клетки (рис. 7.3), которая усилива­ется после оплодотворения (сегре­гация);

2) химическая разнородность цитоплазмы яйцеклетки обеспечи­вает химическую разнородность цитоплазмы бластомеров (рис. 7.4); следовательно, разные бластомеры будут содержать разные индукторы;

Рис. 7.4. Схема дробления зиготы

3) разные индукторы включают в работу различные транскриптоны;

4) синтезируются разные белки-ферменты;

5) разные белки-ферменты катализируют различные типы биохимических реакций;

6) в разных бластомерах идет синтез разных типо- и тканеспецифических белков, вследствие чего образуются различ­ные типы клеток (проявление морфологической разнород­ности);

7) различные типы клеток образуют разные ткани;

8) из разных тканей формируются различные органы. Положение о том, что цитоплазма яйцеклетки содержит полный набор индукторов, способных включать в работу все необходимые блоки генов, подтверждают опыты Дж. Гердона (1964-1966). В яйцеклетку лягушки с удаленным ядром он пе­ресаживал ядро соматической клетки (эпителия кишечника или кожи головастика). В большинстве случаев из такой яйце­клетки развивались нормальные головастики и даже взрослые лягушки (рис. 7.5). В 1996 г. в Шотландии аналогичными ме­тодами (клонирование) получены взрослые овцы. Эти опыты доказывают, что ядра соматических клеток содержат полную генетическую информацию о развитии целого организма, а цитоплазма яйцеклетки — полный набор индукторов для включения всех нужных блоков генов.

Рис. 7.5. Схема опытов Гердона

Опыты Гердона открыли возможность получения точных генокопий любого организма, в том числе и человека. Однако такие манипуляции с геномом человека чреваты серьезными морально-этическими последствиями. Для их проведения не­обходима соответствующая законодательная база. В послед­нее время большинство стран и многие ученые относятся к опытам по клонированию человека отрицательно. Условно гены можно разделить на 3 группы:

▪ функционирующие во всех клетках (например, гены, ко­дирующие ферменты энергетического обмена);

▪ функционирующие в клетках одной ткани (например, синтез миозина во всех клетках мышечной ткани);

▪ специфичные для одного типа клеток (например, гены гемоглобина в эритробластах).

Главный механизм дифференцировки — блокировка и деблокировка разных транскриптонов на каждом этапе онтоге­неза (схема Георгиева). Так, при изучении гигантских хромосом из клеток слюнных желез насекомых удалось показать, что в отдельных местах хромосомы образуются вздутия — пуффы. Дезоксирибонуклеопротеидные нити в этих локусах деспирализованы и с них идет считывание информации. В за­висимости от стадии развития пуффы появляются в разных участках нитей. Так, у личинки мухи дрозофилы в клетках слюнных желез одна из хромосом в конце третьей личиноч­ной стадии имеет три характерных пуффа. Когда личинка пре­вращается в предкуколку, они исчезают, но вместо них в дру­гом локусе этой же хромосомы появляется характерный пуфф.

На ранних стадиях дробления бластомеры являются тотипотентными, т. е. каждый из них способен дать начало целому организму. В таких клетках может включаться в рабо­ту большинство блоков генов. Установлено, что у тритона тотипотентность сохраняется до стадии 16 бластомеров, у кро­ликов —до 4. Существование тотипотентности бластомеров у человека подтверждают случаи рождения нескольких монози­готных близнецов. Постепенно клетки становятся детер­минированными, е. развитие их уже окончательно запрограммировано и они могут дать начало лишь клеткам определенного типа, например эпителиальным, нервным и др. В этих клетках могут работать только определенные бло­ки генов, а другие полностью заблокированы (выключены из работы).

Различают 2фазы дифференцировки: зависимую и независимую. В начале эмбриогенеза (до стадии ранней га­струлы) наблюдается зависимая дифференцировка, когда клетки еще относительно тотипотентны и их дифференцировка зависит от индукторов и соседних клеток. На­пример, клетки эктодермы спинной стороны зародыша хор­довых дают начало нервной трубке, а брюшной — эпидермису кожи. Если взять клетки эктодермы с брюшной стороны заро­дыша и пересадить на спинную, они образуют нервную трубку.

На более поздних стадиях эмбриогенеза (стадия поздней гаструлы) клетки становятся детерминированными, их разви­тие предопределено и независимо от локализации они диф­ференцируются по намеченному плану — независимая дифференцировка. Например, если на стадии поздней гаструлы клетки верхней губы бластопора пересадить на ниж­нюю губу, то на брюшной стороне образуется нервная трубка.

Важную роль в развитии организма играет эмбриональная индукция — влияние группы клеток эмбриона на дифференцировку рядом расположенных клеток. Явление эмбриональной индукции было открыто Г. Шпеманом и Г. Мангольдом в 1924г. Первичный индуктор вызывает цепь последовательных вторичных индукций. Первичным индуктором являются клетки верхней губы бластопора, вызывающие дифференцировку клеток вентральной части энтодермы в хорду; хорда в свою очередь вызывает образование нервной трубки из дорсальной части эктодермы и пищеварительной трубки из вентральной части энтодермы (вторичная индукция). Так идет морфогенез — приобретение зародышем определенных морфологических структур.

В настоящее время считают, что эмбриональная индукция обусловлена выделением специфических химических ве­ществ — индукторов, которые включают и выключают определенные блоки генов в близлежащих клетках.

В 30-е годы А.Г. Гурвичем и Н.К. Кольцовым была разра­ботана концепция морфогенетических полей, которые интегри­руют процессы развития в эмбриогенезе. Природа их точно не установлена. Она может быть разнообразной: электрической, гравитационной, термической и т. д. В это же время Ч. Чайлд ввел понятие градиента физиологической активности у зароды­ша, показав, что интенсивность обменных процессов посте­пенно падает от головного отдела к хвостовому. Это хорошо заметно у новорожденных: у них относительно большая и хо­рошо развитая голова, несколько хуже развиты верхние ко­нечности и туловище и еще хуже — нижние конечности.