A—D — гены; а. b, с, d— геноконтролируе-мые продукты.

 

II. Принцип ведущей роли ядерно-цитоплазматических отношений в регионализации зародыша. Этот принцип феногенетики был сформулирован в 30-е годы. Здесь представления Моргана и Гольдшмидта совпадали. Оба полагали, что за селективное проявление наследственной информации ответственна цитоплазма. По Моргану в разных частях зародыша работают разные гены, потому что разные ядра попадают в разную цитоплазму, содержащую разные активирующие гены вещества. По Гольдшмидту, в разных частях зародыша функционируют разные генопродукты, потому что в их цитоплазме содержатся разные вещества, селективно способствующие или препятствующие функционированию этих генопродуктов.

Ведущая роль ядра в регуляции формообразования подтверждается рядом опытов, продемонстрированных в 30-е годы физиологом Г.Хеммерлингом на растениях. Он обнаружил, что у одноклеточной водоросли Acetabularia форма шляпки (зонтика) – органа размножения, развивающегося на верхушке стебля, зависит только от ядра. Так, если у водоросли одного вида – Acetabularia mediterranea – удалить содержащий ядро ризоид и срастить со стебельком ризоид с ядром другого вида, например, A.crenulata, то образуется шляпка, свойственная A.crenulata, и наоборот. Он сделал вывод, что специфическая форма шляпки определяется только ядром и не зависит от цитоплазмы. Таким образом, можно утверждать, что специфические особенности индивидуального развития контролируются клеточным ядром. Претерпевают ли ядра дифференцированных клеток необратимые изменения при развитии или эти изменения носят функциональный характер?

В ранних эксперементально-эмбриологических исследованиях удалось выяснить, что по крайней мере в ходе начальных стадий развития ядра сохраняют свой потенциал и способность обеспечить нормальное развитие зародышей. Однако более точный ответ на данный вопрос был дан лишь в 60-е годы XX в. и также с помощью метода трансплантации ядер. Дж.Гердон убивал ядро неоплодотворенного яйца лягушки ультрафиолетовыми лучами и затем трансплантировал в него ядро из дифференцированной клетки кишечника. Около 1-2% таких яиц развивалось во взрослых лягушек. Эти данные свидетельствуют об обратимости изменений ядер по крайней мере в некоторых дифференцированных клетках.

Ядра в разных частях зародыша и в разные периоды развития проявляются разными своими сторонами (дифференциальная экспрессия). Подавляющее большинство эмбриологов и генетиков связывает это именно с попаданием ядер в разную цитоплазму. Был проведен ряд опытов на двух экспериментальных системах. Первая система – гибриды соматических клеток, образующиеся в результате их слияния: гомокарионы, когда сливаются клетки одного типа, и гетерокарионы, когда сливаются клетки различного типа. Явление соматической гибридизации открыли американский цитолог Г.Барский в 1960 году и француз русского происхождения Б.Эффрусси. Оказалось, что если например, эритроциты курицы, в которых ядра инактивированы и не обнаруживают транскрипции, сливаются с опухолевыми клетками HeLa, которые характеризуются высоким уровнем синтеза РНК, то в таком гетерокарионе ядра куриных эритроцитов начинают активно синтезировать РНК. Следовательно, функциональное состояние ядер обнаруживает в данном случае зависимость от вида цитоплазмы, в которой находится ядро.

III. Признание роли взаимодействия генов в процессе онтогенеза – третий принцип феногенетики. Эта роль была продемонстрирована многими исследователями. Удалось выявить целый ряд феноменов, отражающих взаимодействие генов, в частности экспрессивность, пенентрантность и специфичность действия гена. Данные понятия были сформулированы немецким биологом Фохтом и российскими биологами Н.В. Тимофеевым-Ресовским и П.Ф. Рокицким.

· Под экспрессивностью подразумевается степень проявления данного гена. Например, ген пегости у животных, обуславливающий пегую окраску. Окраска эта варьирует. Если речь идет о пегих коровах, то легко встретить как целиком белых коров с редкими черными пятнами, так и полностью черных коров с редкими маленькими белыми пятнами; имеются и все промежуточные уровни окраски. Это и есть экспрессивность.

Рис.2. Разнообразие в выражении признака пегости у коров,

объясняемое действием многих генов-модификаторов.

 

· Пенетрантность – процент животных (или растений), у которых данная мутация проявляется. Например, мутация «белые глаза» проявляется у дрозофилы в 100% случаев, и тогда говорят о 100%-й пенетрантности. В случае мутации поперечной жилки крыла у того же объекта пенетрантность может колебаться от 100% до 40-50% в зависимости от линии дрозофилы.

· Специфичность действия гена включает три явления: время активации гена, направленность его действия и поле действия.

Ø Время активации в ходе онтогенеза (временная специфичность действия гена) различно для разных генов и разных животных. Бывают как ранние гены, включающиеся уже в период дробления, так и поздние гены, транскрипция которых начинается относительно поздно, ближе ко времени формирования тканей и органов.

Ø Направленность действия гена (пространственная его специфичность) заключается в региональных особенностях его экспрессии, в тканевой специфике его транскрипционной активности. Например, можно отселекционировать линии дрозофилы, у которых перерыв может быть в верхней или в нижней части жилки либо в ее середине. Иными словами, направленность действия гена обнаруживает межлинейные различия.

Ø Поле действия гена обозначает размер области, на которую распространяется его влияние. В случая мутации у дрозофилы это будет размер дефекта (перерыва) соответствующей поперечной жилки.

Так почему же один и тот же ген характеризуется различной экспрессивностью, пенентрантностью, специфичностью действия? Проанализировав взаимодействие генов, выяснили что проявление действия каждого гена подвергается влиянию многочисленных генов – модификаторов, которые порой могут частично или полностью заблокировать его выражение в определенном признаке (низкая пенентарантность) или, наоборот, способствовать максимальному проявлению его эффекта (высокий уровень экспрессивности). Таким образом, можно смело говорить об участии очень многих генов в реализации одного признака. Так родилось понятие о норме реакции. Это понятие обозначает пределы колебаемости, вариабельности того или иного генетически детерминированного признака. В этих пределах признак может изменяться под влиянием как генов модификаторов (т.е. генотипической среды), так и внешних факторов, к которым данный признак чувствителен в ходе своего развития. Существует порода так называемых русских горностаевых кроликов, характеризующихся определенной расцветкой. Они имеют белый мех с черными пятнами на ушах, кончике морды, лапах и хвосте. Этот тип окраски генетически детерминирован. Однако если у горностаевого кролика выбрить наголо на спине определенный участок свойственной им в этом месте белой шерсти и затем поместить подопытное животное на холод, то вместо белой шерсти под влиянием охлаждения вырастет черная. Оказалось, что цвет шерсти в разных участках тела животного зависит от температуры, при которой развивался шерстный покров.

Третий этап развития феногенетики – биохимический (40-60-е годы ХХ века) можно сказать, что он начался с открытия бельгийским ученым Ж.Браше и русским цитологом Б.Кедровским выдающейся роли нуклеиновых кислот в развитии. Стало ясным, что они имеют какое – то отношение к реализации наследственной информации, и в частности в синтезе белка, поскольку активному синтезу белков в клетке всегда предшествовало накопление РНК. В связи с открытием в 50-е годы роли ДНК как материального носителя наследственности стало в основном понятным значение цепи ДНК→РНК→белок в процессе онтогенеза. Посредством сочетания экспериментально – эмбриологических и биохимических методов был продемонстрирован поток РНК и белка из ядра в цитоплазму и наоборот, а также показана обратимость дифференцировки ядер в ходе развития некоторых объектов. Была выявлена связь физиологических градиентов, например дорсального и вентрального полюсов развивающегося зародыша, с неравномерным распределением нуклеиновых кислот и белков. Удалось выявить реальность дифференциальной активности генов (т.е.дифференциальный синтез РНК) на разных стадиях развития и в разных тканях.

Одним из важнейших и ключевых событий рассматриваемого периода явилось открытие в 50-е годы американским генетиком К.Маркертом множественных фракций ферментов, обозначенных как изоферменты. Во многих случаях были локализованы гены, контролирующие синтез того или иного изофермента, и это позволило впервые следить за активностью отдельных конкретных генов в ходе индивидуального развития, используя в качестве специфических маркеров активность соответствующих изоферментов, выявляемых с помощью сочетания электрофореза и гистохимической окраски.

Четвертый этап – молекулярно-генетический (примерно с 60-х годов до наших дней). Характеризуется проникновением в генетику развития методов молекулярной биологии и генной инженерии, а также формированием представлений о конкретных путях реализации наследственной информации. Стало возможным выделять отдельные гены и не только анализировать закономерности их экспрессии в развитии, но и выявлять регуляторные зоны ДНК, от которых зависят эти закономерности.

Результатом таких исследований стало открытие генетических регуляторных систем, контролирующих экспрессию генов на разных уровнях, начиная от транскрипционного и кончая посттрансляционным, тканевым и организменным.

В настоящее время мы вступаем пятый период развития феногенетики, в ходе которого, возможно будет решен основной вопрос этой науки, поставленный еще Т.Морганом: каким образом молекулярно-генетические события в ходе онтогенеза детерминируют формообразовательные процессы?

Детерминация – центральное событие в ходе индивидуального развития. Очень точно охарактеризовал детерминацию швейцарский генетик и эмбриолог Э.Хадорн. По его мнению, детерминация – это процесс в результате которого компетентная клеточная система выбирает один из многих возможных путей развития. Иными словами детерминация есть последовательное сужение перспективных потенций клетки. Выбор программы развития клетки происходит задолго до проявления морфофизиологических различий. В настоящее время большинство ученых считают, что исходный выбор направления развития обусловлен воздействием на эквипотенциальные ядра разной цитоплазмы. Поэтому в объяснении механизма детерминации большое значение придается системе ядерно-цитоплазматических отношений. (см. выше принцип II)

Т.Морган справедливо заметил, что за точку отсчета индивидуального развития надлежит принимать еще более ранний период времени, а именно созревание яйцеклетки. Он писал, что неправильно считать ее недеференцированной системой, что на самом деле она является самой высокоспециализированной клеткой в организме, поскольку именно в ходе ее созревания закладывается план будущего строения организма. В неоплодотворенной яйцеклетке в цитоплазме уже содержится позиционная информация, которая играет решающую роль в процессах детерминации клеток будующего зародыша. Эта информация реализуется в результате экспрессии генов ооцита и питательных клеток материнского организма, окружающих ооцит. Продукты таких генов (белки), поступающие в ооцит до оплодотворения, получили название морфогены, а сами гены называют генами с «материнским эффектом». Морфогены распределены в цитоплазме неравномерно.

Развитие ооцита, по сути дела, представляет собой последовательное формирование гетерогенности его цитоплазмы, в результате чего осуществляется так называемая ооплазматическая сегрегация. В этот период функционируют почти все гены, так что в яйцеклетке амфибий содержится набор самых разнообразных мРНК, многие из которых станут нужными лишь на относительно поздних стадиях развития. Ядро развивающегося ооциста функционирует, следовательно, как бы с опережением, не только «на настоящее», но и «на будущее».

В ходе ооплазматической сегрегации формируются те региональные особенности цитоплазмы, которые как бы намечают, «преформируют» на химическом уровне план строения будущего организма. В основу формирования этого плана лежит образование полярных градиентов распределения биологически активных веществ. Яйцеклетка характеризуется, в частности, анимально-вегетативным градиентом, который проявляется в постепенном падении концентрации РНК и белков, активности синтеза РНК и белков и др. в направлении от анимального к вегетативному полюсу. В вегетативной области яйца, напротив сосредоточены метаболически инертные запасные питательные вещества.

Иными словами яйцеклетка – отнюдь не гомогенное образование, но гетерогенная, химически преформированная, высокоспециализированная система. Значение этой преформации может быть выявлено экспериментально. Например, Ж.Браше с помощью разных режимов центрифугирования нарушал градиентное распределение веществ цитоплазмы двояким способом:

· разрушал систему градиентов, вызывая равномерное распределение РНК, белков и др.веществ по цитоплазме;

· расчленял единый анимально-вегетативный градиент на два самостоятельных градиента.

Эти нарушения по-разному сказывались на судьбе развивающегося зародыша. В первом случае развитие останавливалось на самых ранних стадиях развития, и зародыш погибал. Во втором случае возникал зародыш с двумя системами осевых органов, с двумя головами. Таким образом, при отсутствии градиента распределения система осевых органов вообще не формируется, а двум градиентам распределения соответствуют две системы осевых органов. По-видимому, неравномерное распределение РНК ведет к регионально специфическому синтезу соответствующих белков в развивающемся зародыше. У некоторых организмов (у асцидий), иногда специфически выделяется та или иная часть цитоплазмы, например, так называемая полярная плазма яиц некоторых насекомых, включая дрозофилу, формирующаяся на заднем полюсе яйца, богатая РНК и характеризующаяся четко выраженной зернистой структурой. Клеточные ядра, которые попадают в эту цитоплазму, дают начало половым клеткам. Если область полярной плазмы облучить ультрафиолетом, то развившиеся из таких локально облученных яиц зародыши будут стерильны, поскольку оказываются лишенными половых клеток. Микроинъекции полярной плазмы в различные участки бластодермы вызывают образование половых клеток в необычном месте. Полярная плазма характеризуется тремя свойствами:

v функционирует автономно, т.е. способна вызвать эффект в любом участке зародыша;

v функционирует специфически, индуцируя образование только одного определенного типа клеток – половых;

v видонеспецифична, и микроинъекции полярной плазмы одного вида в бластодерму другого вида вызывают положительный эффект – стимуляцию образования гоноцитов в месте инъекций, однако образующиеся при этом половые клетки сохраняют строение, свойственное «своему» виду.

Гетерогенизация цитоплазмы созревающего ооцита и формирование полярных градиентов, химически преформирующих план строения будущего организма, реализуется на основе взаимодействия трех систем генов и при участии питающих клеток материнского организма, окружающих ооцит. Первая система генов обеспечивает формирование анимально-вегетативного градиента, например bicoid. В случае его мутации нарушается развитие головного конца дрозофилы, вместо головы и груди развиваются структуры, свойственные заднему концу.

hunchback torso Материнская

РНК

Белок nanos

блокирует

трансляцию

of hunchback и

bicoid.

 

Активированный

torso рецептор

Torso белок

активируется

на полюсах.