Генетические механизмы онтогенеза. Генетические механизмы онтогенеза
 Скачать 35.42 Kb.
|
|
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ОНТОГЕНЕЗА. Онтогенезом называется индивидуальное развитие особи (Э. Геккель, 1866). Главный вопрос биологии: каким образом из одного яйца возникает множество разных типов клеток! А из одного генотипа – несколько тысяч разных фенотипов? У млекопитающих из одной зиготы формируются более 1000 разных типов клеток. Развитие – непрерывный процесс изменения, обычно сопровождающийся увеличением веса, размеров, изменением функций. Почти всегда предполагает рост, который может быть связан с увеличением размера клеток или их количества. Вес яйцеклетки 1*10х(-5)г, сперматозоида – 5х10(-9)г. У новорожденного – 3200 г. Одним увеличением массы невозможно обеспечить формирование признаков, характерных для организма. Этапы развития. - детерминация клеток - дифференцировка клеток -образование новой формы, морфогенез. Нарушение любого этапа может привести к возникновению пороков развития и уродств. Детерминация - ограничение, определение – прогрессивное ограничение онтогенетических возможностей эмбриональных клеток. Это означает, что на этапе детерминации клетки по своим морфологическим признакам отличаются от эмбриональных клеток, но функции выполняют еще клеток эмбриональных. Т.е. детерминированные клетки еще не способны выполнять специальные функции. У млекопитающих детерминированные клетки появляются на стадии восьми бластомеров. Химерные, аллоферные организмы. В качестве объекта исследования мыши. Зародыши мышей на стадии 8 бластомеров с помощью фермента проназы извлекают и разбивают на отдельные бластомеры, производят смешивание бластомеров от разных животных в пробирке, а затем вшивают в матку. В результате получаются нормальные животные, но окраска частей различна, т.к. исходные формы были разных цветов. Если подобную операцию проводить на более поздних этапах эмбриогенеза – гибель животных, что доказывает детерминацию клеток на данном этапе. Процесс детерминации находится под генетическим контролем. Это ступенчатый, многоэтапный процесс, изученный пока недостаточно хорошо. По-видимому, в основе детерминации – активация тех или иных генов и синтез разных и-РНК и, возможно, белков. Детерминация может нарушаться, что приводит к мутациям. Классический пример – развитие у мутантов дрозофилы вместо усиков ротового аппарата – конечности. Формирование конечностей в нехарактерных местах. Дифференцировка. Детерминированные клетки постепенно вступают на путь развития (неспециализированные эмбриональные клетки превращаются в дифференцированные клетки организма). Дифференцированные клетки в отличие от детерминированных обладают специальными морфологическими и функциональными организациями. В них происходят строго определенные биохимические реакции и синтез специальных белков. Клети печени – альбумин. Клетки эпидермиса кожи – кератин. Мышцы – актин, миозин, миелин, миоглобин. Молочные железы – казеин, лактоглобулин. Щитовидная железа – тироглобулин. Слизистая оболочка желудка – пепсин. Поджелудочная железа – трипсин, химотрипсин, амилаза, инсулин. Как правило, дифференциация происходит в эмбриональном периоде и приводит к необратимым изменениям полипотентных клеток эмбриона. Синтез специальных белков начинается на очень ранних стадиях развития. Касательно стадии дробления: бластомеры отличаются друг от друга цитоплазмой. В цитоплазме различных бластомеров имеются разные вещества. Ядра всех бластомеров несут одну и ту же генетическую информацию, т.к. имеют одинаковое количество ДНК и идентичный порядок расположения пар нуклеотидов. Вопрос о специализации до сих пор не нашел ответа. 1939 год Томас Морган выдвинул гипотезу: « дифференцировка клеток связана с активностью разных генов одного и того же генома». В настоящее время известно, что в дифференцированных клетках работает около 10% генов, а остальные неактивны. В силу этого в разных типах специализированных клеток функционируют свои определенные гены. Специальными опытами по пересадки ядер из клеток кишечника головастика в безъядерную яйцеклетку было доказано, что в дифференцированных клетках сохраняется генетический материал и прекращение функционирования определенных генов обратимо. Из яйца лягушки удаляли ядро, брали ядро из клетки кишечника головастика. Развитие не происходило, иногда эмбриогенез происходил нормально. Строение взрослой лягушки полностью определялось ядром. На функционирование генов в процессе развития многоклеточного организма оказывают влияние сложные и непрерывные взаимодействия ядра и цитоплазмы и межклеточные взаимодействия. Регуляция дифференцировки происходит на уровне транскрипции и на уроне трансляции. Уровни регуляции дифференцировки клеток.
- система оперона -участие белков – гистонов, которые образуют комплекс с ДНК. Участки ДНК, покрытые гистоном, неспособны к транскрипции, а участки без гистоновых белков транскрибируются. Таким образом, белки участвуют в контроле над считываемыми генами. Гипотеза дифференциальной активности генов: « Предположение о том, что в разных генах дифференцированных клеток репрессированы (закрыты для считывания) разные участки ДНК и поэтому синтезируются разные виды м-РНК».
На ранних стадиях эмбрионального развития весь белковый синтез обеспечивается матрицами, созданными в яйцеклетке до оплодотворения под управлением ее генома. Синтез и-РНК не происходит, меняется характер синтеза белка. У разных животных синтез включается по-разному. У амфибий синтез и-РНК после 10 деления, синтез т-РНК на стадии бластулы. У человека синтез и-РНК после 2го деления. Не все молекулы и-РНК, находящиеся в яйцеклетке одновременно используются для синтеза полипептидов, белков. Часть из них некоторое время молчит. Известно, что во время развития организма закладка органов происходит одновременно. Гетерохрония – закономерность, предполагающая неодновременное развитие. Процесс дифференцировки клеток связан с депрессией определенных клеток. В процессе гаструляции депрессия генов зависит от влияния неодинаковой цитоплазмы в эмбриональных клетках. В органогенезе основное значение у межклеточных взаимодействий. Позже регуляция активности генов осуществляется через гормональные связи. В зародыше разные участки влияют друг на друга. Ели разделить зародыш тритона на стадии бластулы пополам, то из каждой половины развивается нормальный тритон. Если то же самое проделать после начала гаструляции, из одной половины формируется нормальный организм, а другая половина дегенерирует. Нормальный зародыш образуется из той половины, где располагались дорсальная губа бластопора. Это доказывает, что
Спинная губа индуцирует в эктодерме образование головного и спинного мозга. Сама она дифференцируется в спинную хорду и сомиты. В дальнейшем многие соседние ткани обмениваются индукционными сигналами, что приводит к образованию новых тканей и органов. Функцию индукционного сигнала выполняют гормоны местного действия, которые стимулируют рост. Дифференцировку, служат факторами хемотаксиса, тормозят рост. Каждая клетка продуцирует гормон местного действия – кейлон, который тормозит вступление клеток в синтетическую фазу митоза и временно тормозит митотическую активность клеток этой ткани и вместе с антикейлоном направляет клетки по пути дифференцировки. Морфогенез – образование формы, принятие новой формы. Образование формы чаще всего происходит в результате дифференциального роста. В основе морфогенеза лежит организованное движение клеток и групп клеток. В результате перемещения клетки попадают в новую среду. Процесс происходит во времени и пространстве. Дифференцированные клетки не могут существовать самостоятельно, кооперируются с другими клетками, образуя ткани и органы. В образовании органов важно поведение клеток, которое зависит от клеточных мембран. Клеточная мембрана играет роль в осуществлении - клеточных контактов - адгезии - агрегации. Межклеточный контакт – подвижные клетки приходят в контакт и расходятся, не теряя подвижности. Адгезия – пришедшие в контакт клетки длительное время прижаты друг к другу. Агрегация – между адгезированными клетками возникают специальные соединительнотканные или сосудистые структуры, т.е. происходит формирование простых клеточных агрегатов тканей или органов. Для формирования органа необходимо присутствие в определенном количестве всех клеток, обладающих общим органным свойством. Эксперимент с дезагрегированными клетками амфибий. Взяты 3 ткани – эпидермис нервной пластинки, участок нервных валиков, клетки эктодермы кишечника. Клетки дезагрегированы случайным образом и смешаны. Клетки начинают постепенно рассортировываться. Причем процесс сортировки продолжается до тех пор, пока не образуются 3 ткани: сверху слой эпидермальной ткани, затем нервная трубка и внизу - скопление эндодермальных клеток. Это явление получило название сегрегации клеток – избирательной сортировки. Смешивали клетки глазных зачатков и хряща. Раковые клетки не способны к сегрегации и неотделимы от нормальных. Остальные клетки подвержены сегрегации. Критические периоды развития. Критический период – период, который связан с изменением обмена веществ (переключение генома). В онтогенезе человека выделяют: 1. развитие половых клеток 2. оплодотворение 3. имплантация (7-8 неделя) 4. развитие осевых органов и формирование плаценты(3-8 недели) 5. стадия роста головного мозга (15-20 недели). 6. формирование основных функциональных систем организма и дифференцировка полового аппарата(10-14 недели). 7. рождение(0-10 дней) 8. период грудного возраста – максимальная интенсивность роста, функционирование системы энергопродукции и др. 9. дошкольный (6-9 лет) 10. пубертатный - для девочек 12. для мальчиков 13 лет. 11. окончание репродуктивного периода, у женщин – 55, у мужчин – 60 лет. В критические периоды развития проявляются мутации, поэтому надо быть внимательным к этим периодам. КЛЕТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВРОЖДЕННЫХ ПОРОКОВ РАЗВИТИЯ. Формирование врожденных пороков - результат отклонений от нормального развития особи. Такое развитие происходит на протяжении длительного отрезка времени и осуществляется благодаря цепи последовательных и связанных друг с другом событий. Единый процесс индивидуального развития можно представить основными этапами: гаметогенез, оплодотворение, эмбриональный морфогенез, постэмбриональное развитие. Основным содержанием гаметогенеза (образования половых клеток), по образному выражению С. Raven, является «кодирование морфогенетической информации», в процессе реализации которой из одноклеточного зародыша (зиготы) развивается многоклеточный организм. Морфогенетическую информацию несут ядерные гены, локализованные в хромосомах гамет (генотипическая информация), и цитоплазматические факторы -белки цитоплазмы (цитоплазматическая информация). Оба вида информации образуют единую ядерно-цитоплазматическую систему, обусловливающую развитие организма. Эмбриональный морфогенез, т.е. формирование морфологических структур эмбриона, включает эмбриональный гистогенез - возникновение специализированных тканей из малодифференцированных клеток эмбрионального зачатка, и органогенез - развитие органов и систем организма. Эмбриональный морфогенез осуществляется при взаимодействии генома зародыша и организма матери, в особенности ее гормональной и иммунной систем, и связан с процессами размножения, роста, миграции, дифференциации и отмирания клеток и формообразованием органов и тканей. Эти процессы контролируются сложным взаимодействием генетических, эпигеномиых и внешних факторов, определяющим в конечном итоге временную и пространственную последовательность экспрессии генов и тем самым цитодифференцировку и морфогенез. Включение одних н выключение других генов происходит на протяжении всего эмбриогенеза. Соответственно этим процессам изменяются временные структуры зародыша, которых в течение эмбриогенеза насчитываются сотни, и формируются они иа внутриклеточном, клеточном, экстраклеточном, тканевом, межтканевом, органном и межорганном уровнях. Нарушение любого из вышеперечисленных механизмов в дискретном процессе эмбриогенеза влечет за собой отклонение от нормального развития и, следовательно, может реализоваться во врожденный порок. На внутриклеточном уровне к «пусковым» механизмам нарушения развития относятся изменения молекулярных процессов, вовлеченных в репликацию изменения путей биосинтеза и белкового питания зародышей, нарушения энергетического обмена и других интимных механизмов, определяющих жизнедеятельность клеток К основным клеточным механизмам тератогенеза относятся изменения размножения, миграции и дифференцировки. Нарушения размножения в основном связаны со снижением митотической активности клеток и проявляются торможением прелиферативной активности клеток вплоть до полной ее остановки. Результатом таких изменений могут быть гипоплазия или аплазия любого органа или части его, а также нарушение слияния друг с другом отдельных эмбриональных структур, формирующих орган, поскольку слияние происходит в строго определенные периоды. В результате низкой пролиферативной активности контакт между эмбриональными структурами нарушается (опаздывает). Такой механизм, очевидно, лежит в основе многих дизрафий (некоторые расщелины губы, неба, спинномозговые грыжи). Таким образом, любой фактор (генетический или средовый), способный снижать митотическую активность в ходе эмбриогенеза (например, ингибиторы синтеза ДНК, хлоридин, дефицит кислорода в клетках и тканях, вирус краснухи, числовые аберрации хромосом), может привести к развитию врожденного порока. В результате нарушения миграции клеток могут развиться гетсротопии, агенезии и другие пороки. В эксперименте, проведенном на крысах с введением им избыточного количества витамина А, показано, что тяжелые симметричные расщелины лица образуются в результате нарушения миграции клеток пейроэктодермального гребня в эмбриональные верхнечелюстные отростки. При большинстве хромосомных болезней в белом веществе головного мозга находят гетеротопию нейронов, обусловленную нарушением процессов миграции. С нарушением миграции связывают происхождение синдромов Робинова и Ди-Джорджи. Дифференциация, т. е. образование разнородных клеток, тканей и органов из однородного эмбрионального зачатка, последовательно происходит в течение всего эмбриогенеза. Такая дифференциация может прекратиться на любом этапе развития, что повлечет за собой рост бесформенной массы недифференцированных клеток (как это наблюдается у ранних аборту-сов), агенезию органа или системы органов, их морфологическую и функциональную незрелость, а также персистироваиие. эмбриональных структур. Ключевые позиции в специализации клеток занимает дифференциальная активность генов в результате которой в разные фазы эмбриогенеза синтезируются специфические для каждой стадии изоферменты, с которыми в основном и связана индукция клеток и тканей в определенном направлении. В этом процессе участвуют как минимум два объекта - донор фермента или гормона и реципиент их. Нарушение развития может возникать как при недостаточной функции или отсутствии генов и клеток-продуцентов этих веществ, так и при изменениях в клетках-мишенях. Например, отсутствие активности к андрогену в клетках-мишенях зачатков мужских половых органов, обусловленной рецепторами, способными «узнавать» соответствующий гормон, приводит к различным порокам этих органов. Отсутствие тестикуляриых гормонов у плодов с генетическим мужским полом приводит к развитию половых органов по женскому типу. К экстраклеточным факторам регуляции эмбриогенеза относятся компоненты экстраклеточного матрикса - гликозамино-гликаны, протеогликаны, коллагеновые белки, фиброиектин, участвующие во всех процессах органогенеза. Нарушения нормального функционирования компонентов экстраклеточного матрикса могут быть обусловлены генетическими и тератогенными факторами. Например, такие химические тератогены, как салицилаты и аминоникотин, талидомид и дилантин, соответственно нарушающие синтез и процессинг протеогликанов и коллагена, обусловливают ряд пороков конечностей, сердца, глаз, неба. К основным механизмам тератогенеза на тканевом уровне относятся гибель отдельных клеточных масс, замедление распада и рассасывания клеток, отмираклгих в ходе нормального эмбриогенеза, а также нарушение адгезии тканей. Физиологическая гибель клеток происходит под влиянием лизосомальных ферментов во многих органах в процессе их окончательного формирования. Такая «запрограммированная» (первичная) гибель клеток наблюдается при слиянии первичных анатомических структур (например, небных отростков, мышечно-эндокардиальных выступов), реканализации кишечной трубки, открытии естественных отверстий или, например, при регрессии межпальцевых перепонок при формировании пальцев. В ряде случаев наблюдается избыточный распад клеток, что может привести к некоторым дисмелиям, дефектам перегородок сердца, свищам. Вторичная гибель клеток и тканей связана с циркуляторными расстройствами (тромбоз сосудов, их сдавление, кровоизлияния) или непосредственным цитолитическим действием повреждающего фактора, например вируса краснухи. Задержка физиологического распада клеток или замедление рассасывания их вследствие недостаточной макрофагальной реакции или нарушений функций компонентов экстраклеточного матрикса могут приводить к синдактилии, атрезиям, смещению устья аорты, сочетающемуся с дефектом межжелудочковой перегородки. Сходной по механизму является замедленная инволюция некоторых эмбриональных структур, например удлинение времени функционирования апикального эктодермального гребня, приводящая к развитию преаксиальной полидактилии. Нарушение механизма адгезии, т.е. процессов «склеивания», «удержания» и «срастания» эмбриональных структур, может привести к развитию порока даже в тех случаях, когда пролиферация тканей и рост эмбриональных структур органов были нормальными. Нарушение механизма адгезии как и недостаточно активная пролиферация лежат в основе многих пороков типа дизрафий (например, пороки, связанные с незакрытием нервной трубки). Врожденные пороки после окончания основного органогенеза - это главным образом остановка в развитии (например, гипоплазии), задержка перемещения органа на место окончательной его локализации (тазовая почка, крипторхизм), вторичные изменения, связанные со сдавлением (например, деформация конечностей при маловодий, амниотические перетяжки) . Прогрессивную роль в понимании патогенеза н в установлении причин врожденных пороков сыграло учение С. Stockard и П. Г. Светлова (1937, 1960) о критических периодах, а также учение Е. Schwalbe о тератогенетических терминационных периодах. Эти периоды часто отождествляются, что неверно. Под термином «критические периоды», введенным в научную литературу в 1897 г. П. И. Броуновым, понимают периоды в эмбриогенезе, отличающиеся повышенной чувствительностью зародыша к повреждающему действию факторов внешней среды. У млекопитающих критические периоды совпадают с периодами имплантации и плацентации. Первый критический период у человека приходится на конец 1 - й - начало 2-й недели беременности. Воздействие повреждающего фактора в это время в основном приводит к гибели зародыша. Второй период охватывает 3-6-ю недели, когда аналогичный фактор чаше индуцирует порок развития. Критические периоды совпадают с периодами наиболее интенсивного формирования органов и связаны в основном с периодичностью проявлений морфологической активности ядер. Под термином тератогенетический терминационный период понимают предельный срок (от лат. terminus - предел, граница), в течение которого повреждающие факторы могут вызывать порок развития. Поскольку тератогенный фактор может привести к развитию порока лишь в том случае, если он действовал до окончания формирования органа, а формирование органов (тем более различных пороков) не совпадает во времени, каждый порок имеет свой терминационный период. Например, этот период для неразделившихся близнецов ограии чен первыми двумя неделями после оплодотворения, для двухкамерного сердца - до 34-го дня, для аплазии межжелудочковой перегородки - до 44-го дня, для дефекта межпредсердной перегородки - до 55-го дня беремевиости. Для персистирования артериального протока или овального отверстия, крипторхизма, многих пороков развития зубов продолжительность этого периода не ограничивается беременностью. Знание терминационных периодов пороков в клинической тератологии имеет исключительное значение, поскольку может оказать помощь в определении причины развития врожденного порока. Если время действия обнаруженного повреждающего фактора совпадает с тер ми на цио иным периодом, то этот фактор может быть принят как вероятная причина врожденного порока. Если же повреждающий фактор действует позднее терминационного периода, он заведомо не может быть причиной порока. Однако необходимо помнить, что терминационные периоды имеют значение лишь для установления причин врожденных пороков, индуцированных тератогенными факторами, поскольку наследственно обусловленные пороки связаны с мутациями, которые, как правило, произошли у родителей или более отдаленных предков, а не у ребенка с врожденным пороком развития. Если врожденные пороки вызывают вторичные изменения в органе (например, гндроуретер вследствие аплазии мышечного слоя или нервного аппарата мочеточника), то тер-минационный период следует определять для первичного порока (в данном случае 12-я неделя эмбрионального развития), а не для вторичного - в приведенном примере для гидроуретера, терминационный период которого может продолжаться до конца II триместра беременности. В экспериментальной тератологии известно, что вид порока зависит не только от характера тератогена, но и от времени его воздействия. Так, воздействие в разные периоды эмбриогенеза одного и того же тератогенного фактора может привести к различным порокам и, напротив, различные тератогены (например, талидомид и аминоптерин), примененные в одно и то же время, могут дать однотипные пороки. Определенная специфичность тератогенных факторов известна и у человека. Например, талидомид поражает зачатки преимущественно мезодермального происхождения, индуцируя различные дисмелий, противосу-дорожиые средства чаще - расщелины неба и пороки сердца, антикоагулянт варфарин повреждает эпифизы трубчатых костей, алкоголь преимущественно повреждает 11НС и лицевые структуры. Следует отметить, что как не существует периодов, когда эмбрион был бы одинаково чувствителен к различным агентам, так и нет стадий, когда эмбрион был бы стоек ко всем повреждающим воздействиям. ТЕРАТОГЕНЕЗ Тератогенез - это возникновение пороков развития под влиянием факторов внешней среды (тератогенных факторов) или в результате наследственных болезней. Тератогенные факторы включают лекарственные средства, наркотики и многие другие вещества. Подробнее они описаны в разделе, посвященном тератогенным факторам. Выделяют следующие особенности влияния тератогенных факторов. 1. Действие тератогенных факторов имеет дозозависимый характер. У разных биологических видов дозозависимость тератогенного действия может различаться. 2. Для каждого тератогенного фактора существует определенная пороговая доза тератогенного действия. Обычно она на 1-3 порядка ниже летальной. 3. Различия тератогенного действия у различных биологических видов, а также у разных представителей одного и того же вида связаны с особенностями всасывания, метаболизма, способности вещества распространяться в организме и проникать через плаценту. 4. Чувствительность к разным тератогенным факторам в течение внутриутробного развития может меняться. Выделяют следующие периоды внутриутробного развития человека. Начальный период внутриутробного развития длится с момента оплодотворения до имплантации бластоцисты. Бластоциста представляет собой скопление клеток - бластомеров. Отличительная черта начального периода - большие компенсаторно-приспособительные возможности развивающегося зародыша. При повреждении большого числа клеток зародыш погибает, а при повреждении отдельных бластомеров - дальнейший цикл развития не нарушается (принцип "все или ничего"). Второй период внутриутробного развития - эмбриональный (18-60-е сутки после оплодотворения). В это время, когда зародыш наиболее чувствителен к тератогенным факторам, формируются грубые пороки развития. После 36-х суток внутриутробного развития грубые пороки развития (за исключением пороков твердого неба, мочевых путей и половых органов) формируются редко. Третий период - плодный. Пороки развития для этого периода не характерны. Под влиянием факторов внешней среды происходит торможение роста и гибель клеток плода, что в дальнейшем проявляется недоразвитием или функциональной незрелостью органов. 5. В случаях, когда тератогенное действие оказывают возбудители инфекций, пороговую дозу и дозозависимый характер действия тератогенного фактора оценить не удается. Литература 1.Айала Ф., Кайгер Дж. Современная генетика. М., 2004 2.Алиханян С.И., Акифьев А.П., Чернин Л.С. Общая генетика. М., 3. Бочков Н.П. Клиническая генетика. М., 2011 4. Введение в молекулярную медицину. Под ред. Пальцева М.А. М., Жимулев И.Ф. - 2011 5. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск, Генетика. Под ред. Иванова В.И. М., 2010 6. Введение в генетику развития. М., Нуртазин С.Т., Всеволодов Э.Б. Биология индивидуального развития. А., 2005. |