Лекции_по_генетике_для_собаководов. Курс лекций по генетике для собаководов л. А. Пасечник вступление
 Скачать 1.12 Mb.
|
|
С –ЩД- О -МТБ- Р -ЦУВОЧКФЭА = СОР , С -ЩД- О -МТБ- Р -ЦУВ- О -Ч- К -ФЭА = СОРОК , С -ЩД- О -МТБРЦУВОЧ- К -ФЭА = СОК , СЩД- О -МТБ- Р -ЦУВОЧКФЭА = ОР , СЩДОМТБ- Р -ЦУВ- О -Ч- К -ФЭА = РОК . 17 Раз уж было сказано, что белок – это осмысленное соединение, то будем придерживаться этого правила и при составлении новых вариантов генов, выбирая только реально существующие слова, как в известной игре, с тем только отличием, что мы не имеем права менять последовательность букв-экзонов. Из коротенького слова СОРОКА методом альтернативного сплайсинга можно создать шесть принципиально разных белков. Из длинной цепочки реальных экзонов и интронов, составляющих один ген, можно «нарезать» тысячи вариантов белков. Поэтому, имея всего лишь 20 тыс. генов, сколько и у круглых червей, млекопитающие, тем не менее, поднялись гораздо выше по эволюционной лестнице, только лишь благодаря усложнению «программного обеспечения». Информация об альтернативном сплайсинге нужна не только для общего развития, из этого можно сделать целый ряд важных выводов: Вывод №2: Мутация в одном лишь гене может повлечь за собой изменение структуры целого ряда белков, что, в свою очередь, может привести к комплексу проблем в организме . Вывод №3: Ген содержит информацию о строении нескольких белков, но который именно из белков будет синтезирован в клетке, зависит от пути сплайсинга в мРНК. Решение мРНК зависит не от ее капризов и не от того, с какой ноги она сегодня встала, а от физико-химических характеристик клеточной цитоплазмы и от типа клетки. Например: в клетках мышечной ткани с гена СОРОКА будет транслироваться белок СОРОКА, в клетках костной ткани с этого же гена синтезируют белок СОК, а в нейронах - РОК. Иными словами, у большинства генов альтернативный сплайсинг тканеспецифичен: в одних тканях чаще синтезируются одни изоформы белка, в других — другие. Обращаем внимание на оговорки «у большинства» и «чаще». Это означает, что даже для генов, сплайсинг которых отличается строгой тканеспецифичностью, все равно наблюдается индивидуальная вариабельность: у разных собак, даже близкородственных, в одних и тех же тканях может быть разное соотношение изоформ белков. Где-то там, в мышцах, рядом с «сорокой», мы сможем найти немножечко «сока» и капельку «рока» и, наоборот, в костях и нейронах кроме основных белков, синтезируется некоторое количество альтернативных. Вывод №4: Синтез белков, информация о которых зашифрована в одном гене, преимущественно тканеспецифичен, но при этом выбор изоформы белка не подчиняется строгим законам и запретам и зависит от общего состояния организма. Следующая оплошность в преподавании основ генетики заключается в укорочении цепочки ген – белок – клетка – признак, до более простого варианта ген - признак. Как в примере с горохом из школьного учебника или когда речь идет о некоторых наследственных заболеваниях, мы говорим: мутация в таком-то гене дает такое-то заболевание, или: мутация вызывает изменение цвета лепестков и т.д. В обычной речи и даже в научных статьях это вполне допустимо, подразумевается, что все и так понимают о чем идет речь, но для людей не знающих биохимию и цитологию так и запечатлевается, что ген определяет какой-то признак организма. Но это еще пол беды, настоящая беда приходит, когда эта расчлененная логическая цепочка переворачивается и приобретает вид: признак – ген, то есть считается, что каждому признаку организма соответствует определенный ген. Особенно жуткие формы приобретает такое представление о механизме наследственности у кинологов, ведь они привыкли мыслить категориями – признаки, то бишь стати. Мы, оценивая собаку, мысленно расчленяем ее на отдельные стати и для нас имеет большое значение, чтобы каждая линия, каждый квадратный сантиметр тела строго соответствовали требованиям стандарта. За каждым признаком собаководам видится какой-то определенный ген и им очень хочется узнать - что же это за ген, как он работает и наследуется. Приведенная выше информация о том, что в геноме собаки ничего другого, кроме информации о белках не зашифровано, если и убедила читателей в том, что между генетикой одноклеточных бактерий и собак нет особой разницы, то вопрос о наследовании определенных черт во внешности и характере остался открытым. А ведь именно это и есть главный вопрос для всякого заводчика. Путь от гена к 18 признаку и от генотипа к фенотипу долог, труден и извилист, но мы попробуем пройти его. И начнем Ab ovo — «с яйца».. ЛЕКЦИЯ 3 ЭМБРИОГЕНЕЗ Изначально все собаки, даже крупные, красивые и умные, были самыми настоящими «примитивными» одноклеточными, и получилось это одноклеточное в результате слияния яйцеклетки и сперматозоида. Затем эта клетка (зигота) делилась множество раз (принцип деления мы с вами как раз подробно рассмотрели) и всего лишь через два месяца мы получили на выходе очень даже многоклеточного щенка. Вот только есть одна странность: на входе у нас была одна клетка, определенного типа и вида, а когда мы станем рассматривать щенка, то окажется, что он состоит из разнообразных групп совершенно не схожих клеток. Тут и минерализированные клетки костной ткани остеоциты, и клетки мышечной ткани - миоциты, клетки сердечной мышцы – кардиоциты, гепатоциты печени, нейроны, эритроциты, лимфоциты и т.д. и т.п. Эти клетки не только отличаются внешне, они выполняют совершенно разные функции, в них синтезируются разные белки. Но если мы посмотрим в ядро каждой из этих клеток, то окажется, что в них абсолютно одинаковые наборы ДНК. Как же это вообще возможно такое, что клетки с одинаковым геномом так несхожи? Мы с вами бросили оплодотворенную яйцеклетку на произвол судьбы и заинтересовались уже готовым щенком, пропустив один из удивительнейших процессов в природе – формирование плода. Потому, возвращаемся на 2 месяца назад и наблюдаем, как яйцеклетка начинает дробиться, а число клеток эмбриона при этом растет в геометрической прогрессии: 2, 4, 8, 16, 32... Рисунок 8 Ранние стадии эмбриогенеза животных не случайно называют «дроблением»: зигота именно дробится, клетки эмбриона после каждого деления становятся всё мельче, поскольку между клеточными делениями отсутствует стадия роста клеток. Здесь наблюдается некоторое отличие от деления одноклеточных, у которых, как мы помним, клетка перед делением должна увеличиться вдвое. Яйцеклетка же заранее запаслась всеми необходимыми «стройматериалами», и не на одно, а на множество делений вперед, потому она такого гигантского размера, во много раз больше обычных клеток. Да и неоткуда зиготе взять питательные вещества, ведь оплодотворение яйцеклетки происходит в фаллопиевых трубах и от момента оплодотворения до прикрепления плодного яйца кстенке маткипроходит несколько дней, в течение которых клетка вынуждена использовать только внутренние ресурсы. Только когда яйцеклетка сможет получать от материнского организма необходимые питательные вещества, тогда и начинается настоящее деление, с предварительным увеличением размера исходных клеток, и эмбрион начнет расти не по дням, а по часам. Пока же при дроблении зиготы общее количество цитоплазмы не растет, увеличивается лишь количество клеточных ядер, а, следовательно, и ДНК. Но если каждый вновь созданный комплект ДНК является точной копией первичного оригинала, то цитоплазма делится между клетками неравномерно. Цитоплазма яйцеклетки специально имеет такой хитрый состав, 19 чтобы было невозможно ее разделить честно и справедливо напополам, так что изначально при дроблении получаются клетки, имеющие одинаковое ядро, но разную цитоплазму. На первых стадиях дробления геном пока что спит. С него, как с бесчувственного тела, снимают копии, но никакая информация с него не считывается и трансляция белков в клетке не производится. Но где-то на стадии 4-8 клеток геном начинает просыпаться. Вернее, просыпаются мРНК с навязчивой мыслью: «Чертовски хочется работать»! Они устремляются к геному, и вот тут вспоминаем предыдущую лекцию, что работа мРНК целиком и полностью зависит от физико- химического состава цитоплазмы. А наши первые клетки как раз этим самым составом цитоплазмы и отличаются. Поэтому в одних клетках мРНК начнут считывать информацию с одних генов и далее рибосомы синтезируют соответствующие им белки, а в других клетках начнут совсем с других генов/белков. И вот эти самые первые белки имеют такое хитрое свойство – они заставляют клетки своей группы делиться в определенном направлении, что приводит к расслоению групп клеток. В процессе деления образуются два зародышевых листка: наружный – эктодерма и внутренний – энтодерма. Затем добавляется и средний слой - мезодерма. Следующий этап (нейруляция) - участок эктодермы отделяется от остальной части клеточного слоя, образуя нервную пластину. Боковые края нервной пластинки утолщаются, образуя нервные валики, которые постепенно сближаются, а в самой пластинке вдоль средней линии образуется желобок. Валики сходятся над ним и сливаются, в результате чего возникает полая нервная трубка, из которой в процессе дальнейшего развития возникнет головной и спинной мозг, а клетки краевых отделов нервного желобка образуют нервный гребень. Из этих 4-х основных пулов: эктодермы, энтодермы, мезодермы и нервного гребня и будет формироваться организм. Это те самые стволовые клетки, о которых вы не могли не слышать. Стволовые клетки могут стать чем угодно, любым органом или тканью и они ими становятся, когда начинается самый удивительный и фантастический процесс - дифференцировка клеток или как мы называем по-простому – закладка органов. Рисунок 9 Я попробовала для наглядности изобразить этот процесс в виде развертки (рис. 9), на самом деле группы клеток, конечно же, мигрируют внутри формирующегося эмбриона. От каждого массива отделяются группы клеток, образовавшиеся в процессе деления. Пока что эти клетки практически идентичны, но с каждой отдельной группой начинают происходить чудесные превращения. Специальные белки в них отключают «лишние» гены и оставляют только те, 20 которые нужны клетке для ее специфической функции. Например, клетке мышечной ткани не нужны пищеварительные ферменты, характерные для клеток эпителия кишечника, но зато обязательны белки, способствующие выраженным сокращениям клетки, потому гены первых выключат, а гены вторых оставят и т.д. Группы клеток передвигаются в нужном направлении и далее участвуют в создании органов и тканей: Эктодерма дает начало наружным слоям кожи и ее производным - волосы, ногти, зубная эмаль, и частично слизистой ротовой полости и полостей носа. Энтодерма формирует выстилку пищеварительного тракта, печень, поджелудочную железу, щитовидную железу, легкие, тимус, а также выстилку дыхательной системы, мочевого пузыря и уретры. Мезодерма развивается в соединительную ткань, мышечную ткань, костную и хрящевую ткани, кровь и сосудистую систему, мочеполовую систему и дермальный слой кожи. Нервный гребень: нервная система, пигментные клетки, хрящи лицевого черепа, часть мозговых оболочек, хромаффинные клетки надпочечников, одонтобласты, перегородка между аортой и легочным стволом, кишечник. Совершенно удивительна степень согласованности процесса дифференцировки и миграции клеток, ведь из одного пула стволовых клеток формируются разные органы, а один орган может образоваться из клеток разных пулов. Каждый пул должен произвести и отмерить нужное количество клеток на тот или иной орган, как-то нужно подсказать этим клеткам в кого им следует превратиться, притом нужно соблюсти сроки – какие органы нужно создать в первую очередь, а с какими следует повременить, нужно объяснить клеткам в какую сторону они должны двигаться в организме. Представьте себе, что идет формирование кровеносных сосудов, уже заложены первые круги кровообращения, а сердце еще и не начинало формироваться. Сосуды без сердца, впрочем, как и сердце без сосудов – вещь бесполезная, они должны образовываться согласованно друг с другом, да еще в строго отведенный промежуток времени, чтобы в нужный час начала функционировать первичная система кровообращения, иначе эмбрион погибнет. Или возьмем формирование печени. Сама печень образуется из клеток энтодермы, кровеносные сосуды, питающие ее, получаются из мезодермы, а иннервацию обеспечивают производные нервного гребня – нейроны. Необходима синхронизация по времени между всеми тремя пулами, чтобы соответствующие группы клеток дифференцировались в нужное время и в нужном количестве, чтобы они оказались в нужном месте, опознали друг друга и соединились определенным образом. Великое переселение народов, Вавилонское столпотворение и восточный рынок вместе взятые даже близко не описывают сложность передвижений и взаимодействий клеток на ранних стадиях эмбриогенеза. Как в такой суматохе и неразберихе можно «собрать» щенка, ничего не перепутав и ничего не упустив? Кто или что управляет этим сложнейшим процессом? Первое, что приходит на ум – гены. Да, без них не обходится. С гена транслируется белок определенного вида, этот белок выполняет возложенные на него функции и тем самым вносит свою лепту в должный ход формирования плода. Мутации в генах, напротив, могут привести к тому, что соответствующие им белки не только провалят свой фронт работ, но еще и сделают невозможной работу многих других белков и это может оказаться крайне опасным и даже гибельным для формирующегося плода. Но все же геном является скорее не управляющим, а пассивным началом, его задача — всего лишь хранение наследственной информации, а вот как этой информацией воспользуются, в какой очередности, зависит от активного начала клетки - белков. Возможно, белки и есть та самая руководящая и управляющая сила организма? Но сами белки не могут синтезироваться без ДНК- программы, и любые изменения в структуре гена могут радикальным образом преобразовать белок и заставить его выполнять совершенно новые функции. Значит, все-таки ДНК руководит всем, только так хитро, исподтишка? На это можно возразить, что ДНК не может мутировать и изменить последовательность нуклеотидов по своему желанию, целенаправленно создать новый 21 рабочий ген могут только активные структуры клетки - белки. А эти белки опять таки созданы по ДНК-программе… Так можно ходить по кругу до бесконечности, это одна из любимейших тем для спора современных биологов: кто главнее - ДНК или белки. Хотя, собственно, спор уже разрешен – главные… РНК, поскольку являются связующим звеном между ДНК и белком, являясь одновременно и активной структурой и пассивным носителем информации, а возможно и прародителем первых двух. Но поскольку нас интересует не сколько история, столько современное состояние дел в живой клетке, то правильно будет сказать, что троичный комплекс РНК, ДНК и белки с помощью сложных обратных связей влияют друг на друга, управляют друг другом и осуществляют формирование организма. В этой тройке нет главных и второстепенных. Поэтому, если вы решите подробно разобраться с наследованием того или иного генетически обусловленного признака, то будет принципиально неверно выдергивать из этой веселой троицы одну лишь ДНК и уделять внимание только генам, нужно обязательно идти дальше, выяснять что за белок транслируется с этого гена, как он работает в клетке, с какими другими белками взаимодействует. Изучением жизни и работы белков в клетке занимается раздел молекулярной биологии – протеомика и мы еще поговорим о белках, а пока продолжим с эмбриогенезом. Итак, процесс невероятно сложен. Настолько сложен, что было бы величайшим чудом, если бы он протекал совсем без ошибок. Наоборот, ошибки - это норма. Если раскурочить любой организм, то можно будет обнаружить там множество разнообразных мелких и крупных дефектов, и отнюдь не все они будут иметь генетические причины. Многие дефекты - следствие нарушений в процессе эмбриогенеза. Все женщины у кого есть дети, отлично знают, что самый ответственный период беременности с 3 по 12 неделю, когда происходит закладка органов. В это время крайне нежелательно подвергаться неблагоприятным воздействиям, как то: бесконтрольный прием лекарств, вирусные инфекции, стрессы, перегрев, переохлаждение и пр. То же самое можно сказать и о собаках. У собак беременность протекает всего лишь около 2 месяцев и дифференцировка органов проходит гораздо быстрее, где-то к месяцу щенок уже практически полностью сформировался. Заботливое отношение к щенной суке в первый месяц беременности просто необходимо для того, чтобы исключить любое неблагоприятное вмешательство в то священнодейство, что происходит в организме. Но не только тератогенные факторы и мутации в генах могут привести к аномалиям развития плода, даже если поместить эмбрион в некие идеальные лабораторные условия, все равно не обойдется без сбоев. Происходит это из-за рассогласования в работе некоторых белков. Все белки в клетке и сами клетки с помощью тех же белков, постоянно обмениваются друг с другом химическими и физическими сигналами и меняют свое поведение в зависимости от того, какие сигналы они получили от соседей. Но в некоторых случаях конструкции белков делают невозможным или затруднительным их общение сотоварищи. Возьмем для примера простой вариант: есть белок А – мембранный рецептор (мы помним из цитологии, что рецепторы принимают управляющие сигналы от организма к клетке) и есть белок В, который является непосредственным передатчиком сигнала рецептору (лиганд), путем присоединения к нему с помощью химических связей. В генах, кодирующих формулы этих белков, произошло по одной мутации, и теперь мы имеем по два типа каждого из белков: А и а, В и b. Так вот, может оказаться, что лиганд типа В прекрасно оккупирует оба рецептора, а вот белок |