Генетические основы онтогенеза

Размещено на http://www.allbest.ru

Онтогенез - индивидуальное развитие организма - совокупность последовательных морфологических, физиологических и биохимических преобразований, претерпеваемых организмом от момента его зарождения до конца жизни.

С общебиологической точки зрения, важнейшим событием онтогенеза является возможность осуществления полового размножения. Если соотнести различные временные отрезки онтогенеза со способностью особи осуществлять функцию размножения, то его можно разделить на три периода: дорепродуктивный, репродуктивный и пострепродуктивный.

В дорепродуктивном периоде особь не способна к размножению. Основное содержание его заключается в развитии зрелого в половом отношении фенотипа. В этом периоде происходят наиболее выраженные структурные и функциональные преобразования, реализуется основная часть наследственной информации, организм обладает высокой чувствительностью ко всевозможным воздействиям.

В репродуктивном периоде особь осуществляет функцию полового размножения, отличается наиболее стабильным функционированием органов и систем, а также относительной усойчивостью к воздействиям.

Пострепродуктивный период связан со старением организма и характеризуется ослаблением или полным прекращением участия в размножении. Снижаются приспособительные возможности и устойчивость к разнообразным воздействиям. Применительно к онтогенезу человека названные периоды дополнительно характеризуются специфическими социальными моментами (образование, трудоспособность, творчество). Для каждого из указанных периодов характерны свои особенности заболеваемости.

Онтогенез делится на два периода:

эмбриональный -- от образования зиготы до рождения или выхода из яйцевых оболочек;

постэмбриональный -- от выхода из яйцевых оболочек или рождения до смерти организма.

В эмбриональном периоде выделяют три основных этапа: дробление, гаструляцию и первичный органогенез. Эмбриональный, или зародышевый, период онтогенеза начинается с момента оплодотворения и продолжается до выхода зародыша из яйцевых оболочек. У большинства позвоночных он включает стадии (фазы) дробления, гаструляции, гисто- и органогенеза.

Дробление -- ряд последовательных митотических делений оплодотворенного или инициированного к развитию яйца. Дробление представляет собой первый период эмбрионального развития, который присутствует в онтогенезе всех многоклеточных животных и приводит к образованию зародыша, называемого бластулой (зародыш однослойный). При этом масса зародыша и его объем не меняются, то есть они остаются такими же, как у зиготы, а яйцо разделяется на все более мелкие клетки -- бластомеры. После каждого деления дробления клетки зародыша становятся все более мелкими, то есть меняются ядерно-плазменные отношения: ядро остается таким же, а объем цитоплазмы уменьшается. Процесс протекает до тех пор, пока эти показатели не достигнут значений, характерных для соматических клеток. Тип дробления зависит от количества желтка и его расположения в яйце. Если желтка мало и он равномерно распределен в цитоплазме (изолецитальные яйца: иглокожие, плоские черви, млекопитающие), то дробление протекает по типу полного равномерного: бластомеры одинаковы по размерам, дробится все яйцо. Если желток распределен неравномерно (телолецитальные яйца: амфибии), то дробление протекает по типу полного неравномерного: бластомеры -- разной величины, те, которые содержат желток -- крупнее, яйцо дробится целиком. При неполном дроблении желтка в яйцах настолько много, что борозды дробления не могут разделить его целиком. Дробление яйца, у которого дробится только сконцентрированная на анимальном полюсе «шапочка» цитоплазмы, где находится ядро зиготы, называется неполным дискоидальным (телолецитальные яйца: пресмыкающиеся, птицы). При неполном поверхностном дроблении в глубине желтка происходят первые синхронные ядерные деления, не сопровождающиеся образованием межклеточных границ. Ядра, окруженные небольшим количеством цитоплазмы, равномерно распределяются в желтке. Когда их становится достаточно много, они мигрируют в цитоплазму, где затем после образования межклеточных границ возникает бластодерма (центролецитальные яйца: насекомые).

Один из механизмов гаструляции -- инвагинация (впячивание части стенки бластулы внутрь зародыша)1 -- бластула, 2 -- гаструла.

Гаструляция (впячивание) -- гаструла формируется в результате инвагинации клеток. В ходе гаструляции, клетки зародыша практически не делятся и не растут. Происходит активное передвижение клеточных масс (морфогенетические движения). В результате гаструляции формируются зародышевые листки (пласты клеток). Гаструляция приводит к образованию зародыша, называемого гаструлой.

Первичный органогенез -- процесс образования комплекса осевых органов. В разных группах животных этот процесс характеризуется своими особенностями. Например, у хордовых на этом этапе происходит закладка нервной трубки, хорды и кишечной трубки.

В ходе дальнейшего развития формирование зародыша осуществляется за счет процессов роста, дифференцировки и морфогенеза. Рост обеспечивает накопление клеточной массы зародыша. В ходе процесса дифференцировки возникают различно специализированные клетки, формирующие различные ткани и органы. Процесс морфогенеза обеспечивает приобретение зародышем специфической формы.

Постэмбриональное развитие бывает прямым и непрямым.

Прямое развитие -- развитие, при котором появившийся организм идентичен по строению взрослому организму, но имеет меньшие размеры и не обладает половой зрелостью. Дальнейшее развитие связано с увеличением размеров и приобретением половой зрелости. Например: развитие рептилий, птиц, млекопитающих.

Непрямое развитие (личиночное развитие, развитие с метаморфозом) -- появившийся организм отличается по строению от взрослого организма, обычно устроен проще, может иметь специфические органы, такой зародыш называется личинкой. Личинка питается, растет и со временем личиночные органы заменяются органами, свойственными взрослому организму (имаго). Например: развитие лягушки, некоторых насекомых, червей.

Постэмбриональное развитие сопровождается ростом.

Теория дифференциальной активности генов

Генетикой установлено, что все соматические клетки орг-ма несут один и тот же набор генов, однако клетки многоклеточного орг-ма очень разнообразны. Даже в одной клетке скорость синтеза и состав белковой фракции могут варьировать. Что регулирует активность генов?

1961г. Жакоб и Моно исследовали синтез ферментов у Е.coli (синтезирует около 800 ферментов, но постоянных лишь конструктивные, индуцибельные синтезируется только в присутствии специфических индукторов). Е.coli выращивали на среде с глюкозой, затем пересаживали на лактозу, появлялась задержка роста культуры, вскоре темпы роста восст-ись. Выяснили, что для усвоения лактозы необходимо 2 фермента в-галактозадаза (лактозо>галактоза+глукоза) и лактозопермиаза (позволяет быстро поглощать лактозу из среды). Это пример индукции ферментов. Другой опыт: в среде много триптофана, при этом у Е.coli подавляется синтез триптофансинтетазы (это пример репрессии). Для объяснения Жаков и Моно предложили гипотезу «включения» и «выключения» генов: (Рисунок)

Структурные гены обычно связаны функционально (напр. в-галактозадаза и лактозопермиаза), чаще всего индуктором служит субстрат (активирует собственное расщепл-ие). Задержка роста Е.coli объяснялась необходимостью некоторого времени на синтез ферментов.

Возможно репрессия синтеза белков, когда к неактивному репрессору присоединятеся корепрессор (это может быт мол-ла субстрата), репрессор присоединяется к оператору и блокирует трансткрипцию (это пример ингибирования по типу обратной связи на генном уровне).

Гипотеза Жако и Моно позже была видоизменена: было обнаружено, что между геном регулятором и оператором расположен промотор - место присоединения к ДНК РНК-полимеразы.

Механизм индукции-репрессии делает возможным тонкое взаимодействие между внутриклеточной средой и генетическим аппаратом для регуляции метаболизма. Наиболее простой случай - когда метаболический путь простой, субстрат играет роль индуктора, а конечный продукт - репрессора. Т.о. продукт сам регулирует свое кол-во в клетке (он также может инактивировать первый фермент биохимической цепочки, связываясь с ним как репрессор, при этом другие фер-ты синтезируются нормально, но сам метаболический путь оказывается блокированным).

Генетическая регуляция развития

Многоклеточные животные и растения начиняют свой жизненный цикл с одной клетки, далее следуют митозы и все клетки содержат один и тот же генетический материал, но имеют определенную структуру позволяющую им выполнять ряд специфических функций более эффективно. Процесс развития организма включает рост и дифференцировку. Причины такого разнообразия клеток не ясна, однако она явно связана с индукцией и репрессией генов. Дифференцировка связана с различным взаимодействием 3-ех факторов: ядра, цитоплазмы и окруж. среды.

Ядро - хранилище генетической информации, оно является первичным источником развития.

Роль цитоплазмы изучалась на эмбрионах. У некоторых организмов цитоплазма яйца уже является неоднородной и из разных ее частей развиваются разные участки зародыша.

Шпеман и Мангольд выдвинуди гипотезу об эмбриональной индукции: в зародыше есть группы клеток, действующие на другие как организаторы. Первичный организатор детерминирует дальнейшее развитие (определяет ось зародыша, побуждает появление вторичных и третичных организаторов) в рез-те чего все органы и системы дифференцируются на нормальных для низ местах. Это лишь один из механизмов развития (у мозаичных яиц - другие мех-мы).

На развитие и рост организмов влияют такие внешние факторы как свет, Т, снабжение водой, питательными веществами, углек. газом и кислородом. Факторы среды вероятно влияют на дифференцировку, воздействую через цитоплазму на гены.

На рост и развитие влияют и гормоны, чаще всего они действуют на уровне транскрипции.(смотри эндокринологию).

АТЕРОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ -- факторы, способствующие развитию атеросклероза: повышенное содержание холестерина в крови, употребление пищи, богатой холестерином и бедной ненасыщенными жирными кислотами, артериальную гипертензию, отягощенную наследственность.

Классификация ВПР

Патогенетическая классификация ВПР

Согласно патогенетической классификации выделяют четыре типа врожденных пороков развития:

1. Порок развития - структурный дефект органа, части органа или большого участка тела в результате нарушения процесса развития под действием внутренних, часто наследственных причин, при этом зачаток органа изначально аномален и его дальнейшее развитие не может идти по нормальному пути.

Такие пороки называют первичными пороками. К этой группе относятся синдромы наследственной природы, а также большинство изолированных пороков развития, например, дефекты нервной трубки, врожденные пороки сердца, расщелины губы и неба и другие.

2. Дизрупция (disruption) - морфологический дефект органа, части органа или большого участка тела в результате внешнего препятствия или какого-либо другого воздействия на изначально нормальный процесс развития, в связи с чем такой дефект называют иногда вторичным пороком. Нередко в постнатальном периоде трудно определить, является ли аномалия пороком или дизрупцией и в какое время произошло поражение. К факторам, способным вызвать нарушение процесса развития, относятся травмы, нарушения кровообращения, инфекции, амниотические тяжи. Дизрупции не относятся к порокам наследственного происхождения. Примером дизрупции являются внутриутробные ампутации отделов конечностей, обусловленные воздействием на плод амниотических тяжей.

3. Деформация (deformation) - нарушение формы, размера или положения части тела, обусловленное механическими воздействиями на нормально развитые органы или части тела плода. Примерами таких внешних воздействий являются малые размеры или деформация матки, маловодие. Деформации развиваются, как правило, уже после завершения процесса органогенеза, в поздние сроки беременности и имеют хороший прогноз при своевременном лечении. Деформации относительно распространенные нарушения и встречаются среди новорожденных с частотой примерно 2%. Примерами деформации являются позиционная косолапость, плагиоцефалия (асимметрия черепа).

4. Дисплазия (dysplasia) - нарушенная организация клеток в тканях и ее морфологический результат (процесс и следствие дисгистогенеза). Дисплазия может носить генерализованный характер, если измененная ткань входит в разные органы и системы, как например, при синдроме Марфана, в основе которого лежит дисплазия соединительной ткани, наблюдается поражение опорно-двигательного аппарата, сердечно-сосудистой системы, патология зрения.

Классификация ВПР в зависимости от времени их возникновения

В зависимости от времени возникновения порока в пренатальном онтогенезе выделяют:

Гаметопатии, которые возникают в основном в результате мутаций в половых клетках родителей, а также при перезревании половых клеток (чаще яйцеклеток) или аномалий сперматозоидов. Гаметопатии являются примерами собственно врожденных пороков развития (malformation) или первичных пороков. Типичными примерами гаметопатий являются наследственные синдромы и болезни.

Бластопатии, связанные с поражением бластоцисты - зародыша первых 15 дней после оплодотворения (до начала маточно-плацентарного кровообращения). Следствие бластопатий - двойниковые пороки, циклопия, сиреномелия.

Эмбриопатии, возникающие в результате воздействия повреждающего фактора (тератогена) на эмбрион, т.е. в период от 16 дня до конца 8 недели беременности. Поскольку в этот период происходит интенсивная дифференциация клеток, закладка и формирование органов (органогенез), то большинство ВПР образуется именно в этот период. Однако тип и характер продуцируемых поражений зависит от того, какой орган окажется наиболее «уязвимым» во время воздействия повреждающего фактора. Для большинства органов сроки максимальной чувствительности приходятся на ранние этапы развития. Период или время, в течение которого повреждающие внешние факторы могут вызвать пороки развития, называется тератогенетическим терминационным периодом (ТТП).

Фетопатии, возникающие в результате воздействия тератогенного фактора на плод в период от 9 недели развития до окончания беременности. Этот временной период характеризуется в основном ростом органов, чувствительность их к тератогенным воздействиям резко снижается. Наиболее длительным периодом чувствительности обладает нервная система и половые органы. Очевидно, что характер и спектр пороков, возникающих в это время, отличается от пороков, возникающих в более ранние периоды. Чаще всего это персистирование эмбриональных структур, сохранение первоначального положения органа (крипторхизм), пренатальная гипоплазия органа или всего плода, а также различные малые аномалии развития и функциональные нарушения.

Классификация ВПР по частоте встречаемости

По частоте встречаемости ВПР делят на 4 группы:

частые (более 1 случая на 1000 рождений);

умеренно частые (от 1 до 10 случаев на 10000 рождений);

редкие (от 1 до 10случаев на 100000 рождений);

очень редкие (менее 1 на 100000 рождений).

Классификация ВПР по тяжести течения болезни

По тяжести течения и влияния на здоровье ребенка выделяют следующие категории ВПР:

летальные - пороки, приводящие к гибели до наступления репродуктивного возраста, чаще сразу после рождения ребенка;

тяжелые - пороки, требующие срочного медицинского вмешательства в целях сохранения жизни новорожденного и нарушающие в дальнейшем качество жизни больного;

умеренно тяжелые - пороки, требующие лечения (например, хирургического), но не угрожающие жизни больного и не приводящие в дальнейшем к ухудшению качества жизни.

Классификация ВПР по распространенности в организме

По распространенности в организме врожденные пороки развития подразделяют на:

Изолированные (одиночные) - порок развития одного органа. Большинство из них возникает, как правило, в результате взаимодействия генетических и средовых факторов, т.е. имеют мультифакториальную природу;

Системные - пороки развития нескольких органов в пределах одной системы (например, множественные поражения костной системы).

Множественные - пороки развития двух и более органов, принадлежащих к разным системам. Возникновение множественных врожденных пороков развития (МВПР) может быть обусловлено различными механизмами. В этой связи выделяют несколько типов МВПР в зависимости от уровня наших знаний о причинах и механизмах их возникновения:

Методы исследований генетики человека

Популяционный метод.

Популяционно-генетические исследования заключаются в определении частоты встречаемости генов и генотипов в популяции. Статистический анализ распространения тех или иных признаков у разных групп людей показывает, что возникшие мутации могут передаваться из поколения в поколение веками. Таким образом, возникает очень сложная картина генетической неоднородности людей различных национальностей, стран и т. д. Исследования позволяют оценить вероятность рождения ребенка с определенным признаком в данной популяции, а также рассчитать частоту встречаемости рецессивных генов (а) у гетерозиготных людей (Аа).

Близнецовый метод.

Разнояйцевые близнецы генетически разнородны, тогда как однояйцевые -- одинаковы. Если однояйцевые близнецы воспитывались в различных условиях, то различия, возникшие между ними, позволяют определить направленность и степень воздействия факторов окружающей среды на их гены.

Цитогенетический метод.

Этот метод заключается в изучении хромосом при помощи микроскопа и позволяет определить их число и форму. Например, если в клетках мужчины обнаружена лишняя Х-хромосома (т. е. всего 47 хромосом, и из них ХХY -- половые), то это является доказательством наличия у него синдрома Клайнфельтера. В настоящее время разработаны специальные методы окраски хромосом, облегчающие их распознавание.

Биохимические методы. онтогенез ген врожденный порок

Эти методы позволяют определить место и характер мутации по изменениям в составе затронутых мутацией белков. Например, при мутации, ведущей к замене всего одной аминокислоты в огромной молекуле переносчика кислорода -- гемоглобина, возникает наследственное заболевание, получившее название серповидной анемии, при котором эритроциты принимают форму полумесяца (рис. 68). Исследовав аминокислотный состав гемоглобина и обнаружив замену, можно сразу поставить диагноз.

Размещено на Allbest.ru