Генетические основы онтогенеза

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ МАКСИМА ТАНКА»

ФАКУЛЬТЕТ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Кафедра общей биологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Общая генетика»

на тему: «Генетические основы онтогенеза»

специальность

студентки 401 группы

География. Биология

Хохловой Ольги Васильевны

Допущена до защиты:

Заведующий кафедры общей

биологии

__________________________

“___” ________________2011 г.

Содержание

Введение

1. Генетические основы онтогенеза

1.1 Основные типы онтогенеза

1.2 Взаимосвязь между генотипом и фенотипом в онтогенезе

2. Цитогенетические основы дифференцировки в онтогенезе

2.1 Взаимосвязь ядра и цитоплазмы

3. Явление тотипотентности соматических клеток

4. Дифференциальная активность генов в онтогенезе

Список использованной литературы

Приложение

Введение

Повышение продуктивных качеств и совершенствование полезных биологических свойств сельскохозяйственных животных невозможны без глубоких знаний закономерностей их индивидуального развития.

Индивидуальное развитие животного организма - чрезвычайно сложный процесс. Он изучается зоотехнической наукой и практикой, медициной и многими биологическими науками - эмбриологией, анатомией, физиологией и др. До середины прошлого столетия большинство вопросов, касающихся онтогенеза изучались представителями данных наук изолированно и с узких позиций, специфичных для данной науки. В результате накоплен огромный, но разрозненный материал, охватывающий многочисленные стороны этой проблемы, не дающий, однако, фундаментальной основы для построения единой теории биологии развития. К концу 20 века были познаны только самые основные закономерности роста и развития организмов, глубокая сущность которых наукой еще до конца не раскрыта. онтогенез генотип цитогенетика клетка

Изучение генетической программы онтогенеза в значительной степени помогло выявлению причин, а также разработке методов лечения заболеваний, связанных с нарушением деятельности генетического аппарата.

Знание особенностей течения таких заболеваний, причин их появления повышает шанс на излечивание. Эти данные необходимы для медико-генетического консультирования при планировании семьи, поскольку выявление носительства генов, обусловливающих развитие той или иной болезни, позволяет врачу дать рекомендации о степени риска передачи таких генов потомству.

Генетика развития анализирует изменения, происходящие в процессе онтогенеза, и их филогенетические эффекты до более глубокого уровня причинности -- до уровня генов. Как подчёркивали ранее Гексли и Гольдшмидт, многие гены достигают своих фенотипических эффектов, управляя скоростями процессов развития; это могут быть скорости роста, скорости синтеза ростовых веществ, сроки дифференцировки и т. п. Гены, регулирующие скорости, образуют промежуточное звено между отбором и филетическим изменением.

Главной проблемой в изучении наследственных основ индивидуального развития является установление промежуточных звеньев в цепи "ген-признак".

Цель: главная цель работы - выявить основные закономерности генетических основ индивидуального развития организмов.

Задачи:

- более подробно рассмотреть основные типы онтогенеза;

- цитогенетические основы дифференцировки в онтогенезе;

- явление тотипотентности соматических клеток;

- дифференциальную активность генов в онтогенезе.

1. Генетические основы онтогенеза

Онтогенезом называется индивидуальное развитие особи (Э. Геккель, 1866).

Особью, или индивидом (от лат. individuum - неделимый) называется неделимый далее организм (от лат. organizo и франц. organisme - устраиваю, придаю стройность). Главные существенные признаки особи - это её целостность, строгая взаимозависимость всех частей, органов и систем органов: разделить особь на части без потери морфофункциональной индивидуальности невозможно. Само выражение «особь» подразумевает обособленность: таким образом, особь обособлена, отделена от других подобных особей, она способна (хотя бы частично) к самостоятельному существованию.

С эволюционной точки зрения, особью называется морфофизиологическая единица, происходящая от одного зачатка: от одной зиготы (при половом размножении), яйцеклетки (при партеногенезе), споры (при споровом размножении), почки или любого другого зачатка (при бесполом или вегетативном размножении). В дальнейшем зачаток, дающий начало новой особи, будем для краткости называть зиготой, поскольку именно при образовании зиготы возникают новые сочетания наследственных факторов, определяющих индивидуальность особи. Необходимо подчеркнуть, что именно особь является объектом воздействия эволюционных факторов, в первую очередь - естественного отбора.

У колониальных организмов (надорганизмов, или квазиорганизмов) для определения понятия «особь» используются специальные подходы.

Онтогенез особи начинается с момента её образования. Этим событием может быть прорастание споры, образование зиготы, начало дробления зиготы, возникновение особи тем или иным путем при вегетативном размножении. Иногда начало онтогенеза относят к образованию исходных клеток, например, агоний.

В ходе онтогенеза происходят рост, дифференцировка и интеграция частей развивающегося организма. Особь представляет собой целостную систему, следовательно, и онтогенез - это целостный процесс, который не может быть разложен на простые составляющие части без потери качества.

Онтогенез особи может завершиться её физической смертью или её воспроизведением (в частности, при размножении путем деления).

Онтогенез растений и животных состоит из качественно различных периодов: эмбриогенез, юность, зрелость и старость. Онтогенез многоклеточных организмов сопровождается рядом общих основных процессов:

1. рост - увеличение числа клеток и/или их объема (растяжение);

2. гистогенез - образование и дифференцировка тканей;

3. органогенез - образование органов и систем органов;

4. морфогенез - формирование внутренних и внешних морфологических признаков;

5. физиолого-биохимические преобразования.

Все это происходит на основе биохимической, физиологической, генетической и морфологической дифференцировки клеток, тканей и органов. В ходе онтогенеза возникает ряд особенностей, обеспечивающих приспособление организма к окружающей среде.

Онтогенетическое развитие организмов является предметом исследования многих биологических наук: эмбриологии (биологии индивидуального развития), физиологии, биохимии, гистологии, цитологии, цитогенетики и генетики. Каждая из этих наук, используя свои методы, изучает различные стороны и закономерности индивидуального развития. Раздел генетики, изучающий действие генов в онтогенезе, называется генетикой индивидуального развития, феногенетикой, физиологической генетикой (Гольдшмидт, 1935), или онтогенетикой (Лобашев, 1967).

1.1 Основные типы онтогенеза

Существует множество основных типов онтогенеза и еще большее число производных типов. Перечислим только некоторые из них. [http://afonin-59-bio.narod.ru/2_heredity/2_heredity_self/hs_16_onto.htm].

1. Онтогенез организмов с бесполым размножением и/или при зиготном мейозе (прокариоты и некоторые низшие эукариоты).

2. Онтогенез организмов с чередованием ядерных фаз при споровом мейозе (большинство растений и грибов).

3. Онтогенез животных с чередованием полового и бесполого размножения без смены ядерных фаз. Чередование поколений с половым и бесполым размножением у Кишечнополостных называется метагенезом. Чередование партеногенетического и амфимиктического поколений у червей, некоторых членистоногих и низших хордовых называется гетерогонией.

4. Онтогенез животных с наличием личиночных и промежуточных стадий: от первично-личиночного анаморфоза до полного метаморфоза.

5. Онтогенез животных с утратой личиночных стадий и/или стадий бесполого размножения: пресноводные гидры, олигохеты, наземные и вторично-водные брюхоногие моллюски.

6. Онтогенез животных с утратой конечных стадий и размножением на ранних этапах онтогенеза; проявляется в виде педоморфозов (сохранении личиночных черт) и неотении (размножения на личиночной стадии).

Особенности онтогенеза у животных. У животных важную роль в регуляции онтогенетических процессов играют эндокринная и нервная системы. В онтогенезе высших животных выделяют следующие этапы (периоды) онтогенеза:

1. предзародышевый (преэмбриональный) - развитие половых клеток (гаметогенез) и оплодотворение;

2. зародышевый (эмбриональный) - развитие организма под защитой яйцевых и зародышевых оболочек или под защитой материнского организма;

3. послезародышевый (постэмбриональный) - до достижения половой зрелости;

4. взрослое состояние - размножение, забота о потомстве, старение и гибель.

[http://afonin-59-bio.narod.ru/2_heredity/2_heredity_self/hs_16_onto.htm].

Кроме того, в рамках эмбрионального периода различают следующие типы онтогенеза:

1. первично-личиночный - личинка способна к самостоятельному существованию (паренхимулы губок, планулы кишечнополостных, трохофоры полихет, головастики амфибий);

2. неличиночный (яйцекладный) - прохождение ранних этапов гисто- и морфогенеза под защитой яйцевых оболочек (представители губок, кишечнополостных, кольчатых червей, ракообразных и многие другие группы, утратившие первично-личиночные стадии) и зародышевых оболочек (насекомые с прямым развитием, яйцекладущие амниоты);

3. вторично-личиночный - характеризуется разнообразием вторичных типов личинок, например, свободноживущие (редко паразитические) личинки насекомых с полным превращением (личинки жуков, гусеницы бабочек и т.п.); в данном случае появляется особая стадия - стадия куколки; отдельно выделяются личинки-паразиты (например, у паразитических червей);

4. внутриутробный - зародыш развивается под защитой материнского организма; при этом различают яйцеживорождение (морфологических связей между зародышем и материнским организмом не возникает), истинное живорождение (у плацентарных млекопитающих) и множество промежуточных типов (например, у живородящих акул, у сумчатых млекопитающих).

[http://afonin-59-bio.narod.ru/2_heredity/2_heredity_self/hs_16_onto.htm].

Смена типов эмбрионального развития повышает независимость гисто- и морфогенеза от внешней среды, способствует автономизации онтогенеза и возможности выхода в новую адаптивную зону.

Особенности онтогенеза у высших растений. Для растений характерны жизненные циклы с чередованием полового и бесполого поколений со сменой ядерных фаз (гаплоидного гаметофита и диплоидного спорофита), а также вегетативное размножение каждого из названных поколений. В зависимости от особенностей жизненного цикла зачатком новой особи может считаться спора, зигота (или - при партеногенезе - яйцеклетка), семя или вегетативный зачаток (почка, более или менее видоизмененный побег и пр.).

Наиболее полно разработано учение об онтогенезе у семенных растений. Целостность онтогенеза у этих организмов обеспечивается за счет образования и взаимодействия фитогормонов, а также за счет обмена метаболитами между органами и частями растений.

В онтогенезе семенных растений выделяют следующие периоды:

1. предзародышевый (преэмбриональный) - развитие гаплоидных структур - микроспорогенез и образование пыльцевых зерен, мегаспорогенез и образование эндосперма с архегониями (у голосеменных) или зародышевого мешка (у покрытосеменных); опыление и оплодотворение;

2. зародышевый (эмбриональный) - развитие семени из семязачатка;

3. стадия проростка - проросток образуется при прорастании семени и существует за счет запасов питательных веществ;

4. ювенильная стадия - растение переходит к самостоятельному питанию;

5. имматурная стадия - происходит ветвление стебля, формируется корневая система;

6. виргинильная стадия - формируется общий облик взрослого растения (габитус); однако генеративные органы отсутствуют;

7. генеративная стадия - на этой стадии происходит семенное размножение: образуются генеративные органы: цветки, а затем семена и плоды; различают три этапа генеративной стадии: ранняя генеративная стадия, средняя и поздняя;

8. сенильная стадия - семенное размножение прекращается, и растение отмирает.

[http://afonin-59-bio.narod.ru/2_heredity/2_heredity_self/hs_16_onto.htm].

Онтогенез растений в значительной степени зависит от условий внешней среды. В результате у них выработались защитные реакции (период покоя, фотопериодизм, термопериодизм), благодаря которым период активной жизнедеятельности приурочен к наиболее благоприятному времени года.

Повышение устойчивости онтогенеза в ходе эволюции изучалась английским эмбриологом и генетиком Конрадом Уоддингтоном (на примере температурной зависимости экспрессии гена Bar у дрозофилы). Устойчивость процессов развития Уоддингтон назвал гомеорезом - стабилизированным потоком событий, который представляет собой процесс реализации генетической программы строения, развития и функционирования организма.

Уоддингтон описывал процесс онтогенеза как пространство возможностей, или эпигенетический ландшафт. Эпигенетический ландшафт представляет собой набор эпигенетических траекторий, ведущих от зиготы к взрослому состоянию организма. Эпигенетический ландшафт и эпигенетические траектории можно представить как поверхность с системой параллельных углубляющихся желобов.

Эпигенетические траектории в некоторой степени связаны между собой, то есть под воздействием различных факторов (внутренних и внешних, генетических и негенетических) возможен переход с одной траектории на другую. В результате на основании одной и той же генетической программы возможно формирование множества траекторий онтогенеза. Существование множества траекторий онтогенеза, базирующихся на одной и той же генетической программе, называется поливариантностью онтогенеза. Первоначально эпигенетические траектории более или менее равноценны, но в ходе канализирующего отбора некоторые траектории как бы углубляются и становятся аттракторами других траекторий (от англ. to attract - притягивать). Траектории, получающие преимущество, Уоддингтон называл креодами. «Хребты», разделяющие траектории, являются репеллерами (от англ. to repel - отталкивать).

1.2 Взаимосвязь между генотипом и фенотипом в онтогенезе

В широком смысле генотип -- это совокупность всех наследственных факторов организма (ядерных и цитоплазматических). В более узком смысле под генотипом понимают совокупность всех генов организма, локализованных в хромосомах. Это программа развития, обусловленная историей развития вида.

Фенотип - это совокупность всех признаков и свойств организма, которые можно учесть при морфологических, анатомических, физиологических и цитологических исследованиях. Иначе, фенотип можно определить как результат реализации генотипа в ходе онтогенеза при определенных условиях внешней среды, для которого характерна система признаков и свойств организма.

Любой признак организма, в конечном счете, определяется всем генотипом, а каждый ген обладает множественным (плейотропным) эффектом.

В фенотипе никогда не реализуются все генотипические возможности, т. е. фенотип каждой особи есть лишь частный случай проявления ее генотипа в определенных условиях развития. Например, генотипически одинаковые растения при выращивании их в контрастирующих условиях будут иметь различные фенотипы. Вследствие развития и жизни в разных условиях однояйцевые близнецы могут значительно различаться между собой во взрослом состоянии. Следовательно, реализация генотипа в фенотипе обусловлена особенностями онтогенеза и конкретными условиями внешней среды, в которых осуществляется развитие.

Нормальным может быть назван такой фенотип, который возникает в оптимальных условиях среды под контролем нормального или «дикого» генотипа. Изменения внешней среды или генотипа могут вызвать отклонения от нормального фенотипа, т. е. степень изменения фенотипа находится в зависимости от степени изменения среды и генотипа.

Наличие определенных генов еще не означает, что их действие завершится развитием определенных признаков. На действие многих генов часто оказывают влияние изменения внешних условий. Например, хорошо известно, что синтез хлорофилла, который контролируется действием генов, не может происходить в темноте и для этого процесса обязательно наличие света. Подобное наблюдается и при образовании антоциана у растений. Без необходимых условий освещения гены, контролирующие образование этого пигмента, действуют очень слабо или совсем не действуют. Известно много мутаций у растений и животных, проявляющих мутантный фенотип только при определенных условиях освещения, температуры или влажности.

Генетические методы исследования открыли новые возможности для изучения онтогенеза. При этом особое значение имеют исследования действия мутантных генов. Действительно, получая прямые и обратные мутации генов, можно как бы включать и выключать отдельные звенья развития, что позволяет установить последовательность процессов дифференциации и морфогенеза. Большое значение для этого имеют также работы по изучению функциональных изменений хромосом и молекулярного механизма мутаций.

Основным вопросом генетики и цитогенетики онтогенеза является вопрос о том, когда и как начинает функционировать ген. В настоящее время многое известно о действии и взаимодействии генов. В общих чертах уже ясно, каким образом гены контролируют синтез определенных химических веществ и скорость различных обменных реакций, а также каким образом химические изменения гена приводят к изменению обмена веществ и фенотипа. Правда, большинство данных получено на микроорганизмах, и их не всегда можно переносить на высшие растения и животных. Последние представляют собой исключительно сложные объекты для изучения генетических процессов на молекулярном уровне.

Микроорганизмы исключительно удобны для изучения действия мутантных генов, определяющих биосинтез многих метаболитов. На высших организмах такие исследования усложняются хотя бы тем, что их клетки содержат сравнительно большое количество ДНК. Так, по сравнению с клетками кишечной палочки (Е. coli) в клетках млекопитающего содержится примерно в 1000 раз больше ДНК. Следовательно, у них значительно больше генов, поскольку нет оснований говорить об увеличении размеров белковых молекул и генов при переходе от низших форм жизни к высшим. В клетках млекопитающих может синтезироваться более миллиона различных белков, вследствие чего установить связь между мутантным признаком и соответствующим мутантным белком очень трудно. Количество ДНК - довольно относительный критерий, способный ввести в заблуждение. Так, в клетках некоторых амфибий содержится примерно в 50 раз больше ДНК, чем в клетках млекопитающих. Это, однако, не означает, что амфибии совершеннее млекопитающих в биологическом отношении. По-видимому, у ряда амфибий количество ДНК увеличилось за счет полиплоидизации, и каждый ген у них оказался в нескольких экземплярах.

Этим не исчерпываются трудности в изучении генетических явлений у высших организмов на молекулярном уровне. Затруднения возникают при выявлении многих мутаций, они бывают сопряжены с невозможностью получения многих поколений в короткие сроки и многим другим. Несмотря на все эти трудности, в настоящее время уже имеются данные, согласно которым ряд общих закономерностей, установленных на микроорганизмах, не является частным случаем и свойственен высшим организмам. Например, было установлено, что многие наследственные заболевания у человека обусловлены врожденными аномалиями метаболизма.

Например, организму человека для нормального обмена веществ, в частности фенилаланина и тирозина, необходимо определенное количество аминокислот. Эти вещества обычно поступают из пищи, а тирозин дополнительно синтезируется из избытков фенилаланина. Тирозин является предшественником для образования некоторых белков, гормонов, пигмента меланина и других важных соединений. При биохимических мутациях может произойти блокирование какого-либо периода биосинтеза пигментов, что приведет к альбинизму, алькаптонурии или фенилкетонурии. Это наследственные болезни, из которых последняя, например, вызывает серьезные нарушения умственного развития. Причиной фенилкетонурии является блокирование синтеза тирозина из фенилаланина, что приводит к накоплению в организме избытка фенилаланина. Знание механизмов действия этих генов позволяет разработать методы лечения или облегчения данных заболеваний. Например, при ранней диагностике фенилкетонурии удавалось предотвратить появление признаков умственной отсталости исключением из пищи фенилаланина. Принципиальное сходство таких нарушений метаболизма с подобными у микроорганизмов не вызывает сомнений.

Биохимическая дифференцировка предшествует морфологической, но изучение начальных биохимических этапов действия гена у высших организмов - трудная задача. Начиная с 1920-х годов, такие исследования проводятся на расте­ниях и животных. При этом по отклонению от нормы в развитии изучаемых признаков удавалось установить начало действия генов. У домашней мыши, например, была обнаружена серия множественных аллелей в локусе Т. В гомозиготном состоянии ген Т (ТТ) вызывает смерть зародыша на 11-й день. В гетерозиготном состоянии (Tt) особь сохраняет жизнеспособность, но у нее развивается укорочение хвоста (брахиурия). Многочисленные рецессивные аллели этого гена вызывают смерть зародышей на различных стадиях развития, появление бесхвостых мышей или мышей с нормальными хвостами. Используя различные аллели, можно генетически моделировать продолжительность жизни эмбрионов и особенности развития хвоста

Таким образом, комбинирование мутантных аллелей при скрещиваниях позволяет моделировать эмбриогенез, как бы останавливая или изменяя развитие, что дает возможность уточнить начало дифференцировки признака.

Один и тот же мутантный ген у разных организмов может проявиться различным образом, что определится генотипом данного организма и условиями среды, в которых происходит его развитие. Иначе говоря, фенотипическое проявление гена может значительно варьировать по степени выражения признака. Это явление было названо экспрессивностью (Тимофеев-Ресовский, 1927). Экспрессивность может действовать в узких или широких пределах, т. е. от нормального выражения признака до максимально возможного мутационного эффекта. Например, в потомстве от одной пары мутантных дрозофил с сильно редуцированным числом фасеток («безглазая» форма) у одних особей глаза будут лишены фасеток наполовину, а у других -- почти полностью.

Любой мутантный признак может обнаружиться у одних и не проявиться у других особей. Эта способность, названная пенетрантностью проявления гена, оценивается по количеству особей в популяции, имеющих мутантный фенотип. При полной пенетрантности (100%) мутантный ген проявляет свое действие у всех особей, имеющих его, а при неполной -- лишь у некоторых.

Если экспрессивность -- это реакция сходных генотипов на среду, то пенетрантность - показатель гетерогенности линий или популяций не по основному гену, определяющему конкретный признак, а по генам-модификаторам, которые создают генотипическую среду для проявления гена. И экспрессивность, и пенетрантность обусловлены взаимодействием генов в генотипе и реакцией последнего на факторы внешней среды. Оба эти явления имеют приспособительное значение и поддерживаются отбором, они хорошо известны и для растений, и для животных.

Так, у примулы известен ген окраски цветка, действие которого зависит от температуры. При температуре 30--35° и высокой влажности цветки примулы оказываются белыми, а при низкой температуре -- красными. Фенотипическое проявление гена гималайской окраски кроликов при нормальной температуре (?20°) выражается в том, что при общей белой окраске уши, нос, кончики лап и хвост оказываются черными. При температуре выше 30° окраска кроликов оказывается сплошь белой. Если же любой участок тела, на котором выщипана белая шерсть, систематически охлаждать, то на нем вырастает черная шерсть. Черная окраска определяется образованием меланистических пигментов, синтез которых контролируется соответствующим геном. Однако фенотипическое проявление этого гена зависит от температурных условий.

Изменения под влиянием внешних факторов в ходе развития признака, находящегося под контролем определенного генотипа, могут привести к копированию признаков, характерных для другого генотипа. Такие изменения были названы фенокопиями (Гольдшмидт, 1935). Поскольку генотип остается неизменным, фенокопии не наследуются. Подобные изменения могут быть вызваны экспериментально при действии на развивающийся организм химическими агентами или излучениями. В этом случае их называют морфозами (Шмальгаузен, 1949), или тератами. Морфозы и тераты - это особенности органов, которые обусловлены нарушениями их нормального развития. Морфозы не препятствуют нормальному функционированию организма (например, сросшиеся цветоносные побеги у одуванчика, изменение конфигурации листьев), а тераты (уродства) приводят к частичной или полной утрате органом его функций (например, превращение плодолистиков в обычные листья-трофофиллы, тычинок в лепестки). Морфозы и тераты непосредственно не наследуются, однако склонность к появлению таких нарушений может быть обусловлена особенностями генотипа.

Некоторые фенокопии возникают под влиянием факторов внешней среды на определенной стадии индивидуального развития. У растений, например, хорошо известны озимые и яровые формы. Это генотипически обусловленные признаки. При скрещивании гомозиготных озимых и яровых пшениц в F1 доминирует свойство яровости, а в F2 наблюдается расщепление на яровые и озимые. Однако встречаются особые формы - «двуручки», которые в зависимости от условий выращивания могут быть озимыми или яровыми. Озимые злаки, посеянные весной, обычно растут, кустятся, но не переходят к колошению, т. е. не развиваются. Растения же, семена которых перед весенним посевом подверглись на протяжении определенного времени действию пониженных температур при определенной влажности (яровизация), будут развиваться нормально и перейдут к плодоношению. Следовательно, в ходе онтогенеза можно изменять свойства растения, что было установлено еще в 20-е годы Лысенко, сделавшим при этом неправильный вывод, что воздействие температурными условиями вызывает наследственные изменения. В действительности же эти изменения не наследуются, а лишь имитируют фенотип наследственно яровых форм, т. е. являются фенокопиями.

Фенокопии могут возникать и под влиянием светового фактора. Известно, что для нормального развития каждый вид растений на определенных этапах онтогенеза нуждается в определенной продолжительности светового дня. Образование фенокопий под влиянием температуры и светового фактора неоднократно наблюдалось у дрозофилы и других насекомых.

Фенокопии и морфозы обусловливаются изменениями в соматических клетках, а не изменениями генов. Иначе говоря, это результат нарушения действия генов.

Под влиянием факторов внешней среды могут возникать фенокопии, имеющие приспособительное значение. Так, например, при низких температурах появляются меланистические формы у насекомых и антоциановая окраска у растений.

Каждый организм в период индивидуального развития представляет собой целостную систему, но при этом существует морфологическая и функциональная дискретность онтогенеза, которые обусловлены дискретной генетической детерминацией. Реализация генотипа в онтогенезе изменчива и происходит приспособительно к конкретным условиям среды. Таким образом, генотип способен обеспечивать в определенных пределах изменчивость онтогенеза в зависимости от изменяющихся условий внешней среды. Степень возможной изменчивости в ходе реализации генотипа называется нормой реакции и выражается совокупностью возможных фенотипов при различных условиях среды. Это определяет так называемую онтогенетическую адаптацию, обеспечивающую выживание и репродукцию организмов иногда даже при значительных изменениях внешней среды.

Изучение морфологической и функциональной дискретности онтогенеза, а также генетической обусловленности нормы реакции обеспечит разработку эффективных методов управления индивидуальным развитием. Уже получены многочисленные данные по влиянию различных факторов на продуктивность растений и животных. Для многих видов растений хорошо известны условия выращивания, обеспечивающие наибольшую продуктивность. Установлены особенности влияния освещения и температуры на яйценоскость у домашней птицы. Известно значение витаминов и гормонов для онтогенеза животных, что можно использовать для регулирования их индивидуального развития. Изучением влияния различных условий на онтогенез занимаются в основном генетики, физиологи и экологи. Познание цитогенетических основ онтогенетической дифференцировки и нормы реакции откроет неограниченные возможности для управления индивидуальным развитием.

2. Цитогенетические основы дифференцировки в онтогенезе

В ходе индивидуального развития многоклеточных организмов возникает гетерогенность клеток и тканей, что и является процессом дифференциации. Различают две формы этого процесса: 1) возникновение различий в ряду клеточных поколений между отдельными клетками или группами клеток; 2) появление различий во время жизни одной клетки. В первом случае дифференцировка охватывает большое количество клеток, которые затем расчленяются на отдельные зачатки, или клеточные популяции. Во втором случае дифференцировка происходит в период онтогенеза отдельной клетки (например, превращение первичной половой клетки в ооцит, дифференцировка эпителиальных клеток кишечника, обра­зование эритроцитов и т. д.).

В основе специализации структур и функций лежит клеточная дифференцировка, которая обеспечивается превращением более общего и однородного в более специализированное и неоднородное. В результате изменяются структура, обмен веществ, морфология и функционирование первоначально однородных клеток. Этот процесс в ходе эмбрионального развития приводит к образованию тканей (гистогенез), которые представляют систему клеток, специализированных для выполнения определенных функций. Затем из тканей образуются органы (органогенез).

Дифференцировка начинается в процессе деления (дробления) оплодотворенного яйца и продолжается в течение всей жизни организма. В тканях, где происходит обновление клеток, процесс дифференциации клеток осуществляется непрерывно. Имеются и так называемые многолетние клетки, дифференциация которых происходит на ранних стадиях эмбриогенеза, их деление прекращается, и они функционируют па протяжении всей жизни организма (например, клетки нервной системы и сердечной мышцы). Следовательно, дифференцировку нужно рассматривать не только как процесс, по и как состояние, связанное со строго определенными функциями.

Проблему клеточной дифференцировки, которая стала центральной проблемой эмбриологии, не решить без цитогенетических исследований. Изучение дифференцировки клеток включает:

1. Изучение признаков дифференцировки и природы внешних сил, действие которых определяет начало процессов, завершающихся образованием двух дочерних клеток с различной конституцией.

2. Изучение молекулярных различий между дифференцированными клетками.

3. Изучение механизмов, обеспечивающих закрепление необратимости различных изменений, возникающих в процессе дифференцировки.

В ходе онтогенеза образуется целостный организм, в котором гистогенез, органогенез и дифференциация клеток тесно взаимосвязаны, что трудно объяснить только внутренними свойствами отдельных клеток. В связи с этим для объяснения развития организма эмбриологи широко используют такие эпигенетические представления, как индукция, градиенты и др. Пока нет единой теории, охватывающей развитие, наследственность и дифференцировку, но уже накоплен большой фактический материал, позволяющий надеяться па решение этой проблемы в ближайшем будущем.

Рассматривая проблему дифференцировки в цитогенетическом аспекте, необходимо учитывать общие закономерности онтогенеза, которые были установлены эмбриологами. Среди них особо следует отметить следующие:

1. Биогенетический закон (Геккель, 1866), согласно которому во время онтогенеза в том или ином виде повторяются фазы развития, характерные для предков (иногда очень далеких), что указывает на генетическую предопределенность общего плана развития данной систематической группы растений или животных, а также на общность происхождения.

2. Характерное соотношение процессов роста и дифференцировки. Во время роста преобладают процессы, связанные с митотической активностью клеток, а во время дифференцировки -- процессы формообразования и интеграции специализированных клеток.

3. Обратимость и необратимость дифференцировки соматических клеток. Дифференцировка обычно необратима, и это определяется генетической специализацией ядра и цитоплазмы. Почти все специализированные клетки сохраняют свои специфические особенности в культуре, т. е. в отсутствие нормального клеточного окружения. Клетки, генетическая специализация ядра и цитоплазмы которых не завершилась, способны перейти к новому типу дифференцировки, а иногда восстановить орган или целый организм. Возникновение зародыша - эмбриоида - из соматических клеток называется соматическим эмбриогенезом.

4. Первичная эмбриональная индукция, обеспечивающая заложение и развитие тканей, органов и систем организма. Механизмы первичной индукции, или действия «организатора», пока остаются таинственными, но есть основания считать, что это вторая система, которая наряду с генами обеспечивает развитие организма.

5. Наличие параллелизма по структуре и функции тканей в разных филогенетических рядах (например, нервной, мышечной, эпителиальной, соединительной), что указывает на общность генетической детерминации клеток у давно разошедшихся систематических групп.

Первоначально дифференцировку пытались объяснить, исходя из теории Вейсмана и Ру, по которой она происходит в результате неравнонаследственных делений ядра, что уже на ранних стадиях развития приводит к образованию клеток с качественно различным ядерным материалом. Затем на различных объектах было показано, что на ранних стадиях развития ядра клеток являются равноценными в генетическом отношении. После этого так называемая мозаичная теория Вейсмана и Ру была отклонена.

2.1 Взаимосвязь ядра и цитоплазмы

В настоящее время все больше и больше накапливается данных, что дифференцировка определяется взаимодействием между ядром и цитоплазмой, для которого характерен ряд особенностей, проявляющихся уже в яйцеклетке. Эмбриологами установлено, что созревшие яйцеклетки многих животных уже имеют хорошо выраженные признаки дифференциации, приобретенные в процессе онтогенеза. Это проявляется как полярность, которая особенно четко выражена в виде неоднородности различных участков цитоплазмы и поверхностного, или кортикального, слоя (кортекса) у яйцеклеток с большим количеством желтка. Учитывая эту особенность яйцеклеток и ряд экспериментальных данных, по которым безъядерные яйцеклетки амфибий и некоторых беспозвоночных после их активизации способны развиваться до стадии бластулы, некоторые исследователи предположили, что первые стадии развития эмбриона не за­висят от действия генов и обусловлены строением цитоплазмы яйца (ооплазмы). Процесс становления специфической структуры яйцеклетки перед началом дробления, завершающийся обособлением качественно различных участков ооплазмы, был назван ооплазматической сегрегацией. В настоящее время известно, что ооплазматическая сегрегация, или преформированность ооплазмы и кортикального слоя яйца, является результатом деятельности генотипа материнского организма в оогенезе.

Ранее нами уже рассматривались примеры генетической детерминации цитоплазмы, влияющей на развитие признаков потомства: левая и правая закрученность завитка раковины моллюска Limnaea, цитоплазматическая мужская стерильность, развитие отдаленных гибридов при несовместимости ядра и цитоплазмы. Явление партеногенеза, довольно широко распространенное среди растений и животных, указывает на то, что генотип матери способен самостоятельно обеспечить нормальное воспроизведение потомства. В результате многочисленных опытов по отдаленной гибридизации у морских ежей, рыб, амфибий и других животных было установлено, что развитие летальных гибридов обычно продолжается до стадии бластулы, т. е. материнская цитоплазма может обеспечить дробление яйцеклетки даже при полной несовместимости геномов. В связи с этим возникает вполне справедливое предположение, что созревшая яйцеклетка содержит в цитоплазме и кортикальном слое определенную информацию, обеспечивающую начальные фазы развития яйца.

Эта информация заготавливается материнским организмом в период онтогенеза и обусловлена его генотипом. В формировании яйца принимает участие весь набор генов диплоидного материнского организма. После мейоза в яйце сохраняется один геном, но в цитоплазме и кортикальном слое остаются все материнские генные продукты, которые и обеспечивают начальные этапы развития яйца. Следовательно, начало онтогенеза может осуществляться за счет действия генных продуктов материнского генотипа, а затем уже начинает функционировать генотип зиготы. Хорошим примером функционирования генных продуктов даже при отсутствии ядра являются безъядерные эритроциты млекопитающих. Красные кровяные тельца утрачивают ядра при формировании ретикулоцитов, по функционирование их продуктов сохраняется и в эритроцитах.

Поскольку в период онтогенеза происходит структурная функциональная дифференцировка яйцеклетки, имеющая решающее значение для воспроизведения нового поколения, началом онтогенеза, по-видимому, правильнее считать момент закладки яйцеклетки в материнском организме, а не момент оплодотворения. Иначе говоря, образованием готовой к оплодотворению яйцеклетки заканчивается первый этап онтогенеза, а с момента оплодотворения начинается следующий этап. Мужские гаметы также проходят дифференцировку, признаки которой детерминированы генотипом мужского организма, но пока о специфических особенностях цитоплазмы мужских гамет известно очень немногое.

Наличие информации в цитоплазме и кортикальном слое яйцеклеток было доказано многими исследованиями. Например, Нейфах (1959-1962) при изучении морфогенетической функции ядер использовал различную чувствительность ядра и цитоплазмы к действию ионизирующей радиации. Он инактивировал ядра облучением на различных стадиях эмбриогенеза ряда животных. При этом оказалось, что облучение различных стадий вызывает остановку развития в строго определенные периоды. Это позволило определить начало периода морфогенетической функции ядер. Например, у вьюна независимо от того, когда было произведено облучение (во время дробления или на стадии ранней бластулы), развитие прекращалось на стадии поздней бластулы, перед началом гаструляции. У морского ежа и осетровых рыб первый период функции ядер совпадает со средней бластулой. У моллюска Limnaea и лошадиной аскариды инактивация ядер проявляется значительно раньше (у Limnaea--на стадии 12--16 клеток, а у аскариды - на стадии 4 бластомеров). Такие исследования показали, что периоды дробления до гаструляции или до латентной дифференциации отдельных зачатков различны и примерно совпадают с началом морфогенетической функции ядер или же со стадиями, до которых развиваются летальные гибриды. В это время реализуется информация, накопленная цитоплазмой в оогенезе.

Накопление информации происходит за счет накопления в цитоплазме информационной и рибосомой РНК, синтез которых контролируется ядерной ДНК. Многие исследователи показали, что в период оогенеза действительно происходит интенсивный синтез рибосом и информационной РНК, что обеспечивает рост ооцитов, накопление в них желтка и ооплазматическую сегрегацию. В созревших яйцеклетках полностью прекращается синтез информационной РНК, рибосом и белка. Рибосомы созревшего ооцита не активны, их активность восстанавливается после оплодотворения. Следовательно, в созревших яйцеклетках каким-то образом блокируется аппарат белкового синтеза, а после оплодотворения происходит его деблокирование. Таким образом, избыточное накопление в цитоплазме информационной и рибосомой РНК может обеспечивать какое-то время синтез специфических белков даже в отсутствие ДНК. При этом следует помнить, что некоторые органоиды клетки имеют собственные нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и, по-видимому, так же способны кодировать и передавать информацию, как и ядерные нуклеиновые кислоты [http://afonin-59-bio.narod.ru/2_heredity/2_heredity_self/hs_16_onto.htm].

Ооплазматическая сегрегация определяет и свойства ядер во время дробления. Например, при дроблении у аскариды в будущих половых клетках не происходит диминуции хромосом (потеря или утрата части хромосом в митозе или мейозе), а в соматических бластомерах диминуция хромосом наблюдается.

Интересно, что при центрифугировании яиц аскариды можно добиться равного распределения различных участков цитоплазмы в первом делении между обоими бластомерами. При этом диминуция хромосом не происходит. Подобное наблюдалось и у ряда других объектов при центрифугировании яйцеклеток или при их облучении ультрафиолетовыми лучами.

В результате митотического деления бластомеры содержат одинаковые геномы, но в их состав входят различные участки кортекса и цитоплазмы, т. е. разные бластомеры имеют различно переформированную цитоплазму, которая может служить регулятором функционирования ядер и таким образом влиять на ход дифференцировки.

Итак, в самом начале онтогенеза реализуются генные продукты материнского организма, и, по-видимому, плейотропный эффект генов матери на последующих этапах дифференцировки проявляется сильнее, чем эффект генов отца, которые начинают действовать позже. Иначе говоря, мы возвращаемся к сформулированному ранее принципу: чем раньше проявляется действие генов в онтогенезе, тем больше их плейотропный эффект. По современным представлениям процесс дифференцировки зародыша после первых делений определяется механизмом считывания разных генов по мере специализации клеток различных тканей. При условии, что гены действительно контролируют онтогенез, предстоит выяснить: 1) все или только некоторые из генов действуют на определенных этапах онтогенеза; 2) что определяет начало действия генов; 3) как осуществляется специфическое действие генов. Генетическая детерминация онтогенеза изучается в настоящее время при помощи цитогенетических, биохимических, иммунологических, физиологических и других методов. В этой области уже достигнуты значительные успехи, позволяющие объяснить многие явления.

Для выявления потенции ядер в онтогенезе успешно применяется метод трансплантации ядер. Первые опыты по пересадке ядер были проведены на яйцеклетках амфибий. При этом в большинстве случаев после пересадки ядер развитие шло только до стадии бластулы. Затем был проведен ряд интересных опытов по пересадке ядер из клеток, находящихся на разных этапах дифференцировки, в денуклеированные яйцеклетки. В период второго деления мейоза или после него ядро яйцеклетки удалялось стеклянной иглой и на его место при помощи стеклянной пипетки переносилось диплоидное ядро, взятое из клеток более поздних стадий развития (бластулы, гаструлы и др.). Большинство таких опытов было проведено на лягушке.

При пересадке ядер из клеток поздней бластулы нормальное развитие наблюдалось менее чем у половины зародышей. В большинстве случаев развитие проходило до стадии бластулы. При наиболее удачных пересадках лишь 35% оперированных яйцеклеток развивалось до стадии свободно плавающих личинок (головастиков). Пересаженные в яйцеклетки «эктодермальные» и «хордо-мезодермальные» ядра из клеток гаструлы также в большинстве случаев обеспечивали развитие до бластулы, и только 8% таких яйцеклеток развивалось в личинки. При пересадке «эндодермальных» ядер значительно уменьшалось количество дробящихся яиц и количество случаев нормального развития, а личинок уже почти не было. Это позволило предположить, что в ходе гаструляции часть ядер уже претерпела необратимые изменения. Однако единичные случаи развития нормальных личинок указывают на то, что эти ядра содержат все факторы, необходимые для развития. Это окончательно подтвердилось результатами опытов по пересадке в денуклеированные яйцеклетки ядер из клеток кишечника головастиков и ядер из клеток глазного бокала [http://afonin-59-bio.narod.ru/2_heredity/2_heredity_self/hs_16_onto.htm].

Результаты опытов по пересадкам ядер позволили сделать следующее заключение. Ядра соматических клеток генетически эквипотенциальны, т. е. они сохраняют всю генетическую информацию, свойственную данному организму. Дополнительно это подтверждается постоянством количества ДНК в ядре и числа хромосом. В различные периоды функционирования ядер реализуется только некоторая часть генетической информации, а оставшаяся оказывается заблокированной. Деблокирование генетической информации ядер по мере развития становится все более и более затрудненным, но, по-видимому, оно возможно в любом ядре, имеющем нормальный набор хромосом.

Таким образом, обычно дифференцировка не связана с изменением числа хромосом, обеспечивают же активацию и инактивацию определенных генов в различные периоды онтогенеза какие-то специфические механизмы. Многоклеточные организмы должны иметь приспособления, контролирующие последовательность действия генов. Цитогенетические и биохимические исследования позволили вплотную подойти к решению этого чрезвычайно трудного и важного вопроса. Вполне определилось мнение о том, почему в ходе онтогенеза гены функционируют избирательно.

Клетки различных тканей растений и животных отличаются друг от друга главным образом тем, что в них происходит синтез различных групп белков, что и определяет их структурную и функциональную специфику. Познать причины, которые побуждают клетку синтезировать только определенные белки, посредством изучения синтеза и функциональных особенностей сотен различных белков задача непосильная. Такому изучению должно предшествовать познание закономерностей, определяющих избирательный синтез белков. Это и было сделано, когда оправдалось предположение, что дифференцировка происходит на хромосомном уровне путем регуляции синтеза специфической информационной РНК. При изучении гигантских (политенных) хромосом и хромосом типа «ламповых щеток» было установлено, что в разных участках хромосом РНК синтезируется с разной скоростью.

Установлено, что динамика образования пуфов на гигантских хромосомах в процессе развития двукрылых является отражением смены активности генов. Пуфы представляют собой места интенсивного синтеза информационной РНК. Интенсивное функционирование отдельных генов или их блоков соответствует определенным этапам развития и дифференцировки. Это состояние непостоянно и обратимо, что очень хорошо видно в опытах по пересадке ядер из клеток слюнных желез предкуколки дрозофилы в клетки зародыша, находящегося на более ранних этапах развития, причем на политенных хромосомах изменяются места появления пуфов. Все это иллюстрирует взаимодействие ядра и цитоплазмы в клетках с политенными хромосомами.

Много интересных работ проведено по изучению механизмов, контролирующих образование пуфов. Есть основания считать, что одним из основных факторов в этом процессе у двукрылых является гормон экдизон, секретируемый проторакальной железой и вызывающий у насекомых линьку. Так, после введения этого гормона молодым личинкам довольно быстро возникают специфические пуфы, причем продолжительность их образования зависит от количества введенного гормона. Последовательность образования пуфов изменяется также при воздействиях различными химическими агентами или температурными условиями. Некоторые антибиотики, влияющие на обмен РНК (например, актиномицин), подавляют образование пуфов, а антибиотики, ингибирующие синтез белка (например, пуромицин), не влияют на этот процесс. Следовательно, активность пуфов находится под контролем гормональных факторов и факторов внешней среды. Формирование же комплексов пуфов, характерных для клеток отдельных тканей и органов дифференцированного организма, является показателем общего уровня наиболее интенсивно протекающих метаболических процессов в данных клетках. Правда, такие локальные изменения хромосом почти ничего не говорят о характере действия генов, но их изучение значительно расширило наши представления о роли хромосом и генов в функционировании клетки.

Связь синтетической активности с морфологическими преобразованиями хромосом была установлена при изучении оогенеза у амфибий, в ходе которого образуются хромосомы типа «ламповых щеток». При использовании метода авторадиографии была обнаружена строгая последовательность включения уридина в определенные участки петель хромосом этого типа и одновременное включение меченой аминокислоты в остальные участки петель, что позволило лучше представить механизм передачи информации от ядра к цитоплазме [http://afonin-59-bio.narod.ru/2_heredity/2_heredity_self/hs_16_onto.htm].

Доказано, что ядрышковая РНК по нуклеотидному составу соответствует рибосомной РНК. Это совпадает с представлениями о том, что синтез рибосомальной РНК происходит на определенных участках хромосом. Синтезирован­ная рРНК концентрируется в ядрышке, из которого формирующиеся рибосомы перемещаются в цитоплазму.

Таким образом, цитохимическое изучение хромосом типа «ламповых щеток» выявило их функциональное сходство с политенными хромосомами. Образование пуфов и петель связано с повышением интенсивности синтеза информационном РНК. При снижении синтетической активности петли синтезированная РНК отделяется от хромосомы и петля спадает. Так же исчезают пуфы политенных хромосом.

3. Явление тотипотентности соматических клеток

Тотипотентность (totus - весь, целый и potenta - сила) свойство клеток реализовать генетическую информацию ядра до развития целого организма. Тотипотентность дифференцированных соматических клеток, т.е. их способность обеспечивать полное развитие организма свойственна и животным, и растениям. Одно из наиболее прямых доказательств этого факта -- опыты английского генетика Дж. Гердона по трансплантации ядра из дифференцированной соматической клетки в безъядерную зиготу. Используя африканскую шпорцевую лягушку Xenopuslaevis, он получил взрослых особей на основе генетической информации ядра соматической клетки. Путем облучения большими дозами УФ из неоплодотворенных яиц функционально удалялось ядро; затем в каждое из энуклеированных яиц вводили дифференцированное ядро из клетки кишечного эпителия головастика, и таким способом инициировали развитие. В ряде случаев из подобных яиц развивались головастики, а затем и взрослые лягушки.