Генетические основы онтогенеза

[http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/90253].

Для доказательства того, что в развитии участвовало именно трансплантированное, а не собственное ядро яйцеклетки (выжившее при УФ-облучении), применяли генетическое маркирование. Для выделения яйцеклеток использовали линию, характеризующуюся наличием в ядре двух ядрышек - по одному на каждый ядрышковый организатор двух гомологичных хромосом. Ядро соматической клетки было получено от особи, гетерозиготной по делеции ядрышкового организатора и потому имеющей в ядре только одно ядрышко. Все лягушки, развившиеся в результате пересадки ядер, имели по одному ядрышку. Несколько взрослых лягушек из их числа достигли половозрелости, и оказались вполне фертильными, как и нормальные Xenopus.

Эти эксперименты показали, что дифференцировка клеток в онтогенезе не обязательно сопровождается необратимой инактивацией генетического материала ядра, ядро соматической клетки с репрессированной большей частью генома может претерпеть дерепрессию, если его трансплантировать в ооплазму оплодотворенной яйцеклетки, способной к реализации полного цикла развития.

В экспериментах нескольких типов было доказано, что вся информация, необходимая для нормального развития, присутствует в ядре дифференцированной клетки и может быть вновь активирована и использована для повторения процесса развития. Таким образом, проблема генетического контроля индивидуального развития перешла в рамки проблемы дифференциальной экспрессии генов, которая может происходить на уровне любого известного матричного процесса. Концепция дифференциальной активности генов была выдвинута в начале 30-х годов XX в. Т. Морганом. Согласно этой концепции во всех клетках организма имеется одинаковый набор генов, но функционируют они в различно дифференцированных клетках по-разному. В настоящее время дифференциальная активность генов в клетках и тканях разной специализации и на разных этапах онтогенеза - это экспериментально установленный факт универсального значения: в каждом данном типе клеток одновременно экспрессируется лишь небольшая доля генов, и спектры экспрессирующихся генов в клетках разных типов весьма специфичны.

4. Дифференциальная активность генов в онтогенезе

Какие механизмы приводят к тому, что сестринские ядра, ведущие свое происхождение от одного и того же ядра зиготы, образуют при дальнейших делениях дочерние ядра, вступающие на разные пути развития? Большая часть клеток животных - это соматические клетки, судьба которых - погибнуть, не внеся вклад в последующие поколения. Только зародышевые клетки, сегрегирующие в раннем эмбриогенезе, обладают тотипотентностъю (способностью пройти все этапы развития и дать начало любому типу клеток). Приводит ли дифференцировка клеток, происходящая после выбора какого-либо специфического пути развития, к селективной элиминации генов, которые не будут иметь экспрессии, или в этом случае происходит их постоянная инактивация?

В экспериментах нескольких типов получены данные, свидетельствующие о том, что процессы развития не обязательно приводят к необратимым изменениям клеточного ядра. Эти эксперименты показывают, что в соматических клетках в процессе развития происходит дифференциальная экспрессия генов.

Одно из наиболее прямых доказательств этого факта демонстрация тотипотентности путем трансплантации ядра из дифференцированной соматической клетки в зиготу, лишенную ядра. Используя африканскую шпорцевую лягушку Xenopus laevis, Джон Гердон получил таким образом взрослых особей. Путем облучения большими дозами ультрафиолета из неоплодотворенных яиц функционально удаляется ядро; затем в каждое из яиц вводится дифференцированное ядро из клетки головастика; таким образом инициируется развитие. В ряде случаев яйца, в которые были введены ядра, развиваются во взрослых особей (рис. 17.1). Для доказательства того, что в развитии участвовало именно трансплантированное ядро, а не собственное ядро яйцеклетки, не погибшее при УФ-облучении, применяли генетическое маркирование. Для выделения яйцеклеток использовали линию, для которой было характерно наличие в ядре двух ядрышек по одному на каждый ядрышковый организатор двух гомологичных хромосом. Ядро соматической клетки было получено от особи, гетерозиготной по делеции ядрышкового организатора и имеющей поэтому в ядре только одно ядрышко. Все ядра в клетках особи, полученной в результате трансплантации ядра, имели только одно ядрышко. Таким образом, в этих случаях вся информация, необходимая для нормального развития, присутствует в ядре дифференцированной клетки и может быть вновь активирована и использована для повторения процесса развития.

Различными способами было показано, что контроль первоначальных этапов дифференцировки делящихся ядер определяется вне ядерными компонентами яйцеклетки, возникающими в процессе оогенеза. По крайней мере один из этих компонентов детерминанты будущих зародышевых клеток были идентифицированы и локализованы в яйцеклетке; показано, что они поступают только в клетки будущей зародышевой линии.

Детерминация клеток зародышевой линии у дрозофилы контролируется факторами, присутствующими в ооплазме задней части яйца. Зародышевые клетки происходят от полярных клеток (рис. 17.2), которые образуются перед формированием клеточной бластодермы (что обсуждается ниже), когда некоторые из ранних ядер дробления мигрируют в заднюю часть яйцеклетки. Существование детерминантов полярных клеток было показано путем инъекции ооплазмы задней части яйцеклетки в передний конец других яйцеклеток, где в это время формировались полярные клетки. При этом возникал эмбрион, имеющий полярные клетки как в заднем, так и в переднем конце. Функциональность этих дополнительных полярных клеток демонстрируется путем их трансплантации в третий эмбрион, находящийся на стадии пребласт-дермы, где они объединяются с полярными клетками этого эмбриона (рис. 17.2). Во время гаструляции, когда начинается упорядоченное движение клеток, полярные клетки мигрируют внутрь эмбриона и объединяются с соматическими клетками гонады; их потомки участвуют в образовании гамет взрослого насекомого. Контрольные эксперименты показывают, что ооплазма, взятая не из задней, а из других частей яйцеклетки, при трансплантации не приводит к образованию полярных клеток. В сходных экспериментах по трансплантации показано, что детерминанты зародышевых клеток появляются в яйцеклетке во время поздних стадий оогенеза, перед окончательным формированием зрелой яйцеклетки.

Рис. 17.2. А. Полярные клетки в заднем конце эмбриона дрозофилы образуются до формирования клеточной бластодермы. По крайней мере некоторые полярные клетки затем мигрируют в соматические гонады, где образуются примордиальные зародышевые клетки. (По Gehring W., 1973. In: Genetic Mechanisms of Development, ed. by F.H. Ruddle, Academic Press, New York, p. 107.) Б. Присутствие детерминантов полярных клеток в задней части яиц Drosophila melanogaster можно доказать путем трансплантации этой ооплазмы в те части других яиц, где полярные клетки обычно не образуются. Показанный на рисунке донор цитоплазмы взят из линии, в которой как Х-, так и У-хромосомы маркированы доминантными мутациями Ваг (В и #*) для того, чтобы выявить возможный перенос донорского ядра вместе с полярной цитоплаз* мой донора. Яйца-реципиенты взяты из линии, гомозиготной по мутациям третьей хромосомы multiple wing hair (mwh) (множественные щетинки на крыльях) и ebony (черный цвет тела) (еу). Трансплантированная полярная плазма индуцирует образование полярных клеток в месте инъекции в яйцо- реципиент. Функциональная природа индуцированных полярных клеток выявляется путем их трансплантации в задний конец эмбриона, чья Х-хромосома маркирована рецессивными мутациями yellow (У) (желтый цвет тела), singed (sn3) (опаленные щетинки) и maroonlike (imat) (коричневый цвет глаз), где они участвуют в формировании зародышевых клеток. Часть (но не все) гамет, образуемых взрослыми мухами, развивающимися из таких эмбрионов^ несет маркеры mwhe4, а не маркеры ysn3 mal. Следовательно, индуцированные полярные клетки, генотип которых соответствует генотипу яйца-реципиента, являются инстинными полярными клетками. (По Illmensee К., 1976. In: Insect Development, ed. by P. Lawrence, Blackwell, London, p. 86.)

Список использованной литературы

1. “Современная генетика” Айала Ф., Кайгер Дж., М. 1987г.

2. [http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/90253].

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

4. Корочкин Л.И. “Взаимодействие генов в развитии”, М. 1977 г.

Приложение

Рис. 1. Методика, применяемая для демонстрации тотипотентности ядра дифференцированной клетки

Рис.

Размещено на Allbest.ru