Генетика онтогенеза

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.

Раздел 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 рибосомной 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 рибосомной 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.