Генетические основы развития

Генетические основы развития

В настоящее время не подвергается сомнению тот факт, что индивидуальное развитие организма находится под генетическим контролем. В древности существовало представление о том, что в женских половых клетках уже присутствует сформированный зародыш, в яйцеклетках которого, в свою очередь, содержится еще более маленький зародыш и так далее. По подсчетам одного из основоположников сформулированной выше гипотезы А. Галлера в яичнике Евы должно было содержаться около 200 млрд. зародышей.  Сейчас очевидна несостоятельность этой теории. В половых клетках содержится не сам зародыш, а инструкция в виде заключенной в молекуле ДНК генетической информации, которая во взаимодействии с внешними факторами управляет развитием организма.

Огромное количество исследований посвящено анализу молекулярно-генетических основ онтогенеза. Процесс дифференцировки детально изучен на морфологическом уровне. В последние десятилетия произошел огромный прогресс в понимании биохимических и молекулярных превращений, участвующих в контроле развития. Однако до сих пор нет удовлетворительного ответа на вопрос, как из одной оплодотворенной яйцеклетки образуется более 200 гистологических типов клеток, составляющих наш организм. В первую очередь, это связано с тем, что процесс онтогенеза отличается необычайной сложностью и удивительной организованностью.

Зигота и различные специализированные клетки содержат одинаковые наборы генов, и это значит, что дифференцировка не сопровождается утратой генетического материала. Меняется лишь характер экспрессии генов. Мы уже говорили о том, что в специализированных клетках работают около 20% генов, причем наборы экспрессирующихся генов в разных типах клеток различны. Эти изменения, а также те, которые происходят в цитоплазме, в общем случае, носят необратимый характер.  В первую очередь, это касается утраты специализированными клетками свойства тотипатентности, то есть способности давать начало другим типам клеток. Эта способность присуща только клеткам ранних зародышей, и она в определенной мере сохраняется за стволовыми клетками. Таким образом, механизм генетического контроля эмбрионального развития ассоциирован с дифференциальной экспрессией генов.

Ядра специализированных клеток, а значит и ДНК, не теряют тотипатентности, и будучи трансплантированы в безъядерную зиготу, способны инициировать развитие и дать начало жизнеспособному организму. Впервые это было показано во второй половине XX века Дж. Гердоном в опытах на амфибиях. Продолжение этих исследований привело к появлению знаменитой овечки Долли и рождению на стыке эмбриологии и генетики нового направления по клонированию животных и растений. Это направление имеет огромные перспективы, в частности в трансплантологии, так как позволяет выращивать  из отдельных стволовых клеток специализированные ткани и даже органы. При этом может быть снята одна из самых серьёзных проблем трансплантологии – отторжение пересаженных тканей. Исследования по клонированию перспективны также для развития сельского хозяйства, так как позволяют получать точные генотипические копии высоко продуктивных животных и растений. Однако работы в области клонирования человека, то есть получения нового организма из соматической клетки реципиента, в настоящее время считаются недопустимыми. Это связано не только с большим количеством этических и правовых проблем, но и с недостаточной изученностью биологических аспектов клонирования, в частности взаимоотношений между цитоплазматическим и ядерным контролем развития. Исследования по генетике развития у нас в стране успешно проводились во многих научно-исследовательских центрах: в Москве под руководством Б. П. Астаурова, Б. В. Конюхова,   Нейфаха, в Ленинграде – П. Г. Светлова и Н. П. Дыбана, в Новосибирске – Л. И. Корочкина.

Еще Т. Морган высказал предположение о том, что начало индивидуального развития дрозофилы относится к периоду созревания яйцеклетки. В опытах по клонированию была доказана ведущая роль цитоплазмы в детерминации развития. Подчеркнем еще раз, что развитие из ядра соматической клетки происходит только в том случае, если оно помещено в детерминированную к развитию ооплазму оплодотворенной яйцеклетки. Наш выдающийся соотечественник эмбриолог П. Г. Светлов предложил особо выделять проэмбриональный период, который начинается с формирования половых клеток и заканчивается оплодотворением. В процессе женского гаметогенеза (оогенеза) происходит детерминация морфологических осей, типа симметрии, обособление кортикального слоя цитоплазмы и  участков, соответствующих будущим органам. По словам П. Г. Светлова «в ооците (предшественнике яйцеклетки) имеется как бы каркас, отражающий наиболее общие черты архитектоники строящегося организма».

В ооците экспрессируются практически все гены, и  в ооплазме накапливается большое количество материнских белков и мРНК, которые и управляют первыми этапами дробления зародыша. Таким образом, генотип матери в большей степени влияет на формирование признаков у потомства, чем генотип отца. В этом и заключается так называемый материнский эффект. Кроме того, в период созревания ооцита происходит формирование строго упорядоченной гетерогенности  цитоплазмы, так называемая ооплазматическая сегрегация, в ходе которой закладывается план строения будущего организма. Наблюдается постепенное падение концентрации белков и мРНК в направлении от анимального полюса к вегетативному. При механическом разрушении этого градиента развития зародыша не происходит. В зрелых ооцитах транскрипция не обнаруживается. Она восстанавливается только на стадии поздней зиготы, когда наблюдается прогрессивная активация или репрограммирование эмбрионального генома.

Напомним, что у человека первичные половые клетки закладываются  и вступают в мейоз уже в конце бластогенеза, то есть спустя две недели после оплодотворения, а их детерминация происходит еще раньше. Затем деление первичных половых клеток блокируется. Потенциальные яйцеклетки созревают в период половозрелости женщины до момента овуляции, когда снимается первый блок мейоза, причем мейоз заканчивается лишь с началом оплодотворения. Таким образом, одна оплодотворенная яйцеклетка физически связывает три поколения. И в некоторых случаях  последствия  неблагоприятных внешних воздействий в период детерминации и закладки первичных половых клеток плода беременной женщины могут проявиться в виде различных аномалий развития у ее внуков.

Ведущая роль в морфогенезе тканей принадлежит экспрессирующимся в раннем эмбриогенезе генам транскрипционных факторов — секреторных белков, служащих индуктивными сигналами для развития. Подобные белки способны взаимодействовать с регуляторными участками других генов и осуществлять активацию или репрессию так называемой «генной сети» — каскада генов, координированная экспрессия которых определяет специфические программы детерминации, дифференцировки и морфогенеза отдельных органов и тканей. Впервые система генетического контроля различных этапов онтогенеза эукариотических организмов была подробно изучена на дрозофиле. Гены транскрипционных факторов, участвующие в контроле онтогенеза, оказались наиболее консервативными в эволюции. Поэтому неудивительно, что подавляющее большинство таких генов у человека было открыто по гомологии с генами дрозофилы. Часто это находит отражение уже в самом обозначении гена.

Сегментация организма, включающая разделение на головной, грудной и брюшной отделы, также как генетический контроль пространственной организации градиентов морфогенетически активных белков, определяющих сегментацию, универсальны в животном мире. Последовательные этапы активации участвующих в этом процессе морфогенетических транскрипционных факторов хорошо изучены. На рис. 29 представлена упрощенная схема активации генов в онтогенезе дрозофилы.

 

Рисунок 29. Последовательные этапы активации генов в онтогенезе дрозофилы

При взаимодействии перекрывающихся градиентов морфогенетически активных белков, являющихся на первых этапах продуктами материнских генов, таких, в частности как bicoid, активируются гены группы gap, которые в свою очередь запускают гены группы pair, runt и др., что, в конце концов, приводит к локальной экспрессии самой многочисленной группы генов  сегментной полярности, в которую, в частности, входит ген hedgehog. После формирования границ каждого сегмента их специфические черты детерминируются гомеозисными генами. Эти гены содержат специфические гомеобоксыHox, Pax (pair-бокс), Sox (SRY-родственный HMG-бокс) и др.,  белковые продукты которых – гомеодомены — взаимодействуют с регуляторными участками ДНК, осуществляя активацию или репрессию соответствующей «генной сети».

У человека идентифицировано четыре кластера HOX-генов (A, B, C, D), в каждом из которых от 9 до 11 генов. Большинство мутаций в этих генах приводят к эмбриональной летальности, и только две из них ассоциированы с аутосомно-доминантными дефектами кистей и стоп. Мутации, связанные с наследственными болезнями человека, найдены в четырех из девяти PAX-генов. Более 20 генов группы SOX характеризуются тканеспецифической экспрессией в раннем эмбриогенезе. Гетерозиготные мутации в гене SOX9 человека являются причиной развития одной из форм тяжелой скелетной дисплазии, сопровождающейся реверсией пола.

Органогенез регулируется последовательными индуктивно-тканевыми взаимодействиями, реализация которых осуществляется с участием многих клеточных процессов, таких как пролиферация, адгезия, апоптоз, миграция и дифференцировка. В контроле ранних этапов органогенеза наряду с генами транскрипционных факторов ведущая роль принадлежит генам факторов роста и дифференцировки, их антогонистов и рецепторов.