Краткий конспект лекций по курсу «Генетика онтогенеза

Краткий конспект лекций по курсу «Генетика онтогенеза»
Генетика онтогенеза представляет собой область знаний, посвященную
изучению генетических основ регуляции процессов эмбрионального и
постэмбрионального развития организмов. Данное направление генетики
занимается исследованием молекулярно-генетических аспектов реализации
программ развития, а также выявлением роли эпигенетических факторов в
такого рода реализации, изучением времени и места действия конкретных генов
в ходе онтогенеза, а также анализом фенотипических проявлений мутаций
генов, управляющих развитием, и факторов, их вызывающих, что имеет
первостепенное значение для медицины.
Представления о генетической основе развития стали формироваться
относительно недавно. У истоков генетики онтогенеза стоял целый ряд ученых,
однако самое значительное влияние на появление данного направления в науке
оказали четверо из них. Это Эдмунд Вильсон, Теодор Бовери, Ганс Дриш и
Томас Морган. Каждый из них начинал свою карьеру как эмбриолог. Таким
образом, эмбриологию, наряду с собственно генетикой, можно считать одной
из прародительниц генетики онтогенеза.
Одними из основных объектов генетики развития являются дрожжи
Saccharomyces cerevisiae, нематода Caenorhabditis elegans, плодовая мушка
Drosophila melanogaster и мышь (Mus musculus). Еще одним модельным
объектом, используемым, хотя и не так часто, в экспериментах по генетике
онтогенеза является тропическая пресноводная рыбка Danio rerio
Открытие технологий клонирования генов и конструирования векторов
экспрессии, позволившие изучать эукариотические гены в простых и удобных
прокариотических системах, и появление технологии клеточных культур стало
огромным толчком в развитии генетики онтогенеза.
Из классической генетики был позаимствован подход индуцированного
мутагенеза, сопровождающийся отбором форм с теми или иными
отклонениями (например, симптомами заболеваний человека, что особенно
актуально для медицинской генетики) с последующим поиском геновкандидатов, мутации в которых приводят к такому фенотипическому
проявлению. Анализ генных регуляторных сетей и молекулярно-генетических
каскадов, управляющих процессами развития, позволил говорить если не об
идентичности, то о высокой степени гомологии таковых для филогенетически
далеких групп организмов.
В настоящее время все большее значение для генетики развития
приобретают методы системной биологии – науки, осуществляющей
интеграцию знаний, полученных на различных уровнях организации жизни (от
молекулярного до тканевого или организменного), при помощи разных
экспериментальных и теоретических методов. Такие методы, как
математическое и компьютерное моделирование, стали неотъемлемой частью
генетики онтогенеза, позволяющей получать данные о процессах, воссоздать
которые в деталях в экспериментальных условиях пока не представляется
возможным.
Современные технологии, включающие также секвенирование и анализ
генома человека и модельных объектов, интерактомные карты, нокаут генов,
технологии микрочипов и многие другие, которые будут рассмотрены в данной
главе, позволили получить огромный объем информации о молекулярногенетических механизмах регуляции развития растений, животных и даже
человека.
Поддержание жизнедеятельности клеток, а тем более их размножение и
направленная дифференцировка в процессе онтогенеза, зависят от
многочисленных сигналов, поступающих в клетку извне или генерируемых в
ней самой. В первом случае передача информации осуществляется посредствам
внеклеточных химических сигналов, которые представлены гормонами,
ростовыми факторами или нейротрансмиттерами. Эти молекулы связываются
со специфическими рецепторами, локализованными на плазмалемме, и
запускают серию последовательных реакций, в результате которых
активируются те или иные эффекторы внутри клеток. Во втором случае
регуляторные сигнальные каскады активируются в ответ на внутриклеточные
стимулы, называемые метаболическими мессенджерами.
Большинство из известных на сегодняшний день сигнальных каскадов
функционируют на всех этапах онтогенеза, а некоторые из них, помимо участия
в формообразовательных процессах, контролируют еще и гомеостаз клеток и
базовые этапы клеточного обмена веществ и энергии, что обеспечивает жизнь
клетки как таковую. Поэтому иногда очень сложно определиться с тем, какие
сигнальные каскады являются собственно онтогенетическими, а какие можно
отнести исключительно к каскадам «домашнего хозяйства», чаще всего одни и
те же регуляторные каскады способны выполнять обе функции, причем в
зависимости от стадии развития организма одна из них может преобладать.
Какая из активностей будет преобладать в данный конкретный момент,
определяется сигналами, поступающими из окружения, в котором
локализуются клетки.
Начиная разговор об индивидуальном развитии организма, необходимо
помнить, что самые ранние этапы этого процесса контролируются продуктами
генов, экспрессия которых осуществляется еще в организме родителей, а
именно в линии предшественников половых клеток. В связи с этим актуальным
является начало изучения онтогенетических процессов именно с событий,
приводящих к формированию клеток герминативной линии и генов,
контролирующих корректное обособление и поддержание этой линии.
Клетки герминативной линии представляют собой особый тип клеток,
основная функция которых заключается в передаче генетической информации в
ряду поколений. В противоположность им соматические клетки дают начало
лишь разнообразным клеткам тела, которые имеют ограниченную
продолжительность жизни и постепенно заменяются новыми клетками,
возникающими из стволовых.
Образование клеток герминативной линии происходит в раннем
эмбриогенезе. Различают два основных пути формирования данного типа
клеток. Первый путь характерен для большинства известных живых
организмов, за исключением млекопитающих. За закладку половых клеток в
данном случае отвечает особый участок цитоплазмы, который хорошо
различим в микроскопе уже на стадии одноклеточной зиготы, и называется
герминативной или зародышевой плазмой. В данной области локализованы
особые мРНК и РНК-связывающие белки, а также митохондрии и рибосомы,
которые при последующих делениях зиготы будут накапливаться в
ограниченном числе клеток, которые затем и станут половыми. Такой тип
спецификации половых клеток продемонстрирован для большинства
модельных объектов: C. elegans, D. melanogaster, Xenopus laevis и D. rerio.
Исторически сложилось так, что герминативная плазма у различных модельных
организмов носит различные названия (например, P-гранулы у C. elegans,
полярная плазма у D. melanogaster, эктосомы у низших ракообразных и
герминативная плазма у X. laevis), однако, по сути своей представляет одно и то
же. Отличительной чертой такого способа спецификации является то, что
образование линии герминативных клеток и ее обособлении от линии
соматических клеток в эмбриогенезе происходит до стадии гаструляции. Еще
одна особенность заключается в том, что гены, ответственные за формирование
зародышевой плазмы, являются высоко консервативными и обнаруживаются у
большого числа филогенетически далеких организмов. Число таких генов
ограничено, к ним относятся Oskar, Vasa, Tudor, Germ cell-less и Aubergine.
Гомологи некоторых из этих генов обнаружены и у млекопитающих и играют у
них важную роль в образовании половых клеток, хотя зародышевая плазма в
данном случае не играет никакой роли в этом процессе.
Второй путь развития клеток герминативной линии характерен
исключительно для млекопитающих. В данном случае в зиготе и бластомерах
отсутствуют половые детерминанты, а первичные половые клетки
обособляются относительно поздно, на стадии гаструляции на 7-е сутки после
оплодотворения. Ключевую роль в этом процессе играют сигналы,
поступающие от окружающих клеток. Спецификация первичных половых
клеток у млекопитающих происходит в области проксимального эпибласта под
влиянием Bmp4- и Bmp8b-сигналов (Smad-сигналинг), генерируемых
соседними клетками внезародышевой эктодермы, а также Bmp2-сигналов,
вырабатываемых клетками гипобласта (внезародышевой эндодермы).
Оплодотворением называется слияние ооцита и сперматозоида,
сопровождающееся объединением их гаплоидных ядер в диплоидное ядро, в
результате чего формируется зигота. Оплодотворение представляет собой
достаточно сложный процесс, состоящий из нескольких стадий. Во-первых,
стадии взаимного узнавания гамет посредствам специфических рецепторов,
находящихся на их поверхности. Во-вторых, стадии слияние половых клеток и,
наконец, стадии активация яйца. Все этапы процесса оплодотворения находятся
под четким генетическим контролем. Достоверно известно, что важнейшую
роль в нормальном протекании процесса оплодотворения и дальнейшем
обеспечении формирования и развития зародыша играют продукты так
называемых «материнских» генов, транскрипты которых накапливаются в
цитоплазме ооцита, как правило, задолго до овуляции. Роль сперматозоида в
процессах развития долгое время недооценивалась. Механизмы некоторых
процессов, запускаемых сперматозоидом в зиготе, до конца не изучены и
сейчас, однако, необходимо отметить несколько ключевых моментов,
касающихся, в первую очередь, начальных этапов оплодотворения, роль в
которых спермия бесспорна. Во-первых, это активация ооцита, без которой
невозможна дальнейшая реализация программы развития зародыша. Несмотря
на различия деталей этого процесса у разных групп организмов, можно
выделить некоторые общие черты: блок полиспермии – механизм,
препятствующий проникновению в ооцит более чем одного спермия;
временное увеличение внутриклеточной концентрации Са2+, необратимое
увеличение pH, завершение мейоза ооцита и стимуляция деградации одних
материнских белков и мРНК и активации трансляции других. Во-вторых,
передача центросомы, которая обеспечивает полимеризацию микротрубочек,
участвующих в миграции пронуклеусов и формировании веретена деления. И,
наконец, сперматозоид является равноправным с ооцитом донором
генетической информации сформировавшегося нового организма. В настоящее
время все больше сведений появляется о роли регуляции вышеперечисленных
процессов посредствам «отцовских» генов (так называемых PEL-генов, от англ.
«paternal-effect embryonic-lethal»), белковые продукты которых накапливаются
в процессе сперматогенеза и созревания спермы. К настоящему времени
некоторые PEL-гены идентифицированы у Drosophila (pal и ms(3)K81 гены) и
Caenorhabditis elegans (spe-гены).
(из Nature cell biology, vol 3 February 2001, P.M. Wassarman, L Jovine, E. S. Litscher)
В результате оплодотворения образуется зигота, представляющая собой
начальный этап онтогенетического развития нового организма. Первые деления
дробления зиготы являются критичными для дальнейшего развития всех живых
организмов, так как именно входе их устанавливаются три ключевые оси
полярности: передне-задняя (ПЗ), дорсо-вентральная (ДВ) и ось, определяющая
правую и левую стороны зародыша (ПЛ). Формирование осей полярности у
представителей всех систематических групп – это важнейший этап, в
осуществлении которого задействован целый ряд генов «отцовского» и
«материнского» эффектов, именно этот этап определяет направление всего
дальнейшего развития.
После установления осей полярности в зиготе начинается следующие
этапы развития – дробление и гаструляция. Эти процессы могут существенно
отличаться у представителей различных систематических групп, однако
использование технологии синэкспрессионного анализа позволило установить
наличие высоко консервативных в эволюционном плане семейств генов (nodal,
activin, chordin, pdgf, noggin и т.д.). В настоящее время ведется активное
исследование механизмов и способов гаструляции, а также вероятных
нарушений этого процесса, приводящих к возникновению тех или иных
аномалий развития.
Что касается следующего этапа эмбрионального развития – органогенеза,
то его протекание осуществляется под контролем генов, кодирующих основные
компоненты консервативных сигнальных каскадов: Wnt, Notch и Smad. Именно
эти сигнальные пути, а в особенности Notch, будут управлять формированием
разнородных клеточных пластов, очерчивать границы будущих органов и
контролировать процессы васкуляризации. Естественно, генетическая
регуляция органогенеза не ограничивается лишь тремя сигнальными путями, а
является более сложным, комплексным процессом, успех которого во многом
определяется корректным протеканием предыдущих стадий эмбрионального
развития.
(из Cell Signalling Biology Michael J. Berridge _ Module 8 _ Development)
После рождения организма эмбриональный период онтогенеза
заканчивается и наступает постэмбриональный. В рамках данного периода
выделяют несколько стадий, названия которых отличаются в зависимости от
филогенетической принадлежности организма: у растений это ювенильный,
виргинальный и генеративный периоды, у человека, например, это детство,
юношество, молодость, зрелость и старость. Независимо от наименования
стадий постэмбрионального развития, конечной биологической целью его
является формирование репродуктивно зрелого организма, способного давать
потомство. Что касается закладки основных органов и их систем, то она, как
правило, заканчиваются в эмбриональном периоде онтогенеза. Однако
дальнейшее совершенствование и развитие образованных систем органов
происходит на постэмбриональной стадии.
(из IOVS, February 2004, Vol. 45, No. 2, Norman et al.)
Основными процессами в данный период являются процессы роста и
развития систем, сформированных в эмбриогенезе. В связи с этим происходят и
серьезные изменения в характере генной экспрессии. На первое место на
данном этапе онтогенеза выходят так называемые гены «домашнего хозяйства»,
которые контролируют обычные метаболические активности клеток,
поддерживая их жизнеспособность и воспроизведение. Кроме того, широко
известно, что процессы роста и созревания, как у растений, так и у животных,
контролируются гормонами, следовательно, происходит активация генных
сетей, ответственных за продукцию гормонов и восприятия передаваемых ими
сигналов.
Широко известно, что ведущую роль в постэмбриональном развитии
играют гормоны и рилизинг-факторы. Необходимо отметить, что многие из
этих соединений присутствуют в зиготе и на самых ранних этапах развития,
являясь «материнскими» факторами. К таким гормонам относятся, например,
стероиды и тиреоидные гормоны. По мере формирования у плода собственных
желез секреции, многие гормоны начинают продуцироваться и самим
зародышем, регулируя его дальнейшее развитие.
В отличие от целого ряда генов, активность которых крайне важна только
на определенных стадиях эмбриогенеза, роль гормонов на постэмбриональном
этапе онтогенеза не только не уменьшается, а, наоборот, увеличивается.
Большинство гормонов проявляют свою активность путем изменения характера
экспрессии целого ряда генов в зависимости от стадии развития организма и
конкретного типа тканей. Если действие гормонов на организм в целом мы в
общих чертах себе представляем, то конкретные гены-мишени многих
гормонов требуют уточнения. В настоящее время установлено, что все гормоны
представляют собой лиганды, способные связываться с определенными
рецепторами на поверхности клеток. Каждая клетка имеет определенный набор
рецепторов, что позволяет ей реагировать только на определенные
гормональные стимулы. Однако конкретный ответ клетки будет зависеть не
только от типа лиганда. Известно, что один и тот же гормон может связываться
с разными рецепторам, которые, в свою очередь, инициируют различные
молекулярные каскады и, соответственно, клеточные ответы. Причем даже
одна и та же клетка может обладать различным набором рецепторов к одному и
тому же гормону. В тоже время, клетки различных тканей, обладающие
идентичными рецепторами к данному гормону, в силу иных молекулярногенетических особенностей могут демонстрировать противоположные реакции
(например,
ацетилхолин
вызывает
сокращения
поперечнополосатой
мускулатуры и расслабление сердечной).
Известно, что в зависимости от вида организма, полное формирование
некоторых органов не заканчивается периодом эмбрионального развития, а
продолжается в зависимости от конкретной структуры в течение нескольких
дней или месяцев после рождения. Одними из таких примеров являются
зрительный аппарат, костная и нервная системы большинства высших
позвоночных животных.
В силу высокой сложности центральной нервной системы и глобальной
регулирующей функции в отношении всех остальных систем органов, ее
развитие
не
оканчивается
эмбриогенезом,
а
продолжается
в
постэмбриональный период. Ключевое влияние на такое развитие оказывают
факторы окружающей среды. На ранних этапах постэмбрионального периода
нервная система характеризуется высокой степенью пластичности, которая
утрачивается по мере взросления. Пластичность нервной системы проявляется,
прежде всего, в глобальной перестройке межнейронных контактов и
возникновению новых синапсов, в ответ на стимулирующие сигнал,
поступающий из нового окружения организма.
Ключевую роль в таких глобальных перестройках играют
эпигенетические влияния, в основе которых лежит изменение экспрессии генов,
не затрагивающее последовательности ДНК, но вызванное изменением
структуры хроматина или модификацией нуклеотидов. К важнейшим
эпигенетическим факторам можно отнести микроРНК, метилирование ДНК и
посттрансляционную модификацию нуклеосомных гистонов.
(из Current Opinion in Neurobiology 2009, 19:1–6 М. Fagiolini et al)
Интересные данные по изучению степени метилирования промотора еще
одного белка – BDNF-белка (от англ. «brain derived neurotrophic factor»), были
получены Roth и соавторами: ими было показано, что степень метилирования
данного региона зависит от того, насколько благоприятные моральнопсихологические условия складываются для ребенка в раннем детстве.
Отсутствие должной заботы и ухода приводит к резкому скачку степени
метилирования, однако самым поразительным оказалось то, что это изменение
закреплялось и наследовалось вплоть до F1.
Эти экспериментальные данные свидетельствуют о том, что
неблагоприятные условия конца эмбрионального – начала постэмбрионального
периодов могут приобретать стойкий, персистирующий характер, имеющий
совершенно конкретное молекулярно-генетическое проявление, выраженное в
степени метилирования ДНК.
Материнская забота оказывает также огромное влияние и на
формирование синапсов в центральной нервной системе потомства, от
количества которых напрямую зависит развитие всех видов памяти.
Предположительной точкой действия данного фактора является специфический
сигнальный каскад NMDAr/p38/LTP, функционирующий в гиппокампе.
Результатом работы данного каскада является повышение степени
ацетилирования гистонов (присоединение –COCH3-групп), которое, как
известно, способствует образованию более открытой структуры хроматина и
облегчает транскрипцию.
Под эпигенетическим контролем находится огромное количество
процессов в организме, а кроме того осуществляется социальное общение через
химические стимулы – ферромоны. Показано, что ферромоны, представляющие
собой низкомолекулярные молекулы, способны воздействовать на
обонятельные рецепторы, вызывая генерацию электрических импульсов,
которые направляются в головной мозг, а точнее к особой группе нейронов,
локализованных в гипоталамусе. В ответ на подобные воздействия данная
группа нейронов меняет уровень экспрессии генов гормона гонадолиберина,
под контролем которого находится продукция половых гормонов в организме .
Наиболее ярким примером эпигенетического влияния на биологические
процессы является генетический импритинг. Под генетическим импритингом
понимают разницу в уровне экспрессии аллелей некоторых генов у гибрида в
зависимости от того, от какого организма – материнского или отцовского –
данный аллель был получен. Этот процесс является отражением различных
эпигенетических модификаций наследственного материала, которые
происходят в родительских организмах под влиянием внешних факторов,
гормональных стимулов, а также активности других генов. В основе
генетического импритинга лежит зависимое от пола дифференциальное
метилирование особых участков ДНК, называемых ICRs (от англ. «imprinted
control regions»), а также триметилирование гистона Н3 по остатку лизина 27,
которое осуществляется продуктами генов Polycomb-группы.
Все
вышесказанное
свидетельствует
об
огромном
значении
эпигенетических влияний в постэмбриональный период онтогенеза. Однако
необходимо отметить, что наибольший эффект эпигенетических факторов
регистрируется в достаточной узкий период постэмбрионального развития,
называемый критическим периодом. Роль внешних импульсов, получаемых
организмом из окружающей среды на этом этапе огромна.
Последний завершающий этап индивидуального развития организма,
старение, в настоящее время вызывает наибольший интерес у ученых.
Несмотря на интенсивные исследования до сих пор не разработано
универсальной теории, объясняющей причины и механизмы, лежащие в основе
износа органов и тканей. В настоящее время старение представляется нам
многофакторным процессом, в основе которого лежат клеточное старение,
апоптоз и непостоянство генома.
Процессы старения имеют свои видовые особенности. Как правило, не
всегда скорость старения согласуется с общей продолжительностью жизни.
Выделяют виды с высокой скоростью старения, постепенным старением,
незначительным старением и отрицательным старением.
Огромное влияние на продолжительность жизни и темпы старения
оказывают внешне средовые стимулы (абиотические факторы, внутри- и
межвидовые взаимоотношения). Показано, что реализация этих влияний, так
или иначе, осуществляется через изменение экспрессии генов, хотя
промежуточные этапы такой реализации нам, как правило, не вполне ясны.