Лекция №12 Молекулярно-генетични механизми на онтогенезата
Реализация на наследствената информация при формирането на дефинитивния фенотип.
Селективна активност на гените в развитието.
Механизми на онтогенезата на клетъчно и организмово ниво.
Основният въпрос на биологията: колко различни видове клетки възникват от едно яйце! А от един генотип - няколко хиляди различни фенотипа?
При бозайниците повече от 1000 различни вида клетки се образуват от една зигота.
Карл Маркс: "Всяко развитие, независимо от неговото съдържание, може да бъде представено като поредица от различни етапи на развитие, свързани помежду си по такъв начин, че единият е отрицание на другия."
Развитиетое непрекъснат процес на промяна, обикновено придружен от увеличаване на теглото, размера, промяна във функцията. Почти винаги включва растеж, който може да се дължи на увеличаване на размера или броя на клетките. Теглото на яйцето е 1*10x(-5)g, сперматозоидът е 5x10(-9)g. При новородено - 3200гр.
Едно увеличение на масата е невъзможно да се осигури образуването на признаци, характерни за тялото.
- образуване на нова форма, морфогенеза.
Нарушаването на всеки етап може да доведе до малформации и деформации.
Детерминация- ограничаване, дефиниране - прогресивно ограничаване на онтогенетичните възможности на ембрионалните клетки. Това означава, че на етапа на определяне клетките се различават по своите морфологични характеристики от ембрионалните клетки, но функциите все още се изпълняват от ембрионални клетки. Тези. определени клетки все още не са способни да изпълняват специални функции. При бозайниците детерминираните клетки се появяват на етап осми бластомер. Химерни, алоферни организми. Катомишка обект на изследване. Ембрионите на мишки на етап 8 бластомери се извличат с помощта на ензима проназа и се разделят на отделни бластомери, бластомери от различни животни се смесват в епруветка и след това се зашиват в матката. Резултатът е нормални животни, но цветът на частите е различен, т.к. оригиналните форми бяха различни цветове. Ако такава операция се извършва на по-късни етапи от ембриогенезата, смъртта на животните, което доказва определянето на клетките на този етап.
Процесът на определяне е под генетичен контрол. Това е поетапен, многоетапен процес, който все още не е добре проучен. Очевидно основата на детерминацията е активирането на определени гени и синтеза на различни иРНК и, вероятно, протеини.
Детерминацията може да бъде нарушена, което води до мутации. Класически пример е развитието при мутанти на Drosophila вместо антени на устния апарат - крайници. Образуване на крайници на нехарактерни места.
Разграничаване. Детерминистичните клетки постепенно влизат в пътя на развитие (неспециализираните ембрионални клетки се превръщат в диференцирани клетки на тялото). Диференцираните клетки, за разлика от детерминираните, имат специална морфологична и функционална организация. В тях протичат строго определени биохимични реакции и синтеза на специални протеини.
Чернодробни клетки - албумин.
Епидермалните клетки на кожата са кератин.
Мускули - актин, миозин, миелин, миоглобин.
Млечни жлези - казеин, лактоглобулин.
Щитовидната жлеза е тиреоглобулин.
Лигавицата на стомаха е пепсин.
Панкреас - трипсин, химотрипсин, амилаза, инсулин.
По правило диференциацията настъпва в ембрионалния период и води до необратими промени.плурипотентни клетки на ембриона.
Синтезът на специални протеини започва в много ранни етапи на развитие. По отношение на етапа на раздробяване: бластомерите се различават един от друг в цитоплазмата. Цитоплазмата на различните бластомери съдържа различни вещества. Ядрата на всички бластомери носят еднаква генетична информация, т.к имат същото количество ДНК и същия ред на базовите двойки. Въпросът за специализацията все още не е отговорен.
1939 г. Томас Морган изказва хипотезата: „Клетъчната диференциация е свързана с активността на различни гени в един и същи геном.“ Понастоящем е известно, че около 10% от гените работят в диференцирани клетки, докато останалите са неактивни. Поради това специфични гени функционират в различни видове специализирани клетки. Специални експерименти за трансплантация на ядра от чревни клетки на попова лъжица в безядрена яйцеклетка показаха, че генетичният материал се запазва в диференцирани клетки и спирането на функционирането на определени гени е обратимо. Ядрото е отстранено от яйцето на жабата, ядрото е взето от чревната клетка на поповата лъжица. Развитието не е настъпило, понякога ембриогенезата протича нормално. Структурата на възрастна жаба се определя изцяло от ядрото.
Функционирането на гените по време на развитието на многоклетъчния организъм се влияе от сложни и непрекъснати взаимодействия между ядрото и цитоплазмата и междуклетъчните взаимодействия.
Диференциацията се регулира на ниво транскрипция и на ниво транслация.
Нива на регулиране на клетъчната диференциация.
на ниво транскрипция.
-участие на белтъци – хистони, които образуват комплекс с ДНК.
ДНК региони, покрити с хистон, не са в състояние на транскрипция, докато региони без хистонови протеини се транскрибират. По този начин, протеиниучастващи в контрола на четливите гени.
Хипотеза за диференциалната активност на гените: „Предположението, че в различни гени на диференцирани клетки различни ДНК региони са потиснати (затворени за четене) и следователно се синтезират различни видове иРНК.“
на ниво излъчване.
В ранните етапи на ембрионалното развитие целият протеинов синтез се осигурява от матрици, създадени в яйцето преди оплождането под контрола на неговия геном. Синтезът на i-RNA не се случва, естеството на протеиновия синтез се променя. При различните животни синтезът се включва по различен начин. При земноводните, синтезът на иРНК след 10-то делене, синтезът на тРНК на етапа на бластула. При хората синтезата на иРНК след 2-ро делене. Не всички i-RNA молекули в яйцето се използват едновременно за синтеза на полипептиди и протеини. Някои от тях мълчат известно време.
Известно е, че по време на развитието на организма полагането на органи става едновременно.
Хетерохрониятае модел, който предполага неедновременно развитие.
Процесът на клетъчна диференциация е свързан с депресията на определени клетки. В процеса на гаструлация генната депресия зависи от влиянието на нееднаква цитоплазма в ембрионалните клетки. В органогенезата междуклетъчните взаимодействия са от първостепенно значение. По-късно регулирането на генната активност се осъществява чрез хормонални връзки.
В ембриона различните региони си влияят взаимно.
Ако ембрионът на тритона се раздели наполовина на етап бластула, тогава от всяка половина се развива нормален тритон. Ако същото се направи след началото на гаструлацията, от едната половина се образува нормален организъм, а другата половина дегенерира. Нормален ембрион се образува от половината, където се намира дорзалната устна на бластопора. Това доказва това
дорзални устни клеткиимат способността да организират програмата за развитие на ембриона
никакви други клетки не са способни да направят това.
Дорзалната устна индуцира образуването на мозъка и гръбначния мозък в ектодермата. Самият той се диференцира в дорзалната хорда и сомити. В бъдеще много съседни тъкани обменят индукционни сигнали, което води до образуването на нови тъкани и органи. Функцията на индукционния сигнал се изпълнява от локални хормони, които стимулират растежа. Диференциация, служи като фактори на хемотаксиса, инхибира растежа. Всяка клетка произвежда хормон с локално действие - калон, който инхибира навлизането на клетките в синтетичната фаза на митозата и временно инхибира митотичната активност на клетките в тази тъкан и заедно с антикейлон насочва клетките по пътя на диференциация.
Морфогенеза– образуване на форма, приемане на нова форма. Формообразуването най-често възниква в резултат на диференциален растеж. Морфогенезата се основава на организираното движение на клетки и групи от клетки. В резултат на движението клетките влизат в нова среда. Процесът протича във времето и пространството.
Диференцираните клетки не могат да съществуват самостоятелно, те си сътрудничат с други клетки, образувайки тъкани и органи. При формирането на органите е важно поведението на клетките, което зависи от клетъчните мембрани.
Клетъчната мембрана играе роля в изпълнението
Междуклетъчен контакт– подвижните клетки влизат в контакт и се разделят, без да губят подвижността си.
Адхезия– клетките, които влизат в контакт, се притискат една към друга за дълго време.
Агрегация –между прилепналите клетки се появяват специални съединителнотъканни или съдови структури, т.е. образуването на прости клетъчни агрегати от тъкани или органи.
Заобразуването на орган изисква наличието в определено количество на всички клетки, които имат общо органно свойство.
Експериментирайте с дезагрегирани клетки на земноводни. Взети са 3 тъкани - епидермиса на невралната пластинка, зоната на невралните гънки, клетките на чревната ектодерма. Клетките са произволно дезагрегирани и смесени. Клетките започват постепенно да се сортират. Освен това процесът на сортиране продължава, докато се образуват 3 тъкани: отгоре е слой от епидермална тъкан, след това невралната тръба, а отдолу е натрупване на ендодермални клетки. Това явление се нарича клетъчна сегрегация - селективно сортиране.
Клетки от очни зачатъци и хрущял бяха смесени. Раковите клетки не са способни на сегрегация и са неотделими от нормалните клетки. Останалите клетки подлежат на сегрегация.
Критични периоди на развитие.
Критичен период– период, свързан с промяна в метаболизма (превключване на генома).
В онтогенезата на човека има:
1. развитие на зародишни клетки
3. имплантиране (7-8 седмици)
4. развитие на аксиалните органи и образуване на плацентата (3-8 седмици)
5. етап на растеж на мозъка (15-20 седмици).
6. формиране на основните функционални системи на тялото и диференциация на репродуктивния апарат (10-14 седмици).
7. раждане (0-10 дни)
8. периода на кърмаческа възраст - максималната интензивност на растежа, функционирането на системата за производство на енергия и др.
9. предучилищна възраст (6-9 години)
10. пубертетен - за момичета 12. за момчета 13г.
11. края на репродуктивния период за жените - 55, за мъжете - 60 години.
По време на критични периоди на развитие се появяват мутации, така че човек трябва да бъде внимателен към тези периоди. Всички генетични програми са свързани с детски заведения.
Наследствените дефекти (малформации) се причиняват от промени в генотипа на родителите по време на гаметогенезата.
Наследствени уродства - изразени поради увреждащи фактори на околната среда.
Описани са около 50 форми на наследствена глухота. Около 250 очни аномалии, около 100 скелетни аномалии.
В развитието на организма голямо значение имат имунната, ендокринната и нервната системи.
Имунната система допринася за запазването и възникването на живота, контролира постоянството на генотипа и изпълнява контролни функции. В ранните етапи на ембриогенезата се образува от стволови клетки.
Тимусът се развива до 2-месечна възраст, избледнява до пубертета.
Имунната система изчиства тялото от мутиращите генотипове.