Механизмы избирательной активности генов

Согласно полностью подтвердившейся гипотезе «один ген - один фермент», сформулированной в 1941 году (Дж. Бидл и Э. Татум за это открытие в 1958 году были удостоены Нобелевской премии), каждый ген контролирует синтез одного фермента. Однако принцип экономии (а все экономно работающие механизмы получают селективное преимущество в эволюции) требует, чтобы в клетке синтезировались только те ферменты, которые необходимы в данных обстоятельствах. Такой организм не будет расходовать вещество и энергию на ненужные синтезы, имея потенциальный резерв генов, которые в случае нужды он может снова использовать. Поэтому гены, кодирующие синтез ненужных на данной стадии развития ферментов, инактивированы (избирательно блокированы).

В ходе эволюции сформировался ряд специальных механизмов избирательной активации генов. Один из них осуществляется с участием белков с низким молекулярным весом (2000-10000), вхо­дящих в состав хромосом - гистонов. Сое­диняясь с определёнными генами в цепи ДНК, гистоны препятствуют преждевременному считыванию информации, которая понадобится позже. Возможно, что и другие (негистоно­вые) белки, в т.ч. такие, синтез которых опре­деляется генами-регуляторами, участвуют в инактивации генов, входящих в состав оперо­на (транскриптона).

Современными исследованиями показано, что структурные перестройки ДНК (инсер­ции) влияют на активацию генов. Инсерция (врезание молекулы ДНК или её фрагмента в ген) приводит к инактивации гена.

Общепризнанным является тот факт, что разные участки цитоплазмы зиготы (яйцеклет­ки), различающиеся молекулярной и субклеточ­ной структурой и отходящие в различные блас­томеры, влияют на активацию и инактивацию генов ядер этих бластомеров. Следовательно, различия участков цитоплазмы ранних блас­томеров, как следствие явления ооплазматической сегрегации, могут обеспечивать акти­вацию-инактивацию различных однотипных клеточных ядер.

Наблюдение над политенными (гигантс­кими, состоящими из нескольких сот и даже тысяч хромонем) хромосомами секреторных клеток слюнных желез насекомых показало наличие расширений или вздутий - пуф
(рис. 119). Как оказалось, в области пуф хро­монемы деспирализованы. Участки, в которых появляются пуфы, меняются в ходе онтогенеза в зависимости от стадии развития. По общему признанию, деспирализованные участки явля­ются активными, служащими матрицей для биосинтеза иРНК. Поэтому изменение морфофункционального состояния ДНК путём спирализации-деспирализации ДНК обоснованно рассматривается в качестве одного из основных механизмов избирательной активации генов.

На избирательную активность генов влияют перемещения (морфо­генетические движения) клеток, их пространственное расположение (рис. 116). Они обеспечиваются способностью клеток к активному движению и адгезивности (избирательному образованию контактов друг с другом, в котором важную роль играет гликокаликс). Соседние клетки оказывают физические, химические и др. влияния на мигрировавшие и вступившие с ними в контакт клетки, избирательно активируя-инактивируя гены их ядер. Морфогенетические движения клеток являются одним из механизмов избирательной активации генов.

На дифференциальную активность генов оказывают влияние гормоны, которые выделяются специализированными клетками и целенаправленно действуют на другие клетки и ткани. У млекопитающих известно более 40 гормонов. Различают 3 группы гормонов: а) пептидные и белковые (инсулин, соматотропин, пролактин, лютеинизирующий и др.); б) производные аминокислот (адреналин, норадреналин, тироксин); в) стероидные (андрогены и эстрогены). Под контролем гормонов протекают все основные процессы клеточного метаболизма (начиная с зиготы), включая транскрипцию генома, регуляцию активности генов.

Регуляция генетической активности имеет важное значение в приспособлении организмов к изменяющимся условиям среды. К сожалению, несмотря на достижения молекулярной биологии и генетики, многие вопросы дифференциальной активности генов в онтогенезе далеки от разрешения и остаются без ответов.

8.4. Целостность онтогенеза.
Интеграция в развитии. Понятие о корреляциях

На всех этапах развития зародыш представляет собой целостность благодаря тому, что на всех уровнях его организации (молекулярном, клеточном, тканевом и др.) осуществляется интеграция. Под интеграцией рассматривают объединение и координацию действий разных частей живой системы. Механизмы интеграции в применении к биологическим объектам в общей форме изучают биокибернетика и теория систем. Наиболее известная форма интеграции в эмбриогенезе - эмбриональная индукция.

Эмбриональная индукция - это взаимодействие между частями развивающегося организма, в процессе которого одна часть (индуктор), приходя в контакт с другой частью (реагирующей системой), определяет направление развития последней. Явление индукции открыто в
1901 году немецким эмбриологом, лауреатом Нобелевской премии 1935 года Х. Шпеманом (1869-1941) при изучении образования у земноводных хрусталика глаза из эктодермы под действием зачатка глаза: образующийся как выпячивание переднего отдела стенки нерв­ной трубки глазной пузырь, выступающий в роли индуктора, приходя в контакт с эктодермой (реа­гирующей системой), обусловливает развитие из последней хрусталика. Способность реагирую­щей системы к восприятию индуктивного воз­действия получила название компетенции. Поз­же Х. Шпеман показал, что для образования у земноводных нервной пластинки из эктодермы необходим контакт эктодермы с хордомезодер­мой. Последняя осуществляет роль индуктора или, по термино логии Х. Шпемана, организатора. Начало принципиально новому периоду изучения эмбриональной индукции положил опыт Х. Шпе­мана и Г. Мангольда, результаты которого были опубликованы в 1924 году. В нём дорсальная губа бластопора, подстилающая снизу эктодерму, развивающуюся в структуры нервной системы, вырезалась из зародыша гребенчатого тритона на стадии ранней гаструлы и пересаживалась под эктодерму брюшной стороны (рис. 121), дающую в дальнейшем эпидермис кожи, зародыша примерно той же стадии развития обыкновенного (пигментированного) тритона. В итоге на брюшной стороне зародыша-реципиента возникали сначала нервная трубка (рис. 121) и другие компоненты комплекса осевых органов - хорда, сомиты, а затем формировался дополнительный (вторичный, по терминологии Х. Шпемана) зародыш. Наблюдения за распределением пигментированных и непигментированных клеток показали, что ткани дополнительного зародыша формируются почти исключительно из клеточного материала реципиента.

Этим опытом Х. Шпеманом и Г. Мангольдом была открыта первичная эмбриональная индукция, т.е. первый шаг в цепи последовательных (вторичных, третичных и т.д.) индукционных процессов в индивидуальном развитии организма. Дорсальная губа бластопора, представляющая по своим потенциям хордо-мезодермальный зачаток, является первичным индуктором и организатором у амфибий. У рыб ему соответствует дорсальный край бластодиска, у птиц - первичный узелок.

Дальнейшие исследования показали, что не только дорсальная губа бластопора ранней гаструлы обладает индукционными способностями. Такой способностью обладает вся спинная часть краевой зоны, т.е. вся будущая крыша первичной кишки.

Примечательно, что реагирующая система, дифференцирующаяся под влиянием индуктора, часто сама становится индуктором для возникающих позже зачатков органов. Всё развитие зародыша, таким образом,

Рис. 121. Трансплантация первичного индуктора (организатора). А – место эксплантации в области верхней губы бластопора. Б,В – различные способы имплантации. Г – местоположение эксплантата в случае В к концу гаструляции и его воздействие на эктодерму. Д, Е – зародыш тритона (Triturus taeniatus), которому на стадии ранней гаструлы был слева вентрально имплантирован участок верхней губы бластопора гаструлы Triturus cristatus: Д – вид слева с индуцированной имплантированным организатором избыточной эмбриональной закладкой; обнаруживаются нервная трубка, сомиты, слуховые пузырьки и хвостики; Е – поперечный разрез через середину зародыша; ткани имплантата (показаны светлым) в ходе образования избыточной хорды и фрагменты правого сомита: 1 – нормальная нервная трубка реципиента; 2 – нормальные каналы пронефроса реципиента; 3 – дополнительный (вторичный) канал пронефроса; 4 - дополнительная хорда; 5 – дополнительный сомит; 6 – дополнительная нервная трубка; Ж – удвоение зародыша; личинка тритона с вторичной эмбриональной закладкой, индуцированной участком дорсальной губы бластопора, имплантированной на вентральную сторону

представляет собой цепь следующих друг за другом индукционных взаимодействий. Например, продолговатый мозг индуцирует развитие слухового пузырька.

Во взаимодействиях индуктора и реагирующей системы отсутствует видовая специфичность. Так, если имплантировать материал крыши первичной кишки лягушки (Rana) в зародыш тритона (Triturus), то индукция протекает так же, как у вида-донора. Такая видовая неспецифичность наблюдается и для более далёких филогенетических групп. Материал организатора амфибий, рыб или млекопитающих может индуцировать в зародыше цыплёнка появление дополнительной эмбриональной закладки. Экстракты из тканей взрослых птиц и млекопитающих индуцируют формирование определённых частей тела в зародыше амфибий. Очевидно, у всех позвоночных детерминация в направлении нервной системы происходит посредством одинаковых (взаимозаменимых) веществ, т.е. индукторы действуют, как и гормоны, невидоспецифично.

Несмотря на многолетние исследования, основные вопросы, связанные с индукционными механизмами, не решены до настоящего времени. Вероятнее всего ткани индуктора выделяют специфические вещества, переходящие в реагирующие закладки. Так, например, если поместить непроницаемую мембрану между крышей первичной кишки и эктодермой, то индукция не происходит.

Нет единой точки зрения о природе индуцирующих веществ. Из куриного эмбриона удалось выделить в чистом виде белок, который индуцирует формирование мезодермальных органов у зародыша амфибий, например, мускулатуры и хорды туловищно-хвостовой области. Можно полагать, что индукцию в головной области также вызывают белки. Для регионарной специфичности воздействия они должны образовывать комплексы с молекулами РНК. Практически неизвестны в настоящее время молекулярные механизмы индукции. Возможно, для дифференцировки в заданном направлении необходима работа определённых групп генов. Это могло бы объясняться как активацией уже существующих, но «замаскированных» молекул мРНК, так и инициированием новых процессов трансляции.

Одна из самых загадочных проблем в биологии развития - формирование полярности у организмов. Из шаровидного яйца лягушки развивается головастик, у которого с самого начала на одном конце тела находится голова с головным мозгом, глазами и ртом, а на другом - хвост. Подобным же образом, если разрезать тело планарии на отдельные фрагменты, на одном конце каждого фрагмента развивается голова, а на другом - хвост. При этом голова всегда образуется на переднем конце фрагмента.

Эксперименты показали, что у планарии существует градиент метаболической (биохимической) активности, ориентированный по переднезадней оси её тела: наивысшей активностью обладает самый передний конец тела, а по направлению к заднему концу активность постепенно снижается. У любого животного голова всегда образуется на том конце фрагмента, где метаболическая активность выше. Если направление градиента метаболической активности в изолированном фрагменте планарии изменить на противоположное, то и формирование головы произойдёт на противоположном конце фрагмента.

Американский биолог Ч. Чайлд (1869-1954) в 30-х годах ХХ в. выдвинул представление о градиенте физиологической активности организма зародыша на основе всё того же факта, что интенсивность окислительных процессов и других сторон метаболизма снижается по направлению от головного отдела к хвостовому. Градиент метаболической (физиологической) активности отражает существование какого-то более важного физико-химического градиента, природа которого пока неизвестна.

Несмотря на разнообразие процессов дифференцировки, протекающих в организме зародыша, на всех этапах эмбриогенеза организм выступает как единое целое. Целостность организма обеспечивается на всех уровнях его организации - молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом, органном. В основе целостности лежит интеграция - объединение отдельных структур в организованные системы и координация их действий. Эти системы характеризуются жёсткими внутренними связями. Особая роль в интеграции принадлежит нервной, сосудистой и эндокринной системам органов. Уровень развития этих интегративных систем во многом отражает уровень морфофизиологического прогресса вида и рассматривается одним из критериев последнего.

Целостность как взаимосвязь и взаимообусловленность различных признаков обеспечивается корреляциями. Принцип корреляции сформулирован Ж. Кювье (1800-1805): в любом организме все структурные и функциональные особенности связаны постоянными соотношениями. Роль корреляций в обеспечении целостности организма проанализировал
И.И. Шмальгаузен (1938).

Различают три основных вида корреляций.

Генетические (геномные) корреляции основаны на процессах, происходящих на уровне генома. Примером может служить явление плейотропии генов.

Морфогенетические корреляции обусловлены взаимодействием разных зачатков в ходе эмбрионального развития. Одной из разновидностей их является эмбриональная индукция, рассмотренная выше.

Функциональные (эргонтические) корреляции представляют собой результат взаимодействия различных признаков взрослого организма (например, зависимость развития и состояния ряда органов от функционирования эндокринных желез). В процессе эволюции корреляционные системы живых организмов перестраивались и усложнялись.