Студопедия  
Главная страница | Контакты | Случайная страница

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Лекция №16. Принципы и механизмы регуляции онтогенеза.

Читайте также:
  1. II. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
  2. II. Принципы, требования и гарантии законности.
  3. II. Этические принципы
  4. III Принципы организации производственных процессов
  5. IV. Принципы конституционного судопроизводства
  6. VI. МЕХАНИЗМЫ РЕАЛИЗАЦИИ ОСНОВ
  7. VI. МЕХАНИЗМЫ РЕАЛИЗАЦИИ ОСНОВ
  8. VI. МЕХАНИЗМЫ РЕАЛИЗАЦИИ ОСНОВ
  9. VI. Общие принципы поведения должностных лиц
  10. VII. МЕХАНИЗМЫ РЕАЛИЗАЦИИ ОСНОВ

Главной задачей генетики вправление индивидуального развития является выяснение факторов, которые обуславливают дифференциальную транскрипцию генов по мере развития.

Существует генетическая программа, которая создаёт основу целостного предопределённого развития, включая все нужные пути дифференциации и органогенеза.

Реализация генетической информации осуществляется в результате непрерывных взаимовлияний ядра и цитоплазмы. Ещё в 1975г была подчёркнута важная роль обмена веществ между ядром и цитоплазмой для регуляции генов в онтогенезе.

Осную часть цитоплазмы зиготы составляет цитоплазма яйцеклетки. Сперматозоид приносит лишь небольшую часть цитоплазмы в зиготу, поэтому материнская часть цитоплазмы играет важнейшую роль на ранних этапах эмбриогенеза и в активации первой группы генов на ранних стадиях развития.

Цитоплазма исходной яйцеклетки содержит значительно больше различных белков, РНК и других видов молекул, чем другая соматическая клетка. Эти молекулы синтезируются в цитоплазме яйцеклетки во время овогенеза, т.е. имеют материнское происхождение.

Для изучения роли цитоплазмы применяется метод пересадки ядер. При этом производят взаимные пересадки ядер от разных видов животных. В результате этих опытов было показано, что хромосомы ядер одного вида необратимо изменяются, будучи перенесёнными в цитоплазму другого вида.

Введение ядра эритроцитов курицы в клетку тканевой культуры человека или мыши показало, что это ядро реагирует на сигналы чужеродной ему цитоплазмы и начинает синтезировать ДНК и РНК.

С другой стороны межвидовая трансплантация ядер соматических клеток в энуклеированные яйцеклетки амфибий показали, что в чужеродной цитоплазме не происходит нормальной активации генома.

В ходе эмбриогенеза ядерно-цитоплазматические взаимоотношения дополняются гомо- и гетеротипическими клеточными взаимодействиями, при этом наблюдается переход веществ из одной клетки в другие. В разработку этой гипотезы большой вклад внесли Шпеман (1938г) и Чайлд (1941г), они сформулировали представление об эмбриональных индукторах и градиентах. Теория градиентов концентрации определённых химических веществ – дистантные агенты – запускающих те или иные морфогенетические процессы, используются для объяснения механизмов развития высших организмов.

Явление эмбриональной индукции проявляется при развитие нервной трубки, хрусталика, почки и конечностей. Причём индуктором во всех этих случаях является: при развитии нервной трубки – хордомезодерма, при развитии хрусталика – глазной пузырь, почки и конечности – боковая мезодерма. В результате индукции происходит дерепрессия ткани специфических генов.

Первичная индукция, обусловливающая формирование нервной пластинки, вероятно связана с действием белка, который мигрирует из хордомезодермы в эктодермальные клетки.

Экспериментальными исследованиями показано, что индуктор поджелудочной железы представляет собой белок, синтезируемых мезенхимными клетками. Индуцирующий белок сначала стимулирует клетки компетентной ткани, которой в данном случае является эндодермальный эпителий. Он стимулирует клетки к делению, поэтому число клеток сначала увеличивается, а затем они дифференцируются в эндокринные и экзокринные клетки поджелудочной железы.

Дифференцировка характеризуется последовательным синтезом ферментов поджелудочной железы и гормонов, причём различные гидролазы синтезируются последовательно друг за другом в запрограммированном порядке. Это показывает, что структурные гены, которые отвечают за синтез этих ферментов, активируются последовательно.

Для межклеточной передачи индуцирующих веществ необходимы клеточные контакты. Индукторы являются белками с молекулярной массой около 30тыс. Это было открыто Тидеманом в 1975г. Индуцирующий фактор проникает в ядро клетки, вызывая изменения активности генов.

Ядра клеток на ранних стадиях развития недифференцированны и эквипотенциальны. Ядро зиготы в процессе дифференцировки хромосомы соматических клеток претерпевает значительные изменения, связанные со спецификой обмена веществ. Принято считать, что функциональная активность генов наблюдается в интерфазном ядре. Считают, что в метафазе гены не функционируют, т.е. в цитоплазму не поступают генные продукты.

Для нормального функционирования генов необходима полная деспирализация хромосом.

Функциональное состояние ядра оценивается по синтезу ДНК и РНК. Это можно определить с помощью меченых предшественников. Если ядро нейрона взрослой лягушки пересадить в активную неоплодотворённую яйцеклетку, то ядро начинает синтезировать ДНК, но синтез РНК прекращается, следовательно, в цитоплазме яйцеклетки содержится активатор синтеза ДНК и репрессор синтеза РНК. Эти факторы действуют независимо друг от друга на разные группы генов.

На ряду с веществами индукторами, которые обладают контактным характером действия, большая роль в развитии организма принадлежит гормонам, которые действуют дистантно, т.е. на значительном расстоянии от места их секреции.

Гормоны, стероидной или белковой природы являются мощными регуляторами активности генов в клетках-мишенях. Стероидные гормоны – андроген, эстроген, прогестерон, кортикостероиды – проходят через плазмалемму и соединяются с рецепторными белками цитоплазмы. Затем происходит активация стероидно-рецепторного комплекса и перенос его в ядро. Здесь данный комплекс связывается с определённым участком хроматина, активируя тем самым определённый ген(ы) и приводя к его транскрипции.

Различные стероидные гормоны контролируют развитие и функцию железистых клеток яйцевода позвоночных. Если эстрогены ввести молодым цыплятам, то это приводит к дифференцировке железистых клеток, которые синтезируют белки оболочки ядра, такие как овоальбумин и др. Если введение эстрогена прекратить, то сами железистые клетки сохраняются, но синтез овоальбумина не происходит.

Гормоны белковой природы, такие как соматотропный гормон, инсулин, парат-гормон, действуют первично на плазматическую мембрану и влияют на систему циклического АМФ.

Одним из перспективных методов изучения морфофизиологической дифференцировки в онтогенезе является метод культуры тканей. Разработаны методы культивирования клеток человека, животных, растений на специальных питательных средах. Эти метода позволяют выращивать колонии клеток различных тканей: кожи, костного мозга, печени, селезёнки и т.д.

Использование этого метода позволяет осуществить все этапы генетического анализа, например, получение индуцированных мутаций, выявление локализации мутантных генов, исследование дозовой зависимости мутагенов и т.д.

В настоящее время исследования в культуре тканей ведутся с использованием изучения спонтанных и индуцированных мутаций. Эти мутации затрагивают иммунологические реакции, на которые способны клетки, и морфологические особенности клеток. Получены мутантные линии клеток, которые различаются по потребностям в разных химических соединениях, по устойчивости к лекарственным препаратам, по чувствительности к воздействию вирусов и т.д.

Это открывает перед генетикой развития новые возможности. В процессе онтогенеза клетки соматических тканей проходят сложную дифференцировку. При этом ядра соматических клеток уже на ранних стадиях эмбриогенеза теряют свою исходную тотипотентность (способность клетки развиваться в любом направлении). Хромосомы локально изменяют состояние спирализации. Реализация наследственной информации в ходе развития позвоночных осуществляется как многоэтапный процесс. Активация генов зависит от состояния цитоплазмы, действия гормонов, разнообразных клеточных индукторов, поэтому экспрессия генов регулируется на разных уровнях. Во-первых, на уровне транскрипции; на уровне транспорта иРНК из ядра в цитоплазму, а так же на трансляционном и посттрансляционных уровнях.

В ходе развития происходит постоянное взаимодействие наследственных и экзогенных факторов. Одни признаки, например, группа крови, определяются исключительно генетически и не зависят от вешних факторов. Другие признаки в значительной мере зависят от воздействия факторов внешней среды, например, масса тела.

Влияние экзогенных факторов, а так же сложные взаимодействия генных продуктов между собой в процессе метаболизма приводит к изменению экспрессии генов, поэтому генные эффекты проявляются не всегда и могут вообще не проявляться.

Изучение механизма регуляции активности генов в онтогенезе показало, что в зиготе гены неактивны, их дерепрессия и активация происходит в ходе развития. Причём в разных клетках дерепрессии подвергаются разные гены. На любой стадии дифференцировки работает не более 5-10% генов клетки. Остальные гены находятся в неактивном, т.е. репрессированном состоянии.

В качестве репрессоров в первую очередь выступают белки-гистоны. Если ДНК в составе хроматина связана с гистонами, то она не подвергается транскрипции. Синтез гистонов контролируется особыми генами. Взаимодействие генов, которое проявляется через взаимовлияние молекулы репрессоров и дерепрессоров, через взаимодействие ядра и цитоплазмы, через взаимодействие клеточных систем друг с другом, определяет характер индивидуального развития.

В настоящее время имеется ещё мало данных, для того, чтобы понять полностью весь сложный процесс регуляции активности генов в онтогенезе. Во время онтогенеза нельзя изменить какую-либо одну функцию или реакцию без того, чтобы не затронуть всю систему онтогенеза.

Онтогенез протекает неравномерно. В ходе онтогенеза происходит качественная смена процессов, выражающаяся в изменении характера роста и дифференцировки. Например: рука человека состоит из 29 костей, каждая из них в процессе развития должна приобрести определённые размеры и форму, кроме того, она должна образовать с соседней костью сустав определённого типа. Помимо этого должно образоваться ещё 40 с лишним мышц, каждая из этих мышц должна иметь определённую величину и т.д. Соответственно к каждой мышце подходят нервы, сосуды и т.д.

На протяжении всех периодов онтогенеза формируется одно из самых важных свойств живого – способность приспосабливаться к соответствующим условиям. В процессе приспособления изменяются биохимические процессы, функциональные свойства клеток, тканей и органов. Генотип, который сформировался в процессе эволюции, определяет врождённую приспособленность организма к условиям среды, в которой происходит его онтогенез.

Так как факторы внешней среды очень разнообразны и изменяются в широких пределах, то в процессе эволюции отбор создал специальные механизмы индивидуального приспособления. Эти механизмы наследственно детерминированы. Организмы одного генотипа могут легче, чем другие, приспосабливаться к понижению или повышению температуры, к изменению давления, к изменению содержания кислорода в воздухе. Способность организма приспосабливаться в индивидуальном развитии к меняющимся условиям среды называют онтогенетической адаптацией.

Критериями приспособленности организма являются: сохранение этого организма до репродуктивного возраста и репродукция потомства. Организм может адаптироваться как к постоянно действующим, систематическим факторам, так и к флюктуирующим (периодически действующим) факторам.

Онтогенетическая адаптация может быть генотипической и фенотипической. Генотипическая адаптация – это наследственно детерминированное приспособление организма к конкретным условиям внешней среды. Фенотипическая адаптация – ограничена пределами нормы реакции и не сопровождается наследственными изменениями.

Примером фенотипической адаптации может служить опыт с адаптацией дрожжей определённого вида к галактозе. Обычно этот вид дрожжей выращивается на среде, содержащей галактозу. Эта галактоза и сбраживается дрожжами. Если клетки дрожжей, выращенных на глюкозе, промыть и перенести в среду, где глюкозы нет, но есть галактоза, то дрожжи вначале не размножаются. Однако, уже через несколько часов они приобретают способность использовать галактозу, сбраживают её и начинают размножаться. Установлено, что у дрожжей в данном случае происходит перестройка гликолитического механизма. Здесь происходит фенотипическая адаптация. Если в питательную среду прибавить снова глюкозу, то клетки потеряют приобретённую адаптацию и опять переключатся на сбраживание глюкозы.

Данные опыты показывают, что в процессе такой адаптации происходит синтез специфического фермента или набора ферментов, осуществляющих сбраживание необычного субстрата. Такого рода адаптационные изменения ферментативной деятельности организма называют ферментативной адаптацией.

В результате клеточной адаптации происходят разнообразные внутриклеточные изменения: изменяется проницаемость клеточных оболочек, изменяется коллоидное состояние цитоплазмы, изменяет рН цитоплазмы, изменяется количество и состав органоидов клетки и т.д.

Наличие фенотипической клеточной адаптации даёт возможность для осуществления внутриклеточных механизмов, обеспечивающих приспособление клетки к изменяющимся условиям среды.

Наиболее ярко существование механизмов онтогенетической адаптации наблюдается у многоклеточных организмов, особенно, у животных. К механизмам онтогенетической адаптации у многоклеточных относится физиологический гомеостаз, т.е. сохранение постоянства внутренней среды организма. Многоклеточных организм обладает так же целым рядом других механизмов приспособления. К ним относятся: 1 - регенерация тканей и функциональное замещение (компенсация) утраченной функции; 2 – иммунитет, обеспечивающий устойчивость организма против воздействия инородных компонентов, в том числе, противинфекционного начала; 3 – функциональная адаптация органов в зависимости от влияния внешних раздражителей на организм; 4 – у животных и человека существует способность образовывать временные связи в ответ на изменяющиеся факторы внешней среды.

Иммунитетом в широком смысле обладают все организмы. Иммунитет бывает врождённым (генотипическим) – иммунный ответ контролируется генотипом, приобретённым (фенотипическим). Во всех случаях проникновения в организм чужеродного белкового тела (антиген) ведут к выработке в крови соответствующих антител. Антитела – компоненты белковой природы. Антитела связываются с антигеном, блокируют его и делают организм невосприимчивым к данному антигену или к веществу, сходному с ним.

Мобилизация защитных иммунологических механизмов является одним из общих адаптационных механизмов в онтогенезе. Своеобразным проявлением иммунитета является резус-фактор, который может приводит к несовместимости крови плода и матери. Люди, у которых в эритроцитах содержится особый белковый антиген RH+ - резус-положительные, люди, у которых этот фактор отсутствует – резус-отрицательные RH-. Наличие резус-фактора определяется наличием доминантного гена, а его отсутствие – рецессивным. Если оба родителя резус-положительные или резус-отрицательные, то резус-конфликт не наступает. Однако, если женщина резус-отрицательная, а ребёнок резус-положительный, то возникает резус-конфликт. Описанное явление является примером генотипической адаптации. Здесь адаптационная реакция проявляется в выработке антител в организме матери на антиген плода.

При прививках, которые делаются с целью профилактики заболеваний, в организме вырабатывается временный иммунитет. Он не является наследственным. Его формирование показывает сущность фенотипической адаптации.

В процессе онтогенеза происходит реализация особой генетической программы. Процесс реализации её зависит от многих факторов внутреннего и внешнего генеза.

 

 




Дата добавления: 2014-12-15; просмотров: 102 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав




lektsii.net - Лекции.Нет - 2014-2024 год. (0.01 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав