5. Генетический контроль развития

Регуляция экспрессии генов в процессе развития организмов осуществляется на всех этапах синтеза белка как по типу индукции, так и по типу репрессии, причем контроль на уровне транскрипции определяет время функционирования и характер транскрипции данного гена.

Модель 1 каскадной эмбриональной индукции объясняет определенную смену стадий онтогенеза путем последовательной активации соответствующих стадиоспецифических генов. Так, индуктор 1 взаимодействует с сенсорным геном (С), активируя ген-интегратор (И), продукт деятельности которого действует через промотор (П1) на структурные гены (СГ1, СГ2, и СГ3) В свою очередь, продукт деятельности структурного гена СГ3 является индуктором 2 для структурных генов СГ4, СГ5 и т.д. В процессе развития происходит также репрессия генов более ранних стадий развития.

Главным приемом ученых, изучающих генетику индивидуального развития, является использование мутаций. Выявив мутации, изменяющие онтогенез, исследователь проводит сравнение фенотипов мутантных особей с нормальными. Это помогает понять, как данный ген влияет на нормальное развитие.

Следует различать два способа действия мутаций на фенотип, вызывающих дизруптивные либо гомеозисные изменения. В первом случае, и это бывает чаще всего, мутации приводят к нарушению нормального развития, отсутствию или аномальному строению органов.

В других случаях отклонение от нормы заключается в том, что под действием мутации типичный орган замещается гомологичным или совсем другим, но с нормальным строением. Это особый класс мутаций, описанный у насекомых и получивший название гомеозисных мутаций.

Примером гомеозисных мутаций являются мутации в ВХ-С и ANT-C-комплексах генов у дрозофилы. ВХ-С (Bithorax Complex) и ANT-C (Antennapedia Complex) — это два набора генов, представляющих собой два кластера тесно сцепленных между собой генов, находящихся в одном плече 3-й хромосомы. В группу ВХ-С входит не менее 10 генов, которые отвечают за индивидуальность сегментов тела, расположенных сзади от среднегрудного сегмента. Чем больше дистальных локусов ВХ-С подвергается делении, тем больше брюшных сегментов превращается в грудные. При делении всего комплекса ВХ-С все сегменты от заднегрудного до 8-го брюшного превращаются в среднегрудь. В группу ANT-C входит не менее шести генов. Усиление в результате мутации функции этой группы вызывает превращение антенны в ногу, как должно быть в грудных сегментах.

Обширные генетические исследования гомеозисных мутаций у дрозофилы показали, что эти комплексы генов отвечают за направление развития сегментов тела, т.е. являются как бы морфогенетическими переключателями.

Существуют мутации, которые указывают на существование у многих видов животных так называемых генов с материнским эффектом. Особенность этих генов состоит в том, что материнский геном во время овогенеза продуцирует ферменты, необходимые для метаболизма раннего зародыша, а также передает информацию, касающуюся расположения и организации структур зародыша, т.е. оказывает влияние на морфогенез. Поэтому самка, гомозиготная по рецессивному мутантному аллелю и продуцирующая аномальные яйца, даже при скрещивании с нормальным самцом дает нежизнеспособное потомство. Сама же она развивалась вполне нормально, поскольку ее мать в этом случае могла быть только гетерозиготной и в ее яйцах были все факторы, необходимые для раннего развития. Интересно, что если в дефектные яйца рецессивной самки ввести цитоплазму от нормальных яиц, то зародыши будут спасены. Факторы, детерминируемые генами с материнским эффектом, обычно оказывают свое влияние на зародыш до периода гаструляции. Начиная с гаструляции все большую роль играет информация самого зародыша.

У мышей также известен целый ряд рецессивных мутаций сложного локуса Т 17-й хромосомы, затрагивающих раннее развитие. Локус Т представлен множеством (117) аллелей, обозначаемых знаком t с дополнительными индексами: t1, t2, t3 и т.д. Около 30% t-генов в гомозиготном состоянии вызывает гибель зародышей, часть аллелей являются полулетальными. Весь этот ряд рецессивных аллелей t распадается на восемь групп, которые могут быть комплементарны друг другу и в гетерозиготном состоянии не приводить к гибели зародыша. Известны также и пять доминантных мутаций Т-локуса. Локус Т играет первостепенную роль в морфогенезе эктодермы мышиного зародыша и организма в целом.

7. Целостность онтогенеза Детерминация Детерминацией называют возникновение качественных различий между час­тями развивающегося организма, которые предопределяют дальней­шую судьбу этих частей прежде, чем возникают морфологические различия между ними. Детерминация предшествует дифференци­ровке и морфогенезу. Исторически явление детерминации было обнаружено и активно обсуждалось в конце XIX в. В. Ру в 1887 г. укалывал горячей иглой один из первых двух бластомеров зародыша лягушки. Убитый бластомер оставался в контакте с живым. Из живого бластомера развивался зародыш, но не до конца и только в виде одной половины. Из результатов опыта Ру сделал вывод о зародыше как мозаике бластомеров, судьба которых предопределена. В дальней­шем стало ясно, что в описанном опыте Ру убитый бластомер, оставаясь в контакте с живым, служил препятствием для развития последнего в целый нормальный зародыш. В 90-х гг. прошлого столетия О. Гертвиг и другие исследователи показали, что при полном разделении двух бластомеров амфибий из каждого развивается целый нормальный зародыш. Впоследствии многие ученые производили опыты по разделению бластомеров на разных этапах дробления у разных видов животных. Результаты оказались тоже разными. У многих беспозвоночных, например у гребневиков, круглых червей, спирально дробящихся кольчатых червей и моллюсков, а также у ящериц, изолированные бластомеры дают такие же зачатки, какие получаются из них при нормальном развитии. Они как бы обладают способностью к самодифференци­ровке. Яйца таких животных назвали мозаичными. Очень четко это показано у гребневиков, обладающих в норме восемью рядами гребных пластинок. При развитии зародыша из 1/2 яйца получается четыре ряда гребных пластинок, из 1/4—только два, из 1/8—один ряд. На этом основании предположили, что у подобных форм в период овоплазматической сегрегации достигается жесткая, необ­ратимая расстановка структур. Приведенные примеры показывают, что детерминация связана не со свойствами отдельных клеток, но со свойствами развивающе­гося организма как целостной системы, обладающей взаимосвязан­ными и взаимозависимыми частями.

8 Эмбриональная регуляция Сохранение нормального хода развития целого зародыша после его нарушения, естественного или искусственного, получило назва­ние эмбриональной регуляции, а достижение нормального конечного результата развития разными путями —эквифинальности. Для изучения регуляционных возможностей зародышей исполь­зовали следующие методические приемы: 1) удаление части мате­риала зародыша; 2) добавление избыточного материала; 3) переме­шивание материала, а также изменение пространственного взаимо­расположения путем центрифугирования или сдавления. Эти манипуляции проводили на стадиях яйца, зиготы, дробления, гаструляции и органогенеза. Потенции — это макси­мальные возможности элементов зародыша, т.е. направления их развития, которые могли бы осуществиться. В норме реализуется лишь одно из них, а остальные могут быть выявлены в эксперименте. Широкие потенции называют еще тотипотентностью. В отношении млекопитающих было высказано предположение, что в их зародышах предетерминированные локализованные участки цитоплазмы не играют никакой роли. Эмбриональные регуля­ции были открыты немецким эмбриологом Г. Дришем (1908). Таким образом, детерминация и эмбриональная регуляция являются противоположными свойствами и теснейшим образом взаимосвязаны в системе целостного развивающегося зародыша.

9. Морфогенез Морфогенез — это процесс возникновения новых структур и изменения их формы в ходе индивидуального развития организмов. Морфогенез, как рост и клеточная дифференцировка, относится к ациклическим процессам, т. е. не возвращающимся в прежнее состояние и по большей части необратимым. Морфогенез на надклеточном уровне начинается с гаструляции. У хордовых животных после гаструляции происходит закладка осевых органов. В этот период, как и во время гаструляции, морфологические перестройки охватывают весь зародыш. Следую­щие затем органогенезы представляют собой местные процессы. Внутри каждого из них происходит расчленение на новые дискрет­ные (отдельные) зачатки. Так последовательно во времени и в пространстве протекает индивидуальное развитие, приводящее к формированию особи со сложным строением и значительно более богатой информацией, нежели генетическая информация зиготы. Таким образом, морфогенез представляет собой многоуровне­вый динамический процесс. В настоящее время уже многое известно о тех структурных превращениях, которые происходят на внутри­клеточном и межклеточном уровнях и которые преобразуют хими­ческую энергию клеток в механическую, т. е. об элементарных движущих силах морфогенеза. В настоящее время разрабатывают несколько подходов к про­блеме регуляции и контроля морфогенеза. Концепция физиологических градиентов, предложенная в начале XX в. американским ученым Ч. Чайльдом, заключается в том, что у многих животных обнаруживаются градиенты интенсивности обмена веществ и совпадающие с ними градиенты повреждаемости тканей. Эти градиенты обычно снижаются от переднего полюса животного к заднему. Они определяют пространственное располо­жение морфогенеза и цитодифференцировки.

Более современной является концепция позиционной информа­ции, по которой клетка как бы оценивает свое местоположение в координатной системе зачатка органа, а затем дифференцируется в соответствии с этим положением.

Концепция морфогенетических полей, базирующаяся на предпо­ложении о дистантных либо контактных взаимодействиях между клетками зародыша, рассматривает эмбриональное формообразова­ние как самоорганизующийся и самоконтролируемый процесс. Предыдущая форма зачатка определяет характерные черты его последующей формы. Кроме того, форма и структура зачатка спо­собны оказать обратное действие на биохимические процессы в его клетках. Были предложены математические модели формообра­зования, например, перехода эмбрионального го­ловного мозга из стадии одного пузыря в стадию трех пузырей.

10. Критические периоды в онтогенезе человека С конца XIX в. существует представление о наличии в онтогенетическом развитии периодов наибольшей чувствительности к повреждающему действию разнообразных факторов. Эти периоды получили название критических, а повреждающие факторы — тератогенных.

Периоды онтогенеза человека	Критические периоды	Возможные нарушения развития
Предымплантаци­онный и имплантационный Период гисто- и органогенеза и начала плацентации Перинатальный пе­риод (роды) Период новорожденности Подростковый (пу­бертатный) Климактерический	Для всего зародыша Для разных органов и систем не совпадают по времени Для всего организма и отдельных органов и систем Для всего организ­ма и отдельных ор­ганов и систем Для всего организ­ма и отдельных ор­ганов и систем Для всего организ­ма и отдельных ор­ганов и систем	Гибель зародыша Двойниковые уродства Пороки и аномалии развития различных органов и систем, гибель зародыша Травмы, детский церебральный паралич, слабоумие, гибель Высокая вероятность перегревания, переохлаждения, патологии различных организмов и систем, неспецифических инфекций и гибели Повышен риск проявления ненаследственных заболеваний, нарушения обмена веществ, подростковых нарушений поведе­ния, психической ранимо­сти, агрессивности. Увели­чивается смертность Возрастает риск развития соматических и психиче­ских болезней, увеличива­ется частота возникнове­ния опухолей. Повышается смертность

11. Классификация врожденных пороков развития
Врожденными пороками развития называют такие структурные нарушения, которые возникают до рождения (в пренатальном он­тогенезе), выявляются сразу или через некоторое время после рождения и вызывают нарушение функции органа. Последнее отличает врожденные пороки развития органов от аномалий, при которых нарушение функции обычно не наблюдается. Существует несколько различных критериев, на основе которых классифицируют врожденные пороки развития. В зависимости от причины все врожденные пороки развития делят на наследственные, экзогенные (средовые) и мультифакториальные.

Наследственными называют пороки, вызванные изменением ге­нов или хромосом в гаметах родителей, в результате чего зигота с самого возникновения несет генную, хромосомную или геномную мутацию. Экзогенными называют пороки, возникшие под влиянием тератогенных факторов.
Мультифакториальными называют пороки, которые развивают­ся под влиянием как экзогенных, так и генетических факторов.

Причины врожденных пороков устанавливаются при применении синдромологического анализа. Синдромологический анализ — это обобщенный анализ фенотипа больных с целью выявления устойчивых сочетаний признаков, что помогает в установлении причины и механизмов возникновения пороков. В зависимости от стадии, на которой проявляются генетические или экзогенные воздействия, все нарушения, происходящие в пренатальном онтогенезе, подразделяют на гаметопатии, бластопатии, эмбриопатии и фетопатии. В зависимости от последовательности возникновения различают первичные и вторичные врожденные пороки. Первичные пороки обусловлены непосредственным действием тератогенного фактора, вторичные — являются осложнением первичных. По распространенности в организме первичные пороки подраз­деляют на изолированные, или одиночные, системные, т. е. в пределах одной системы, и множественные, т. е. в органах двух систем и более. Комплекс пороков, вызванный одной ошибкой морфогенеза, на­зывают аномаладом. В основу классификации врожденных пороков, принятой ВОЗ, положен анатомо-физиологический принцип (по месту локализации). По филогенетической значимости можно все врожденные по­роки развития разделить на 1) филогенетически обусловленные и 2) не связанные с предшествующим филогенезом. Филогенетически обусловленными называют такие пороки, кото­рые по виду напоминают органы животных из типа Хордовые и подтипа Позвоночные. Если они напоминают, органы предковых групп или их зародышей, то такие пороки называют атавистическими. Примерами могут служить несращение дужек позвонков, шейные и поясничные ребра, несращение твердого нёба и др.

Если пороки напоминают органы родственных современных или древ­них, но боковых ветвей животных, то их называют аллогенными. Филогенетически обусловленные пороки показывают генетическую связь человека с другими позвоночными, а также помогают понять механизмы возникновения пороков в ходе эмбрионального разви­тия.

Нефилогенетическими являются такие врожденные пороки, ко­торые не имеют аналогов у нормальных предковых или современных позвоночных животных. К таким порокам можно отнести, напри­мер, двойниковые уродства и эмбриональные опухоли, которые появляются в результате нарушения эмбриогенеза, не отражая филогенетических закономерностей.