Будь умным!


У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.ru

Тема1 Загальні відомості про онтогенез

Работа добавлена на сайт samzan.ru: 2015-07-05


Змістовний модуль 1.

Регуляція активності генів на рівні ініціації транскрипції та трансляції

Тема1. Загальні відомості про онтогенез.

Механізми регуляції програм онтогенезу

  1.  Загальні відомості про онтогенез. Історія вивчення механізмів онтогенезу. Програми онтогенезу.
  2.  Активація генів в онтогенетичних процесах.
  3.  Рівні регуляції експресії генів та їх приклади.

Питання 1.

Індивідуальний розвиток (онтогенез) охоплює: перiод з моменту заплiднення до природної cмepтi, протягом якого в органiзмi проходять змiни, властивi даному виду. Онтогенез включає доембріональний розвиток (прогенез, гаметогенез), власне ембріональний та постембріональний розвиток. Оскiльки фiзiологiчнi i бiохiмiчнi процеси, якi вiдбуваються в органiзмi, контролюються генами – сам процес iндивiдуального розвитку – це поступова реалiзацiя генетично детермiнованої програми. Основна проблема онтогенетики – яким чином реалiзується спадкова iнформацiя в процесi iндивiдуального розвитку i як контролюється виникнення та розвиток окремих тканин i opгaнів. У багатоклiтинних органiзмiв гени проявляють свою дiю протягом декiлькох поколiнь взаємодiючих клiтин, тому формування анатомо-морфологiчних ознак включає як picт клiтин i розвиток, так i їхню локальну смерть або змiну форми.

В одноклiтинних органiзмiв ознаки визначаються генами, якi знаходяться в самiй клiтинi, тому i активнiсть генів регулюється процесами, що вiдбуваються в межах клiтин.

Згідно з сучасними уявленнями, в зачатку особини (наприклад, в зиготі) закладена програма розвитку особи. В ході онтогенезу проходить реалізація цієї програми в результаті взаємодії між ядром і цитоплазмою, між різними частинами зародка; тобто в загальному між молекулярно-генетичними факторами, з одного боку, та внутрішнім і зовнішнім середовищем з іншого боку.   

Доведена генетична запрограмованість тривалості життя.  При проведенні експериментів лабораторні миші живуть не більше 3-3,5 років не залежно від зовнішніх умов. При чому виділяться короткожителі та довгожителі. На середню тривалість життя істотно впливають зовнішні фактори, однак максимальну тривалість життя змінити дуже важко. Так, середня тривалість життя людини за останні 100 років збільшилась приблизно у 2 рази, однак на максимальній тривалості людського життя це ніяким чином не відбилось.

Питання вияснення механізмів онтогенезу почалось вивчатись і цікавити вчених ще з часів Давньої Греції. Сформувались два протилежні погляди на проходження етапів онтогенезу:

  •  Преформізм
  •  Епігенез.

Гіпократ (6-4 ст. до н.е) – перший вчений, який намагався пояснити розвиток живих організмів, основною рушійною силою якого є вогонь. Він вважав, що ті частини зародка, які піддаються вогню, випалюються, і згодом утворюються порожнини, а інші ущільнюються, перетворюючись на стінки (напр., органи травного тракту). Сповідував преформізм – положення про те, що розвиток організмів іде шляхом росту сформованих диференційованих частин органзму.

Арістотель (4 ст. до н.е.) – засновник протилежної течії – епігенезу – розвиток організмів іде шляхом новоутворення, із безформної маси виникають частини, елементи, відмінності.

Стійкість онтогенеза

Онтогенез характеризується відомою стійкістю, для визначення якої Ф.Добжанський і Б.Уоллес ввели поняття «гомеостаз розвитку». Механізми, які забезпечують стійкість онтогенезу, вивчав англійський ембріолог і генетик Кондрат Уоддінгтон (на прикладі температурної залежності експресії гена Bar у дрозофіли). Стійкість процесів розвитку Уоддінгтон назвав гомеорезом – стабілізуючий потік явищ, які представляють собою процес реалізації генетичної програми будови, розвитку і функціонування організму.

Уоддінгтон описував процес онтогенеза як простір можливостей, або епігенетичний ландшафт. Епігенетичний ландшафт являє собою набір епігенетичних траекторій, що приводять від початкового стану організма до дорослого стану. Епігенетичний ландшафт і епігенетичні траекторії можна уявити як поверхню з системою паралельних жолобів, що углубляються.

Епігенетичні траєкторії в деякій мірі пов'язані між собою, тобто під дію  різних факторів (внутрішніх і зовнішніх, генетичних і негенетичних) можливий  перехід з однієї траекторії на іншу. В результаті на основі однієї генетичної програми можливе формування кількості траекторій онтогенеза, що і приводить до поливаріантності онтогенеза.

Першопочатково епігенетичні траекторії більш або менш рівноцінні, але в ході каналізованого відбору деяких траекторій поглиблюються і отримують переваги перед інщими траекторіями. Траекторії, що отримали перевагу, Уоддінгтон назвав креодами. (Каналізований відбір – це  різновид стабілізуючого відбору. Каналізований відбір контролює нормальний  хід онтогенеза, вибраковуючи особини з відхиленнями. Ця форма відбору являє собою фактор стабілізації розвитку.)

Реалізація програм морфогенеза проходить під дією комплекса генетичних і негенетичних (парагенетичних) факторів.

Для аналізу програм развитку особини уявимо онтогенез як сукупність  процесів морфогенезу, що закономірно змінюють один одного в ході розвитку. Морфогенез (формоутворення) – це зовнішній прояв розвитку. В ході морфогенезу кількісні зміни преходять в якісні. До проявів морфогенеза відносяться: особливості  росту, анатомо-морфологічного диференціювання, тіло рослини, полярності, симетрії, кореляції. В якості одиниці морфогенезу може розглядатися цілий організм, частина организму, орган, частина органа; елементарною одиницею морфогенезу є клітина. Результатом морфогенезу є поява  завершального розвитку органа (наприклад, завершений ріст паростка) або частини органа (наприклад, метамера або серії  метамерів). Тобто, результатом морфогенеза є формування ознаки. За кількістю можливих кінцевих результатів морфогенез може бути моноваріантним (інваріантним) та поліваріантним (мультиваріантним).

Морфогенез проходить за участю генетичних і парагенетичних факторів. Більшість генетичних факторів (генотип) утворює генетичну програму морфогенеза, яка виникає в момент утворення  одиниці розвитку (наприклад, нового організма або його частини). Поліваріантність морфогенеза може бути закладена вже в самій генетичній програмі. Парагенетичні фактори з'являються в  одиниці розвитку вже в ході самого морфогенезу, вони створюють умови для реалізації спадкової програми.

Із всієї кількості програм морфогенеза розглянемо деякі основні типи.

I Одностадійні та багатостадійні програми

Одностадійні програми передбачають тільки один перехід від початку морфогенеза до його завершення.

Одностадійні програми завжди є елементарними. Поняття елементарності  означає неподільність програми на складові частини, її стійкість до парагенетичного впливу: слабкі дії не впливають на хід морфогенеза, а сильні – переривають завершення програми. За кількістю можливих  траекторій морфогенеза одностадійні програми діляться на нерозгалужені і розгалужені. В нерозгалуженій програмі закодована тільки одна можлива траекторія морфогенеза. В результаті реалізації такої програми виявляється можливим тільки один нормальний результат розвитку. В розгалуженій програмі закодовані декілька  взаємовиключаючих траекторій морфогенеза. В результаті реалізації такої програми виявляється можливим досягнення декількох взаємовиключаючих нормальних результатів розвитку.

Багатостадійні програми включають декілька переходів, кожний з яких завершується досягненням визначеного проміжкового стану (вузла).

Багатостадійні програми можуть буть елементарними та складними. Елементарна програма повинна бути виповнена до кінця, в іншому випадку спостерігається порушення морфогенеза (морфози і терати). В цьому відношенні елементарні програми зовні подібні з одностадійними лінійними програмами. Складові програми засновані на явищі анаболії: кажен наступний проміжковий стан є надбудовою по відношенню до попереднього. При цьому морфогенез може зупинитися при досягненні будь-якого проміжкового стану. В результаті утворюються гіпоморфози – недорозвинені структури.

II Нерозгалужені і розгалужені програми

Нерозгалужені програми передбачають тільки одну траекторію морфогенеза; будь-яке відхилення від цієї траекторії призводить до загибелі організма. Розгалужені програми предбачають існування декількох траекторій морфогенеза.

Розгалуження обумовлено тригерним ефектом – після досягнення визначеного проміжкового стану перед біологічною системою відкривається можливість переключення, або вибору подальшого шляху розвитку (таким чином, тригер можна уявити залізнодорожну стрілку, перевід якої здійснюється диспетчером). Багатостадійні розгалужені програми діляться на деревоподібні та сіткові. В деревоподібних програмах траекторії морфогенеза не пересікаються. Тоді вибір однієї з траекторій морфогенеза в вузлових точках виключає ряд можливих кінцевих результатів. В сіткових програмах траекторії морфогенеза пересікаються у вузлових точках таким чином, що досягнення одного результата можливо різними способами.  

III Прості і складні програми

Прості програми включають тільки одну підпрограму або декілька ідентичних підпрограм. Кожна підпрограма позначена визначеним символом (например, А). Тоді диплоїдні одиниці розвитку містять дві ідентичні підпрограми розвитку, що дублюють один одного. Тоді проста програма може бутиь позначена двома однаковими символами (наприклад, АА). З точки зору формальної генетики, носій простої програми може бути названий гомозиготою. Складні програми включають декілька підпрограм, які позначаються подібними символами (например, А і а). В цьому випадку диплоїдні одиниці розвитку містять дві подібні підпрограми розвитку, які взаємодіють між собою різними шляхами. Тоді складна програма може бути позначена двома подібними символами (например, Аа), а носій сладної програми може бути названий гетерозиготою. Таким чином, для багатьох генів характер їх прояву чітко не визначений; фенотип організма формується в ході развитку на основі взаємодії генотипа и середовища.

Питання 2.

В онтогенетичних процесах багатоклiтинних органiзмiв активацiя генів здiйснюється не тiльки за рахунок продуктiв цитоплазми (як у одноклiтинних), але на даний процес безпосередньо впливають i сусiднi клiтини, а також гормони, якi виробляються спецiальними клiтинами.

Бiлки, якi синтезуються в результаті активації певних генів, можуть виконати рiзнi функцiї в онтогенетичних процесах:

а) здiйснювати структурнi функцiї;

б) регулювати активнiсть гeнiв;

в) регулювати темпи розмноження i мiграцiї клiтин;

г) регулювати метаболiтичнi процеси, якi вiдбуваються i за межами клітин.

У кожній диференцiйованiй клiтинi реалiзується лише частина генетичної iнформацiї, що визначає їx спецiалiзацiю i морфо-фiзiологiчнi особливості. Спецiалiзацiя клiтин є результатом синтезу визначених бiлкiв. Регуляцiя активностi генів у процесi онтогенезу полягає в тому, що у кожному типi клiтин функцiонують oкpeмi гени, якi контролюють синтез тканиноспецифiчних бiлкiв.

Доказом активацiї генів в онтогенезi є функцiональнi змiни хромосом (пуфи, хромосоми типу «лампових щiток», полiтени (гiгантськi хромосоми), а також амплiфiкацiї генів (рис.1).

Рис. 1. Функцiональнi змiни хромосом

(а – пуф; б – хромосома типу «лампових щiток»).

1. Амплiфiкацiя генів рРНК спостерiгається в ооцитах людини, земноводних, двостулкових молюскiв, комах, а також в тканинах тварин при регенерацiї, в макронуклеусi iнфузорiї i т.д. Найкраще вивчена амплiфiкацiя генів рРНК в ооцитах земноводних, де процес здiйснюється за схемою:

а) при реплiкацiї частина генів рРНК «виходить» з структури хромосом в ядерний ciк, займає положення бiля ядерної мембрани i починає автономну реплiкацiю за типом «rolling circle». Кiлькість таких генів значно перевищує кiлькiсть рРНК генів, що локалiзуються в хромосомі.

б) коли вже копiя генів рРНК досягає необхiдної кiлькостi, починається транскрипцiя, а велика кiлькiсть молекул рибосомальної РНК виходить з ядра в цитоплазму для утворення рибосом.

До амплiфiкацiї здатнi й iншi гени, якi беруть участь у процесах iндивiдуального розвитку, але на сьогоднiшнiй день вони недостатньо вивченi.

2. Хромосоми типу «ламповi щiтки» спостерiгаються в хромосомах ооцитiв земноводних, полiтенних хромосомах слинних залоз дрозофiли (та в iнших двокрилих комах), а також в ядерцевому органiзаторi. У самок земноводних (тритонiв) мейоз на деякий час припиняється на диплотеннiй стадiї, i в цей час в ооцитах йде активний синтез бiлкiв i РНК (що необхiдно для розвитку зародка). В результатi хромосоми в ооцитах подовжуються (в 100 i бiльше разiв), на них помiтнi тисячi хромомер. Вiд деяких xpoмомерів (що за всією вiрогiднiстю вiдповiдають окремим генам) вiдходять по однiй парi петель, в результатi чого хромосома набуває характерну форму «лампових щiток». Електронна мiкроскопiя таких хромосом показала, що такi петлi складаються з деспіралізованих ділянок ДНК, по всій довжині якої здійснюється транскрипція. На деспiралiзованiй молекулi ДНК розмiщенi молекули РНК-полiмерази, якi синтезують молекули iPHK.

3. У слинних залозах двокрилих зустрiчаються бiвалентнi iнтерфазнi хромосоми – гіганськi хромосоми. В таких хромосомах спостерiгаються пуфи – xapaктepнi потовщення, якi виникають внаслiдок деспiралiзації ДНК. На деспiралiзованих дiлянках ДНК йде iнтенсивний синтез iPHK, тому, вивчаючи послiдовнiсть утворення пуфiв, можна визначити, на якiй стадiї розвитку знаходиться личинка. При пересадцi ядер з клiтин слинних залоз передлялечки в клiтини раннього зародка змiнюється мicце утворення пуфiв у хромосомi, що є доказом того, що цитоплазма контролює дiяльнiсть ядра.

Часто з гаструляцією пов’язують початок роботи (експресію) генів зиготи. Існує правило, згідно  до  якого у видів з невеликими за розміром  яйцеклітинами (200 мкм) гени починають працювати раніше,  тоді як  у видів з великими (0,3 мм і більше) – пізніше.  Досліди у цьому напрямку ведуться із застосуванням різних методичних прийомів. Так, суть численних непрямих методів визначення експресії генів  полягає  в  інактивації  ядер  зародку різними способами на  певній  стадії розвитку  з подальшим визначенням наслідків інактивації й часу, коли вони настають.  За допомогою цього,  а  також  ряду  інших  подібних методів, було показано, що в риб і амфібій при опроміненні ядра зиготи розвиток зупиняється на стадії пізньої бластули, а  саме з цього моменту повинні "працювати" ядра зародка. У морського  їжака в аналогічних дослідах розвиток припинявся на стадії середньої бластули, у молюсків – на стадії 16-и бластомерів, у аскарид – 2-4-х  бластомерів, у ссавців  –  після перших двох  поділів дроблення.  

Якщо початок роботи ядер зародку  вважати початком власного розвитку, то гаструляцію, з якою  пов’язують виникнення відмінностей в клітинах,  а  також  найбільш  ранню диференціацію зародка, слід  розглядати в контексті  експресії генів зародка.

Диференціальну активність генів в процесі гаструляції відображують поняття компетенції і детермінації. Компетентність  є  здатністю  клітини диференціюватися  в декількох небагатьох напрямках. Компетентні клітини здатні до синтезу мРНК усіх типів білків, і саме це,  певною  мірою,  й визначає  їхню  можливість реалізувати  певну  (проте  не  одну) програму, тобто їхній подальший розвиток може відбуватися в певному (проте не одному) напрямку.

Детермінація - це стан, при якому клітина вже обрала певний шлях розвитку,  вступила на шлях  певної диференціації та знаходиться на самому його  початку  (між детермінацією  й диференціацією немає чіткої межі).  Детермінованими  називають  клітини, в яких  відбувається диференціальна експресія генів, проте не всі синтезовані мРНК є активованими (більшість  мРНК залишаються в неактивному стані). Активація  ж  певних мРНК  і  спрямовує (детермінує) напрям розвитку цих клітин. Детермінація може бути двох типів:

1.  У  мозаїчних  яйцеклітин  жорстко  детерміновані ділянки цитоплазми або бластомери, які  не здатні змінювати  хід свого розвитку  й  тим самим здійснювати регуляцію (яйцеклітини членистоногих, асцидій, молюсків);

2.  У  регуляційних  яйцеклітин детермінація визначається взаємодією клітин на пізніших стадіях розвитку (яйцеклітини ссавців, птахів, амфібій).  

Диференційовані  клітини  –  це  клітини,  в  яких  відбувається синтез специфічних білків на активних мРНК. Такий тканинноспецифічний синтез білків  і  зумовлює  морфологічні, молекулярні й генетичні відмінності клітин різних тканин. Зауважимо, що, крім сказаного вище, важливим  підсумком гаструляції  в  хордових  є  початок  диференційних  процесів в клітинах та формування в складі зародкових листків так званого осьового комплексу зачатків.  Осьовий  комплекс  зачатків  –  це розміщені по вісі тіла зародку зачатки нервової системи (нервова пластинка)  й  хорди (хордальна пластинка),  а  також зачатки мезодерми, які лежать латерально відносно хордальної пластинки.

Отже, період гаструляції характеризується переміщенням окремих клітин, груп клітин і клітинних пластів, узгодженими змінами клітинної форми, поділами клітин, контактними взаємодіями між клітинами, виселенням і вселенням клітин, що й призводить, врешті-решт, до розшарування зародку на зародкові листки й запускає в ньому диференційні процеси. Все вищесказане свідчить про складність  процесу  гаструляції, багатокомпонентність, відносну незалежність і самостійність процесів, які її забезпечують. (Дзержинський БІР Частина 1. Практикум)   

Питання 3.

Експресiя генів про- i eукаріот здiйснюється за рахунок спецiальних регуляторних механiзмiв. Деякi механiзми, якi працюють в бактерiальних клiтинах, вiдносно добре вивченi, але про регуляторнi механiзми еукарiотичних клiтин данi дуже обмеженi.

Генетичні програми морфогенеза утворюються двома групами генів:

1 Гени, які керуються переключенням: головні гени («Master–Genes»). До них відносять гени–регулятори, продукти яких впливають на експресію інших генів, і гомеозисні гени, які продукують морфогени – речовини, які визначають морфогенетичні процеси. До морфогенів відносять як тканиноспецифічні речовини (наприклад, гормони), так і неспецифічні низькомолекулярні сполуки (ретинова кислота).

2 Гени, що забезпечують перехід від  одного стану (вузла) до іншого: виконуючі гени («Slaves–Genes»), продуктами яких є ферменти, структурні білки.

Історична довідка. Терміни головні та виконуючі гени запропонував шведський цитолог Ян-Эрік Эдстрем на початку 1960-их рр. Супер-регуляторні гени у дрозофіли відкрив швейцарський ембріолог і генетик Вальтер Герінг (початок 1990-их рр.). Термін «гомеозис» запропонував У. Бетсон в 1894 р. Під гомеозисом він розумів перетворення однієї  частини організма в іншу. Гомеозисні гени у дрозофіли відкрили Эдвард Льюїс (США) и Крістіна Нюссляйн-Вольхардт і Эрік Вішхаус (Германія) (Нобелівська премія).

Експресія всіх генів контролюється різноманітними ефекторами. Частина з них закодована в генотипі, частина – поступає в клітини зовні або утворюється під час метаболічних реакцій. Синтез ефекторів контролюється умовами зовнішнього середовища, наприклад, білки «теплового шоку», що регулюють процеси транскрипції, синтезуються у дрозофіли при температурі више 35 °С, при дії антибіотика антиміцина А, гідроксиламіна, колхіцина, хлорида аммонія та інших речовин.

Регуляція експресії всіх генів проходить на різних рівнях:

1. Регуляція на генному рівні проходить різними шляхами

1.1. Модифікація ДНК (наприклад, заміна цитозина або гуаніна на метил-цитозин або метил-гуанін; метилювання основ знижує активність генів).

1.2. Збільшення об'єму ДНК в клітині шляхом диференціальної ампліфікації ДНК (наприклад, багаторазове копіювання генів рРНК) або за рахунок утворення політенних хромосом.

1.3. Програмовані кількісні зміни ДНК (наприклад, зміни орієнтації промотора).

1.4. Сплайсинг ДНК (наприклад, вирізання частин генів, що кодують антитіла).

1.5. Дімінуція хроматина – незворотня втрата частини генетичного матеріалу в соматичних клітинах деяких організмів (інфузорій, аскарид, циклопів).

1.6. Зміна активності цілих хромосом (наприклад, інактивація однієї з двох X–хромосом у самок ссавців).

1.7. Зміни послідовностей ДНК за допомогою рухомих генетичних елементів, наприклад, транспозонів.

2. Регуляція на рівні транскрипції – шляхом регуляції транскрипції мРНК. Інтенсивне функціонування окремих генів або їх блоків відповідає визначеним етапам розвитку і диференціювання. Регуляторами транскрипції у тварин часто є стероїдні гормони.

3. Регуляція на рівні сплайсинга (посттранскрипційної модифікації мРНК) – забезпечує можливість утворення різних типів зрілої, функціонально активної мРНК. Процессинг РНК регулюється за допомогою рибозимів (каталізаторів рибонуклеїнової природи) і ферментів матураз. Деякі генетичні захворювання людини (фенілкетонурія, деякі гемоглобінопатії) обумовлені порушенням сплайсинга.

4. Регуляція на рівні трансляції – обумовлена різною активністю різних типів мРНК.

5. Регуляція на рівні посттрансляційної модификації білків – регулюється шляхом посттрансляційної модификації білків (фосфорилюванням, ацетилюванням, розщепленням вихідного  поліпептидного ланцюга на більш мілкі фрагменти і т.д.).

Розглянуті приклади свідчать про різноманітність способів реалізації генетичної інформації щляхом регуляції активності самих генів або їх продуктів. Проте слід відмітити, що для клітини найбільш економною є регуляція на рівні транскрипції, оскільки вона перешкоджає утворенню відповідних мРНК і білків, коли клітина їх не потребує. Разом з тим регуляція на рівні транскрипції йде повільно, тоді як, наприклад, активація білків шляхом розщеплення молекул-попередників хоч і неекономне, але проходить дуже швидко.

Ще в 1961 р. Жакоб i Моно проводили експеримент по вивченню індукції синтезу ферментiв. Вiдомо, що в бактерiальнiй клітинi ферменти синтезуються лише при наявностi метаболiту (субстрату), який даний фермент розщеплює або «прилаштовує» в потрiбне мiсце в комплексi бiохiмiчних реакцiй. При вiдсутностi субстрату фермент не синтезується, тому вченi допускали iснування спецiальної речовини, здатної регулювати процеси синтезу ферментів.

При введеннi в середовище, на якому культивували бактерiальнi клiтини лактози (субстрат), концентрацiя β-галактозидази (ферменту, розщеплюючого лактозу) збiльшилася у 100 разiв, тобто субстратом була активiзована (індукована) транскрипцiя. Паралельно з лактозою iндукувався синтез й iнших бiлкiв: галактозидпермеази (бiлок, здiйснюючий транспорт лактози через мембрану) i тiогалактозидацетилтрансферази. Три структурнi гени, що кодують данi ферменти (ген Z, Y, А), разом з операторною дiлянкою ДНК утворюють lас-оперон бактерiального геному. Активнiсть транскрипцiї генів оперону контролюється четвертим, регуляторним геном (ген І), що локалiзується безпосередньо бiля структурних генів. Іcнування регуляторного гена І було доведено на мутантних штамах. Виявилося, що при вiдсутностi регуляторного гена І (І¯ бактерiї) в бактерiальнiй клiтинi постiйно пiдтримується експресiя генів Z, Y i А - навіть без присутностi лактози. При введеннi фрагментiв ДНК з регуляторним геном І в мутантнi клiтини - транскрипцiя i синтез знову стали контролюватися в результатi того, що експресiя структурних генів вiдбулася лише при наявностi лактози.

Тому вченi зробили висновок, що ген І кодує спецiальну речовину (репресор), яка здатна регулювати процес транскрипцiї структyрних генiв.Репресор - це бiлок, який блокує транскрипцiю (рис. 2).

Рис. 2. Будова та експресiя lac – оперону.

В системi lac-oпepoнy lас-репресор icнyє у виглядi тетрамерного бiлка, який зв’язується спеціальною ділянкою ДНК-оператором. Оператор локалiзується безпосередньо бiля першого структурного гена. Операторна послiдовність, з якою зв'язується репресор, включає дiлянку полiндромної ДНК, з визначеною послiдовнiстю нуклеотидiв i симетрiєю 2-го порядку:

5'_ААТТГТ_ _ _ _АЦААТТ_3'

3'_ТТААЦА_ _ _ _ТГТТАА_5'

Перед операторами в молекулi ДНК знаходиться спецiальна дiлянка промотор. Промотор зв’язує РНК-полiмеразу при транскрипцiї. Оскiльки оператор (мiсце зв’язування репресора) i промотор частково перекриваються, РНК-полімераза не може зв’язуватися з промотором при наявності на молекулі ДНК-репресора. В такому випадку репресія блокована.

Лактоза, яка виконує функцію індуктора в системі lac-оперону, зв’язується з репресором, перетворює його в неактивну форму, в результаті чого останній відокремлюється від lac-оператора. Такий тип індукції, коли транскрипція починається після віддалення репресора, називається негативною регуляцією.

Негативна регуляцiя здiйснюється i при катаболiтичнiй репресiї. При репресiї репресор зв’язується з оператором в комплексi з низькомолекулярним кофактором (корепресором). Корепресором може бути кiнцевий продукт бiосинтезу бiлка, що кодується опероном. Досягаючи певної концентрацiї, цей продукт зв'язується з репресором i припиняє транскрипцiю. За такою схемою здiйснюється регуляцiя транскрипцiї триптофанного оперону. Trp-оперон складається з оператора та структурних генів A-B-C-D-E. Гени кодують ферменти, якi беруть участь у синтезi триптофану. Коли концентрацiя продукту досягає певного рiвня, то триптофан зв'язується з димерним trp-репресором, що кодується окремим (не вмiщеним в оперон) регуляторним геном. В результатi конформацiйних змiн вiдкривається дiлянка, яка здатна зв’язуватися з операторною послiдовнicтю ДНК. Далi комплекс зв'язується з молекулою ДНК i блокує мicце з'єднання РНК-полiмерази- промотор.

Для trp-оперону характерною є i друга система регуляцiї, що зв’язана з наявнiстю аттенуатора. Нуклеотидна послiдовнiсть аттенуатора, що мicтиться безпосередньо перед першим структурним геном, включає команду, яка здiйсиює завчасну термiнацiю транскрипцiї.

На вiдмiну вiд негативної регуляцiї позитивна регуляцiя характеризується тим, що транскрипцiя включається при приєднаннi регуляторного бiлка до оперону. Для iндукцiї транскрипцiї необхiдно, щоб коактиватор приєднався до бiлка-активатора i утворений комплекс зв’язувався вiдповiдальною дiлянкою ДНК.

Як вже було вiдмiчено, багатоклiтиннi еукарiотичнi органiзми характеризуються спецiалiзацiєю клiтин i тканин i незалежно вiд того, що в клiтинах мiститься однакова генетична програма (ДНК), в рiзних тканинах вiдбувається експресiя рiзних генів. Для того, щоб визначити, якi гени мають функцiонувати на даному етапi розвитку, icнують механiзми на рiзних рiвнях матричного синтезу: на piвнi транскрипцiї i трансляцiї - посттранскрипцiйна i посттрансляцiйна регуляцiя, а також регуляцiя за допомогою гормонів:

а) регуляцiя на piвнi транскрипцiї здiйснюється при синтезi iPHK Кiлькiсть копiй iРНК рiзних генів значно вiдрiзняється, що пояснюється тим, що копiї iPHK одних генів скорiше руйнуються вiд iнших, неоднакова також швидкicть синтезу iPHK рiзних генів. Регуляцiя здiйснюється за допомогою бiлкiв, здатних зв'язувати ДНК, а також за допомогою коротких фрагментiв РНК, які, зв’язуючись з молекулою ДНК, блокують місце прикріплення РНК-полімерази. В результаті швидкість транскрипції прискорюється або сповільнюється.

б) посттранскрипційна регуляція здійснюється на рівні процесингу іРНК.

Процесинг – це процес формування молекул РНК з попередника, що вiдбувається на стадiї мiж транскрипцiєю i трансляцією (рис. 3). Процесинг, який здiйснює модифiкацiю 5' - i 3' - кiнцiв, а також сплайсинг екзонiв, вiдбувається по-рiзному в рiзних молекул iPHK;

Рис. 3. Схема сплайсингу (за Даншеном та Сломiнськi).

в) на piвнi трансляцiї регуляцiя здiйснюється за рахунок того, що виключається можливicть використання iPHK як матрицi для синтезу бiлка. В ооцитах деяких тварин (морського їжака) синтез бiлка починається пiсля заплiднення яйцеклiтини, незалежно вiд того, що цитоплазма мiстить багато молекул iPHK;

г) у зв'язку з тим, що бiлки синтезуються в неактивнiй формi i повиннi пройти стадiю модифiкацiї, icнyє система посттрансляцiйної регуляцiї. Наприклад, в β-клiтинах пiдшлункової залози синтезується попередник iнсулiну - довгий полiпептидний ланцюг з додатковою послiдовнiстю амiнокислотних залишкiв, що в подальшому вирiзується протеолiтичним ферментом. Таким чином, синтез активного гормону регулюється посттрансляцiйною системою - за допомогою регуляцiї активностi протеолiтичного ферменту;

д) регуляцiя за допомогою гормонів частково здiйснюється на piвнi транскрипцiї. Таким чином, органiзм -активiзує деякi гени у вiдповiдь на зовнiшнi сигнали. Стероїднi гормони, якi синтезуються в одних клiтинах за допомогою спецiальних транспортних бiлкiв, потрапляють в «клiтини-мiшенi», де вони активують певнi гени шляхом безпосередньої дiї на хроматин у визначених мicцях. Кожний гормон активує специфiчний набiр генів, тому i гормони вибiрково дiють на клiтини органiзму.

Завдання для самостійної роботи роботи студентів

  1.  Вчення Гіпократа про преформізм.
  2.  Вчення Арістотеля про епігенез.
  3.  Дослідження Карла Бера.
  4.  Досліди Ру, Шпельмана, Дріша в галузі експериментальної ембріології.

Список літератури

  1.  Нiколайчук B.I., Надь Б.Б. Курс лекцiй генетики з основами селекції. – Ужгород : Патент, 1997.

Тема 2. Спадкова детермінація онтогенезу

  1.  Генетичні основи диференціації клітин
  2.  Пенетрантність і експеривність генів
  3.  Прояв дії гена
  4.  Дози генів. Ефект положення генів.

Питання 1.

Генетика, володіючи можливістю довільного створення відповідних генотипів, запропонувала свої підходи до вивчення спадкової детермінації онтогенезу. До них належать дослідження:

  1.  молекулярного характеру дії генів в ланцюгу біосинтезу ДНК — РНК — білок;
  2.  мутантних ознак, початку їх диференціації, часу і характеру прояву;

взаємодії мутантних алелів і генів дикого тику в генотипі;

  1.  мутацій і рекомбінацій соматичних клітин в процесі диференціації тканин і морфогенезу;
  2.  виникнення генокопій, тобто фенотипових змін, схожих за проявом з мутаціями;
  3.  розвитку віддалених гібридів, у яких поєднані ознаки різних видів;
  4.  прояву ознак у одно яйцевих близнюків;
  5.  впливу схожості і відмінності генотипів на приживання тканин при гетеро- і гомопластичних пересадках тканин;
  6.  імунологічних реакцій у генотипові відмінних організмів;
  7.  біосинтезу на основі біохімічних мутантів;
  8.  впливу геному й плазмону на розвиток ознаки;
  9.  прояву генетичної норми реакції в різноманітних умовах зовнішнього середовища і ін.

Генетичнi основи диференцiацiї клiтин здавна цiкавили бiологiв. Вони не могли пояснити, як одна клiтина (наприклад, зигота) здатна забезпечити iндивiдуальний розвиток, дати початок рiзним типам тканини i цiлого opгaнiзму. Ще в 1883 роцi В. Ру висунув гiпотезу, що ядра, якi утворюються при подiлi зиготи, якiсно вiдрiзняються. Але через декілька pоків (1892) Г. Дриш експериментально довiв, що перемiщення ядер мiж клiтинами ектодерми i мезодерми не порушує нормальний розвиток зародка. Початок регенеруючого хвоста тритона може бути пересаджений в область кiнцiвок i тодi перетворюється в ногу, а не в хвіст, тобто дроблення i диференцiацiя клiтин не супроводжується змiнами ядерного матерiалу.

Таким чином, пiд тотипотентнiстю розумiємо здатнiсть клiтин диференцiйованих тканин пicля дезiнтеграції i при наявностi певних умов росту i диференцiацiї репродукувати цiлий органiзм або частину його.

Роздiляючи зародки амфiбiй на ранньому етапi розвитку, клiтини певний час залишаються тотипотентними (рис. 4). У 8-клiтинному зародку кролика 7 клiтин можна вбити голкою i лише з однiєї клiтини одержати нормальну тварину. Прикладом тотипотентностi є також народження однояйцевих близнят. Вони походять з однієї заплiдненої яйцеклiтини, що на paннix стадiях вагітностi спонтанно подiляється на двi або бiльше iзольованих частин, з яких розвиваються самостiйнi ембрiони.

Рис. 4. Дослiд, що пiдтверджує тотипотентність ядер на paннix етапах онтогенезу амфiбiй:

а – перетягнуте волосяною петлею яйце; б,в – після кількох днів одне з ядер проникає в ліву половину (яка ще не ділиться); г – розвиток зародка, який з лівої половини яйця проходить із деяким запізненням; д – нормальний зародок.

У 1902р. г. Габерланд висловив думку про те, що рослиннi клiтини тотипотентнi. Але свою теорiю він експериментально не змiг пiдтвердити. Зараз, коли вiдомi методи культивування рослинних клiтин в умовах in vitro, розробленi i технологiчнi прийоми одержання регенерантних рослин з калусної тканини.

Тотипотентнiсть клiтин пiдтверджує також дослiд Д. Гордона. 

Руйнуючи ядро яйцеклiтини пiвденно-африканської жаби (Xenopus laevis) шляхом опромiнення ультрафiолетом, Biн одержав без’ядернi яйцеклiтини. В такi клiтини він перенiс ядра, якi були взятi з епiтелiю кишок пуголовка. У 1 % яйцеклiтин з пересадженими ядрами операцiя закiнчилася успiшно i утворилися дорослi особини. У 9% почалося дроблення, але через деякий час в результатi аномального розвитку ембрiони загинули. В iнших (90%) яйцеклiтин дроблення не спостерiгалося.

Рис. 5. Схема пересадки ядер з кишечника пуголовка в незапліднене яйце жаби (за: Гордон, 1970).

Ядро-реципієнт, помічене наявністю двох ядерець, руйнується в результаті опромінення ультрафіолетовими променями (1), потім у пуголовка виділяють кишечник (2) і беруть клітини епітеліального шару. Одиночну епітеліальну клітину засмоктують в мікропіпетку, при цьому клітинна оболонка руйнується (3), звільнюючи ядро. Ядро клітини кишечника переносять у підготовлене яйце (4), яке потім розвивається. Біля 1% яєць з пересадженими ядрами розвиваються в жаб, що мають в ядрі лише одне ядерце замість звичайних двох (5)

В лютому 1997 року видання Nature опублікувало повідомлення, що змусило обговорювати проблеми генетики розвитку журналістів, політиків, юристів і державних діячів: група вчених з Шотландії повідомила про успішну трансплантацію ядер з диференційованих клітин в яйцеклітину вівці і отримання нормально сформованої тварини. Ці результати відкривають шлях для фактично необмеженого вегетативного розмноження будь-якого індивідуума: кожна особина в результаті трансплантації ядер із її клітин до реципієнтів може дати початок мільярдам повністю ідентичних нащадків. Цей процес називають клонуванням.

Схема досліду була аналогічною з тою, яку використовували Дж. Гордон і його співробітники. Маркерами в даному випадку служили масть овець і різноманітні мікросателіти в складі ДНК. Ооцити виділяли з овець шотландської чорномордої породи, а донорні клітини були виділеними з вим’яти овець біломордої породи Финн Дорсетт. Після цього за допомогою електричного імпульсу зливали енуклейований ооцит з цілою клітиною-донором. Експериментально отримані зиготи поміщали в яйце води самок, де вони починали дробитися і розвивались в морули, що й були пересаджені в матки чорномордих овець. Із 277 експериментально отриманих зигот тільки одна пройшла всі стадії розвитку аж до народження ягняти, яке було біломордим (рис. 6).

Рис. 6. Вівця (на рисунку ліворуч), що розвинулась з клітини молочної залози, взятої від вівці біломордої породи і трансплантованої у вівцю чорномордої породи (праворуч) (за Wilmut et al., 1997)

Той факт, що ягнятко виросло з яйцеклітини з ядром з дорослої тварини, доводить відсутність незворотних модифікацій генетичного матеріалу в ході  нормального розвитку.

Питання 2.

Розглядаючи дію генів, їх алелів необхідно врахувати модифікуючий вплив неалельних генів та умов середовища, в якому розвивається організм. Якщо рослини примули схрещувати при температурі 15-20 °С, то в нащадків згідно з менделівською схемою, все покоління матиме рожеві квіти. Але коли таке схрещування проводити за температури 35 °С, то всі гібриди матимуть квіти білого кольору. Якщо ж здійснювати схрещування при температурі близько 30 °С, то виникає різне співвідношення (від 3:1 до 100 відсотків) рослин з білими квітами.

Для характеристики фенотипового прояву ознаки у генетично iдентичних особин, для кількісного опису неоднозначної відповідності генотипа фенотипу  у 1925р. Відомий російський генетик М. В. Тимофеєв-Ресовський запропонував термiни пенетрантність та експресивнiсть.

Таке коливання класів при розщепленні залежно від умов середовища отримало назву пенетрантність (від лат. penetrans – проникнення, досягнення) – сила фенотипного прояву. Отже, пенетрантність – це частота прояву гена, явище появи або відсутності ознаки у організмів, однакових за генотипом.

Пенетрантність значно коливається як серед домінантних, так і серед рецесивних генів. Поряд з генами, фенотип яких з’являється тільки за поєднання певних умов і досить рідкісних зовнішніх умов висока пенетрантність), у людини є гени, фенотиповий прояв яких відбувається за будь-яких поєднань зовнішніх умов (низька пенетрантність). Пенетрантність вимірюється відсотком організмів з фенотипною ознакою від загальної кількості обстежених носіїв відповідного алеля.

Якщо ген регулярно визначає фенотиповий прояв, то він має пенетрантність 100 відсотків. Проте деякі домінантні гени проявляються менш регулярно. Так, полідактилія має чітке вертикальне успадкування, але бувають пропуски поколінь. Домінантна аномалія – передчасне статеве дозрівання – властиве тільки чоловікам, проте іноді може передатися захворювання від чоловіка, який не страждав цією патологією. Пенетрантність показує, у якому відсотку носіїв гена виявляється відповідний фенотип. Так, у гомозигот шизофренія проявляється у 100 % – це повна пенетрантність. Якщо в носіїв певного гена ознака виявляється тільки у частини особин – це неповна пенетрантність. Наприклад, шизофренія у гетерозигот складає 20 %, цукровий діабет – 20 %, вроджений вивих стегна – 25 %, ретинобластома – 60 %. У дрозофіли домінантна мутація  Lobe (L) викликає зменшення розміру очей, проте ця ознака проявляється лише у 75% особин, в інших 25% мух – носіїв гена L – очі нормальні. Отже, пенетрантність алеля L становить 75%.

Отже, пенетрантність залежить від генів та середовища. Таким чином, це не константна властивість гена, а функція генів у певних умовах середовища.

Експресивність (від лат. expressio – вираз) – це зміна кількісного прояву ознаки у різних особин – носіїв відповідного алеля.

При домінантних спадкових захворюваннях експресивність може коливатися. В одній і тій самій родині можуть проявлятися спадкові хвороби за перебігом від легких, ледь помітних до тяжких: різні форми гіпертонії, шизофренії, цукрового діабету тощо.

Рецесивні спадкові захворювання в межах сім’ї проявляються однотипно і мають незначні коливання експресивності.

У дрозофiли вiдома мутантна форма (eyeless – без очей) зi зменшеною кiлькicтю фасеток ока. Серед нащадкiв однiєї батькiвської пари спостерiгається розщеплення за кiлькістю фасеток (аж до повної їx вiдсутностi), якщо вони i є гомозиготними за цiєю мутацiєю. Наприклад, у дрозофіл з генотипом  eyey зменшена кількість фасеток, але абсолютна кількість фасеток варіює від 0 до 50% від норми (779 фасеток). В той же час експеривність алеля ey при повній відсутності фасеток  у особини рівна 100%, а у особини з числом фасеток, зменшеним у 2 рази, -50%.

Експресивність і пенетрантність часто залежать від умови середовища, в якому розвивається організм: освітлення, температура або вологості.

Приклад 1. У дрозофіли з генотипом vgvg (vestigial – залишковий) крила недорозвинені, зачаткові, але ця мутація проявляється сильніше при пониженій температурі.  (Примітка. Алель vestigial володіє плейотропною дією: призводить до редукції крил, а також до модифікації галтерів, зміни положення відповідних щетинок на дорзальній стороні тіла, зниження плодючості, тривалості життя та іншими відмінностями мутантних мух від нормальних. Однак уе не означає, що ген vestigial в однаковій мірі може вважатися і геном щетинок, і геном плодючості і т. д.)

Приклад 2. Дослід схрещування примул при різних температурах, наведений вище.

Приклад 3. У кроликів фенотипів прояв гена Ch при нормальній температурі (~ 20°) виражається в тому, що при білому кольору шерсті  вуха, ніс, кінчики лап і хвіст виявляються чорними (таке забарвлення називається горностаєвим, або гімалайським). При температурі више 30° колір шерсті кроликів повністю білий. Якщо будь-яку частину тіла, на якій вищепана біла шерсть, систематично охолоджувати, то на ній виростає чорна шерсть.

Рис. 7. Гімалайське забарвлення у кроликів

Приклад 4. У пшениці (та та багатьох інших рослин) добре відомі озимі та ярі форми. Озимі форми, посеяні навесні, зазвичай ростуть, кущаться, але не переходять до колосіння, тобто не розвиваються. Якщо насіння озимих форм перед весняним посівом стимулювати діє понижених температур протягом певного часу (яровизація), то то рослини будуть розвиватися за яровим типом і перейдуть до плодоношення.

В розглянутих прикладах експресивність алелей зачаткових крил у дрозофіли, біле забарвлення квіток у примули, горностаєве (гімалайське) забарвлення у кроликів, типу развитку у злаків залежать від температури. В інших випадках пенетрантність та експресивність визначаються генами-модифікаторами, які створюють генотипове середовище для прояву гена. Значення генетичних факторів у визначення характера  прояву ознак доводиться ефектом відбору в лініях з не повністю пенетрантними генами. Можна отримати лінії  як з різко зниженою  пенетрантністю по відношенню з вихідною лінією, так і з 100%-вою пенетрантністю.

Таким чином, в фенотипі ніколи не реалізуються всі генотипові можливості, тобто фенотип кожної особини є лише окремим випадком прояву її генотипу у визначених умовах розвитку.  Формування різних варіантів ознаки на основі одного і того ж генотипу називається поліваріантністю онтогенеза.

Питання 3.

Прояв фенотипових ознак в онтогенезi залежить вiд прояву дискретних одиниць спадковостi - генів. Ген, як одиниця спадковостi, має такi xapaктернi риси:

  1.  дискретність – тобто ген визначає присутність або відсутність окремої біохімічної реакції, ступінь розвитку або пригнічення певної ознаки;
  2.  градуальна дія – накопичення дози його в соматичних клітинах може призводити до посилення або послаблення прояву ознаки;
  3.  специфічна дія – тобто ген відповідає за синтез первинної структури білеової молекули;
  4.  множинна дія – ген може безпосередньо впливати на проходження різних реакцій і розвиток багатьох ознак організму (плейотропна дія);
  5.  полімерна дія – різні гени, що знаходяться в різних парах хромосоми, можуть діяти на розвиток одного і того ж органу, властивість організму, посилюючи або послаблюючи його;
  6.  залежність від факторів зовнішнього середовища через продукти, синтез яких вони детермінують.

Питання 4.

Експресія гена залежить від безпосереднього оточення, в якому він знаходиться. Це так званий ефект положення гена. Зміна активності гена нерідко пов’язана з переміщенням його в іншу групу зчеплення при транслокаціях або зі зміною його положення у хромосомі при інверсіях. Особливий випадок складають зміни експресії генів внаслідок діяльності мобільних генетичних елементів, які активують або пригнічують прояв тих генів, поблизу яких вони вбудовуються.

Сформований в процесі еволюції геном кожного виду являє собою сукупність генетичних одиниць, які представлені в ньому у чітко визначених дозах. В результаті генотипи особин і генотипи їх клітин збалансовані за дозами генів системи. Інколи збільшення кількості генів призводить до підвищення їх дози (прикладом може бути полімерія), але такий ефект спостерігається не завжди. В організмі існують механізми, які підтримують певне дозове співвідношення генів у генотипі. Наприклад, у процесі еволюції виникає механізм інактивації однієї з Х-хромосом у гомогаметної статі XX. Це врівноважує дозу активно функціонуючих Х-генів відповідно з їх дозою в гетерогаметної статі Х0 або XY.

Порушення дозової збалансованості генотипу організму призводить до різних відхилень у його розвитку. Прикладом можуть бути порушення розвитку організму при хромосомних перебудовах, коли доза генів змінюється в результаті втрати або переміщення фрагмента хромосоми, а також при зміні кількості хромосом у каріотипі (анеуплоїдія або поліплоїдія).

Таким чином, несприятливі наслідки хромосомних і геномних мутацій зумовлені, в першу чергу, порушенням дозової збалансованості генів у генотипі.

Узагальнюючи вищесказане, можна зробити висновки, що незалежно від того, що соматичні клітини мають ідентичний генетичний матеріал, на різних етапах онтогенезу функціонують різні гени.

Тема3. Мутації як зміни напрямку онтогенетичних процесів

  1.  Дизруптивні зміни в ході онтогенезу.
  2.  Аналіз часу й місця дії генів.
  3.  Мутації з материнським ефектом.
  4.  Мутації, які заторкують органогенез.
  5.  Мутації, які впливають на розвиток певних органів.
  6.  Гомеозисні мутації.

Питання 1.

Якщо морфологія є проявом складного комплексу процесів розвитку, то ці процеси, в свою чергу, є проявом дії генів. У багатоклітинних організмів частина геному специфічно бере участь у регуляції онтогенезу, характер еволюції відрізняється від характеру еволюції структурних генів. До цього часу вивчення цього питання обмежувалося ізольованими прикладами генного контролю морфогенезу, які не намагалися вирішити центральне питання: як гени визначають процес розвитку? Тут можна звернутися до програми механіки розвитку, висунутої Ру, проте, замість видаляти клітини й інші структури зародка, аби визначити їхню роль у розвитку, як це робили представники класичної експериментальної ембріології, генетика розвитку використовує мутації як тонкий скальпель, що дозволяє знищувати чи змінювати окремі гени.

Генетична модель, за допомогою якої можна вивчати будь-яку систему, теоретично знаходиться під генетичним контролем. Щоб проаналізувати будь-якої процес, у разі онтогенез, дослідник виявляє мутації, які змінюють даний процес. Виявив такі мутації, він веде фенотипове порівняння мутантних особин з нормальними. Це порівняння допомагає зрозуміти, як даний ген впливає на нормальний розвиток. Проте, якщо продовжити опис методу проведення такого порівняння, слід зазначити, що вплив мутацій на онтогенез проявляється двома основними способами. Це, по-перше, дизруптивні зміни, у яких процес розвитку порушується, що зумовлює морфологічні аномалії (наприклад, на відсутність деяких структур). У найбільш різко вираженоій формі такі мутації виявляються летальними. По-друге, це гомеозисні зміни, у яких під впливом мутації розвиток відхиляється від норми, у результаті якась структура даного організму заміщується гомологічним органом чи кінцівкою.

Аналіз порушень, що викликаються будь-якою дизруптивною мутацією, лише в окремих випадках зводиться до простого порівняння кінцевого фенотипу гинучої особини з генотипом, адже розвиток – це складний і високоінтегрованний процес. Чимало мутацій мають плейотропну дію, тобто відсутність чи зміна одного гена можуть стати причиною  кількох морфологічних змін. Прикладом служать зміни, які простежуються в людей з так званої аномалією Пельгера (>Pg). Вона наслідується в людини як проста домінантно-аутосомна ознака. У гетерозигот (>Pg/+) немає жодних клінічних симптомів, але для їхнії нетрофілів характерні аномально сегментовані ядра. У дорослої людини ядра полиморфноядерних нейтрофілів зазвичай складаються з чотирьох чи п'яти сегментів, у гетерозигот ж >Pg/+ ядра складаються лише з двох, рідше із трьох сегментів. Та сама ознака виявлена у кроликів, де вона наслідується за таким самим типом і аналогічно проявляється у картині крові. Схрещуючи гетерозиготних кроликів, можна одержати гомозиготних особин >Pg/Pg. Ядра нейтрофилов у цих особин взагалі розділені на сегменти, і такий генотип супроводжується низькою життєздатністю. Для небагатьох особин, що вижили, крім цієї особливості нейтрофілів характерна вкрай виражена карликовість з недорозвиненими кінцівками і грудною клітиною. Тут слід запитати: як і причинний залежність, якщо вони існують, між двомаплейотропними порушеннями? Не виключена можливість, що обидва фенотипові прояви є насправді результатом третього, поки що невідомого порушення, викликаного аллелем >Pg.

Питання 2.

Методи, які використовуютьсяпри визначенні первинного місця дії гена, подібні з застосовуваними у «класичній ембріології» і по суті, запозичені із неї. У своїй найпростішої формі ці методи перебувають у пересадці органу чи шматочка тканини від мутантної особини нормальному реципієнту. Проводять і реципрокні пересадки. Ця операція зазвичай виконується до прояву того чи іншого мутантного ефекту. Якщо генетичний дефект аналізованого органу чи тканини автономний з цією структурою, тобто, якщо вона є первинним місцем дії цього гена, слід очікувати, що мутантну тканину продукуватиме аномальний фенотип (у нормального хазяїна). Експерименти подібного типу робили на тканинах чи органах, вирощуваних у культурі, приблизно так само, експериментах зі спільного вирощування дерми і епідермісу миші, ящірки і курки, лише замість сполуки тканин від тварин різних видів з'єднують рядна або органи мутантних і немутантних особин. Створення мозаїчних особин проводилося у ще ширших масштабах Мінц (Mintz) та її співробітниками. Цим дослідникам вдалося зрощувати in vitro мишачі зародки на стадії морули. Такі «гібридні» зародки імплантують псевдовагітній самці. Миші, які отримані від чотирьох батьківських особин, складаються з суміші клітин різних генотипів, причому активні обидва генотипи. Цей метод можна також використовувати для аналізу автономності експресії мутантних генів, зрощуючи мутантні і нормальні зародки на стадії морули.

Варто згадати ще про один метод подібного типу – пропарабіоз. Він полягає у зрощенні цілих тварин, а не просто органів чи тканин. Проте необхідно зазначити, що за такого зрощування неможливо одержати справді інтегровані мозаїчні особини. Однак ці методи необхідні, щоб трансплантовані тканини, органи, чи зрощувані зародки були сумісні. У нижчих хребетних, як-от амфібії, це представляє серйозну наукову проблему; проте в ссавців виникає додаткове ускладнення у зв'язку з можливістю відторгнення трансплантату, отже варто спочатку переконатися, що мутантна і нормальна особини імунологічно сумісні.

Залишається навести ще два методи, які використовуються під час роботи з Drosophila melanogaster та є специфічними для онтогенетики. Це – створення гінандроморфів та індукція мозаїчних особин шляхом мітотичної рекомбінації. Гінандроморфами називають дорослих мух, тіло яких складається тільки з чоловічих, або тільки з жіночих тканин.

Використовуючи тип дробіння, характерний для двокрилих, та його особливу кільцеву Х-хромосому, таких мозаїчних особин можна постійно отримувати в лабораторних лініях. У нормі X-хромосома дрозофіли має форму палички, з одного боку якої знаходиться центромера. Одною з мутантних форм цієї хромосоми є замкнуте кільце. Кільце має цікаву особливість: при кількох перших діленнях дробіння вона нестабільна. Ця нестабільність може призвести, зокрема, до втрати кільцевої хромосоми одного з двох дочірніх ядер, які виникають при першому поділі дробіння. Якщо втрата відбувається в цій стадії, то результаті подальших ділень дробіння створюються популяції  ядер, одна частина яких містить кільцеву Х-хромосому, інша зовсім її позбавлена. Якщо зигота, починаючи ділитися, є гетерозиготною самкою – паличка-Х/кільце-Х, то після такої втрати половина її ядер виявиться жіночими і міститиме дві Х-хромосоми – кільце-Х/паличка-Х, інша половина –  чоловічими і міститиме тільки одну Х-хромосому – паличка-Х/О (стать дрозофіли визначається співвідношенням Х-хромосом і аутосом, а не У-хромосомою, як в ссавців). Після восьми синцитіальних ділень в яйці утворюється скупчення ядер.  Це скупчення не є випадковою сумішшю типів МО і XX. Ядра цих двох типів утворюють дві просторово розділені групи, розташування яких визначається площиною першого розподілу дробіння. Тому, коли така популяція ядер мігрує до периферичної цитоплазми, аби утворити клітинну бластодерму, вона мігрує як двох стичних, але відособлених груп чоловічих і жіночих ядер. Доросла муха, розвиваючись з такого гінандроморфного зародку, також мозаїчна. 

Рис 8. Гінандроморфи дрозофіли

Кількість і місцезнаходження дорослої тканини чоловічої чи жіночої природи мінливо. Це тому, що площину першого розподілу дробіння розташовується випадково стосовно осей яйця. Тому якщо площина першого дробіння ділить яйце по довгій осі на праву і ліву половини, то з нього розвинеться білатеральний гінандроморф. Варіації цього простого випадку приведуть до більшої або меншої частки чоловічої тканини залежно від цього, скільки ядер МО перебуває у тих ділянках бластодерми, якими сформовані дорослі тканини.

Питання 3.

В таких різних організмів, як морські їжаки і жаби, події, що відбуваються на ранніх стадіях дробіння, і по суті, більшість, коли весь розвиток, що передує гаструляции, не залежить від геному зиготи. Інформацію, необхідну для виконання цих початкових і вирішальних етапів онтогенезу, визначає материнський геном яйцеклітини. Існуванням у різних організмів генів з материнським ефектом підтверджує приклад закручування раковини у Limnaea.

Рис. 9. Закручування раковини у Limnaea.

Мутації цих генів передаються по спадковості  надзвичайно своєрідним  способом. При схрещуванні двох особин, гетерозиготних за якоюсь рецесивною ознакою, можна очікувати, що це ознака проявиться у 25% нащадків. Однак якщо особини з материнськими (>mat) мутаціями >mat/mat розвиваються нормально. Однак, чоловічі особини з таким генотипом фертильні і за схрещуванні з нормальними жіночими особами дають нормальних нащадків. На відміну від них гомозиготні самки дають аномальних нащадків. Це пояснюється тим, що в таких самок утворюються аномальні яйцеклітини, які можуть завершити нормальний розвиток. Самка >mat/mat виживає, вона походить від гетерозиготної (>mat/+) матері, здатної продукувати нормальні яйця. Напевно гени, які дають такі мутації, продукують якісь «морфогени», які утворюють в ооциті  ніби «інструкції» для раннього розвитку. Проте можливо також, що яйце не може розвиватися просто внаслідок загального порушення метаболізму. Вдалим прикладом служить група п'яти різних дефектів, наслідуваних за материнським типом і визначених генами, які локалізовані в Х-хромосомі Drosophila melanogaster: tin (>cinnamon), dor (>deeporange), amx (>almondex), fu (>fused) і  >r (>rudimentary). Всі ці ознаки, якщо вони успадковуються по материнському типу, відрізняють дорослих особин помітними морфологічними відхиленнями, за якими й одержали свої барвисті назви. Гомозиготні  самці, які мають одну з цих мутацій, життєздатні і фертильні, як і гетерозиготні самки. Схрещуючи мутантних самців з гетерозиготними самками, можна було б одержати гомозиготних самок, які при схрещуванні з мутантними самцями виявляються цілком стерильними. Наприклад, самки >dor/dor продукують яйця, розвиток яких припиняється залежно від стадії гаструляції. Інші чотири мутації також викликають загибель зародків, але на інший стадії, ніж мутації >dor. У характері наслідування всіх таких п'яти мутацій є ще одна аномальна особливість. Схрещуючи гомозиготних мутантних самок з нормальними самцями, можна було б одержати певну кількість нащадків. Усе це –гетерозиготні самки, що розвинулись з яєць, запліднених сперматозоїдом, несучим Х-хромосому. Жоден самець не виживає. Очевидно, присутність алеля дикого типу аналізованого гена може дешо знизити дефектність яйця, навіть коли цей алель вноситься сперматозоїдом. Це, звісно, передбачає, що у крайнього заходу частина геному зиготи активна під час гаструляції.

Питання 4.

Як приклад можна навечти локус N (Notch) у Drosophila melanogaster. Notch-зчеплена із статтю домінантна мутація. Гомозиготні самки (N/N) і гемізиготні самці (N/Y) гинуть на стадії зародка приблизно через шість год після запліднення. Цей час відповідає моменту, що наступає після гаструляції, коли зародок виконав приблизно четверту частину ембріогенезу. Гістологічні і морфологічні дослідження цих зародків, проведені Паулсоном (Paulson), показали, що вентральна і латеральна ектодерма, що зазвичай дає початок епідермісу і нервовим клітинам, утворює лише клітини, схожі на нейробласти, а епідерміс зовсім не утворюється. Тому можна припустити, що локус  Notch необхідний для диференціювання з зародкової ектодерми нервової тканини на противагу епідермальній. Шелленберджер (Shellenbarger) і його співробітники виділили з локусу Notch алель, що чутливий до температури, і охарактеризували його. Мухи, що містять цей аллель, за нормальної температури 22 °С розвиваються нормально, тоді як при  29 °С спостерігається описана вище загибель зародків. У експериментах із змінами температур, проведених для мутантів shibire, було встановлено, що при дефекті локусу Notch й недостатності продукту цього локусу зародок чутливий у цей ранній період ембріогенезу. З допомогою короткочасних підвищень температури виявлено ще три періоду, коли мутантному організму життєво необхідна нормальна активність локусу Notch. Впливом непермісивної температури на личинки другого чи третього року або лялечок викликали летальні наслідки. Проте, короткочасні впливи (pulses) іноді на третій личинковій стадії чи стадії лялечки викликали такі ж самі рубці очей  і дефекти щетинок, як в мутантів  shibire. Тому, подібно shibire, мутація Notch володіє значно більше широкою дією, ніж слід було б очікувати, виходячи з її головного фенотипового прояву.  Усі структури, на які вона діє, ектодермального походження, і у своїх подальших експериментах з гінандроморфами Шелленберджеру вдалося показати, що спостережувані морфологічні дефекти автономні і притаманні лише ектодермальним клітинам. Отже, знову, як у разі мутацій shibire, складається враження, що хоча б продукт мутанта Notch необхідний різним клітинам ектодермального походження на протягом кількох дискретних періодів протягом усього розвитку. Слід зазначити, що на завершення одного й того ж набору онтогенетических подій необхідні дві різні гени, Notch+ і shibire+, і що відсутність одного чи іншого з них призводить до дивовижно подібному комплексу порушень.

У хатньої миші (Musmusculus) є один складний ген, Т-локус, який передусім подібний з вище описаною системою Notch. Перший алель цього локусу був описаний як аутосомна домінантна  алель, під назвою Brachyury (Т). У мишей, гетерозиготних по цьому гену, Т/+, хвости короткі. У гомозиготному  стані (Т/Т) цей ген летальний і зародки гинуть внутрішньоутробно. Невдовзі після виявлення цієї домінантної мутації було встановлено, що нащадки від схрещування гетерозигот (Т/+) з мишами дикого типу часто зовсім позбавлені хвоста. Виявилося, що це безхвості миші – результат рецесивних алелів Т-локусу, часто можна зустріти у природних популяціях мишей. Отже, ці безхвості миші мали генотип T/t. Від схрещувань між такими гетерозиготними мишами T/t отримано безхвості миші. Пізніше засвідчили, що це зумовлено «збалансованою системою леталей». Як виявилося, серед нащадків від схрещування гетерозигот летальними були тільки гомозиготи Т/Т, чого слід очікувати, а й гомозиготи t/t. Отже, виживали лише гетерозиготи T/t, що й давали наступне покоління. Ця інтригуюча ситуація вивчена як генетично, так й ембріологічно в  низці образотворчих  робіт Денна (Dunn), учнів художника Беннета (Bennett) і Глюксон-Велша (Gluechsohn-Waelsch).

Через війну генетичних досліджень отриманих ліній, збалансованими за леталями, було встановлено, що схрещування між бесхвостими мишами, які отримали свій рецесивний алель t від різних популяцій, часто давали нормальних нащадків. Зокрема, від схрещування T/ta x T/tb отримано нормальні і безхвості нащадки у співвідношенні 2:1. Можна показати, що нащадки з нормальними хвостами мають генотип ta/tb. Отже, цей генотип був нелетальним, а й нормальним морфологічно. Ще одна особливість цього локусу була виявлена при схрещуванні між самими лініями. Зазвичай схрещування гетерозиготи T/ta з такою ж гетерозиготою дає лише безхвостих нащадків. Проте зрідка (1:500 – 1:1000) серед нащадків зустрічаються миші з нормальними хвостами. Ці нормальні миші майже завжди виходять внаслідок рідкісної генетичної рекомбінації в 17-ї хромосомі, в ділянці, відповідному локусу Т чи що прилягає до нього. Можна показати, що наявність хвоста у цих рекомбінантних нащадків обумовлена тим, що з рекомбінацією сталося перетворення початкового алеля ta у новий алель tx, який комплементарний алелю ta так само, як t->алелі, які від мишей дикого типу, комплементарні одне одному. Різниця, звісно, у тому, що tx у разі безпосередньо пов'язані з ta своїм походженням. Було показано, що таке перетворення одного алеля t в інші комплементарні типи характерно для більшості виділених рецесивів. Деякі алелі, наприклад  tx, можуть у свою чергу за допомогою того ж самого механізму перетворитися на інший комплементарний аллель, наприклад ty. Таке перетворення одного рецесивного аллеля t на другий призводить до утворення низки поступово перехідних як інших алелей, а в остаточному підсумку до створення про- tviable, чи tv, алелів. Всі ці останні алелі нелетальні, і безхвостий фенотип експресується лише в гетерозигот Т/tv; у особин tv/tv хвости нормальні.

Ще один клас рецесивних t-мутацій – це напівлеталі, життєздатність коливається від 2 до 51% нормальної. Як і повністю летальні алелі, вони шляхом поступових перетворень дають tv-типи. Комплементарні схрещування (T/ta x T/tb) всіх, як природних, і отриманих експериментально рецесивних алелів показали, що 111 існуючих мутацій розпадаються на 8 окремих груп, причому жодна їм некомплементарна Т->аллелю. Кількість членів переважають у всіх групах різна – від однієї групи >t>w 73 до 66 групи алелів tv. З п'яти домінантних Т-мутацій одна спричинена впливом рентгенівських променів, проте інші мутації, знайдені у цьому локусі, очевидно, виникли спонтанно.

Доембріологічні особливості експресії складного локусу

Кожна із 8 комплементарних груп обумовлює різноманітні дефекти, які у період від ранніх до пізніх стадій розвитку зародка. Морфологічні прояви цих дефектів представлені на рис. 7–10 і 7–11. Найбільш ранні дефекти виявлено у зародків, гомозиготних за алелем t12. Запліднення і розподіл дробіння зиготи призводять до утворення кулястої маси клітин - морули. Першої ознакою клітинного диференціювання у мишей спостерігається під час переходу від морули до наступної стадії – бластоцисти, що з складається з трофобласта (трофектодерми) і внутрішньої клітинної маси. Гомозиготні t12-зародки не досягають стадії і недиференційовані «морули» гинуть, не імплантуючись у стінку матки, на відміну від нормальних зародків. Це проходить приблизно на 4-й день запліднення. З іншого боку, t12-клітини, очевидно, автономні за своєю летальною дією. Химера, що містять ембріональні клітини t12 і нормальні ембріональні клітини, летальна, та її розвиток не заходить далі стадії, де гинуть зародки t12. Тому мутація t12, очевидно, зачіпає локус, де необхідний перший крок в диференціюванні мишачого зародку  –  виникнення трофобласта, із якого в остаточному підсумку формуються хоріон та інші характерні всім плацентарним ссавцям позазародкові оболонки, які утворюються з зиготи.

Питання 5.

Тоді як локус Т надає, очевидно, різноплановий розвиток ектодерми, існують мутації, які викликають більш специфічні дефекти. Прикладом служить мутація cardiaclethal (з) у аксолотля Ambystoma mexicanum.

Рис. 10. Аксолотль Ambystoma mexicanum.

Ця мутація була вперше виявлена і досліджена Хемфрі (Humphrey). Хемфрі встановив, що мутація з успадковується як проста аутосомно-рецессивна ознака, отже при схрещуванні двох гетерозиготних особин (з/+) 25% нащадків гине на ранніх личинкових стадіях невдовзі після вилупления. Ці мутантні особини плавають, як нормальні личинки, але мають роздуте тіло, травна система і зябра вони недорозвинені. Первинна причина цих дефектів – порушення розвитку серця й його нездатності до скорочень. Тому в мутантних личинок відсутня кровообіг, а дихають вони, мабуть, шляхом дифузії через шкіру, що їм можливість проіснувати лише протягом обмеженого періоду часу. Як показав Хемфрі,  шляхом зрощування нормального і мутантного зародків, це порушення розвитку серця носить автономний характер.

У мутантного і нормального зародків, узятих до закладання серця, видаляли порціями тканини з бічних поверхонь тіла. Потім зародки з'єднували за місцем рани й давали їм зростися. Коли ці зрощені особини завершували розвиток, було встановлено, що нормальний партнер послабляв роздутість та інші дефекти зародка с/с, даючи можливість вижити. Проте серце мутантного партнера назавжди залишалося простою трубкою, нездатною до скорочень, і кровообіг мутанта повністю забезпечував нормальний партнер. Встановлено, що з хребетних багато органи, зокрема серце, розвиваються внаслідок певних індукційних взаємодій. Зокрема, Джекобсон і Дункан (Jacobson,Duncan) показали, що в хвостатих амфібій розвиток серця з мезодермальних зачатків індукується головною ділянкою ентодерми. Причиною, що особам с/с вдасться утворити серце, є, можливо, нездатність головної ділянки ентодерми індукувати той процес або ж нездатність серцевої мезодерми реагувати на індуктор. Щоб з'ясувати, яка з цих двох причин викликає порушення розвитку, Хемфрі пересаджував нормальну серцеву мезодерму с/с-реципієнтам, а мезодерму с/с-мутантів – нормальним реципієнтам. Виявилося, що мезодерма с/с здатна утворити скорочуюче серце під індукційним впливом нормальної головної ділянки ентодерми, тоді як мутантні зародки, що неспроможні забезпечити розвиток нормального серця. Ці результати можна інтерпретувати як вказівку на відсутність індукційною активності головної ділянки ентодерми у мутанта с/с. Можливо, що мутантні особини активно придушують формування серця. Експерименти, проведені Леманскі (Lemanski) і його співробітниками, роблять останнє припущення менш імовірним. Ці автори вирощували in vitro мезодермальні зачатки серця мутантних і нормальних зародків. При  перетворенні мутантної мезодерми на нормальну серцеву мезодерму відбувалися сильні скорочення. Якщо брати до уваги те, що скорочення мутантной тканини придушувалися in situ, то вирощування in vitro мало зняти цей вплив. Проте, при сумісному культивуванні мезодерми мутанта с/с головнї ділянки ентодерми нормального зародка в мутантній тканині починалися скорочення; це свідчить, що мутантна мезодерма здатна нормально реагувати на відповідний індукційний вплив. Отже, ген «cardiaclethal», очевидно, обумовлює нездатність головного ділянки ентодерми забезпечити індукційний сигнал, що запускає диференціювання серця з його мезодермальних зачатків.

Гени, які діють на пізніх стадіях розвитку й у процесі росту

Зрозуміло, що мутації генів, що безпосередньо визначають морфогенетичні шляхи, особливо тих генів, що діють на ранніх стадіях, можуть викликати надзвичайно різкі зміни розвитку. Проте і гени, які діють на пізніших стадіях, впливають на загальну морфологію даного організму.  До таких генів відносяться ті  гени, які контролюють особливості росту організму після становлення загальної морфології і органогенезу. Вони повинні були виявлені по експресії мутацій, які впливають на дію гормонів, що зумовлює гигантизм чи карликовість. Зміни форми (наприклад, відносних розмірів кінцівок) може бути результатом змін характеру росту, що викликаються плейотропними ефектами, що супроводжують основний гормональний ефект мутації. Зміни подібного типу безсумнівно призводили до еволюційним змін, проте подібні пізні зміни розвитку викликали корінні перебудови в морфології. Відома мутація, яка демонструє пластичність процесу розвитку і  тому заслуговує на особливу уваги. Це – мутація gt (>giant) у Drosophila melanogaster. Ца зчеплена із статтю рецессивна ознака уперше виявлена Бриджесом (Bridges) і Габерчевски (>Gaberchevsky) в 1928 р. Весь процес розвитку дрозофіли – від запліднення до статевої зрілості – зазвичай займає 10 днів. У мутантів gt цей процес триває на 2–5 днів довше. В утворених мух нема морфологічних відмінностей від нормальних, але вони вдвічі крупніші. Спосіб появи цієї зміни являє собою значний інтерес. Розвиток мух gt протікає нормально протягом усього ембріонального періоду й до наближення личинок до кінця третього віку. В той момент, коли нормальні особини оляльковуються і починають метаморфоз, особини gt все ще знаходяться в личинковій  стадії. На личинкових стадіях і на початку стадії лялечки відбувається проліферація імагінальних дисків – клітин, виділені на формування тканин дорослої мухи, від числа цих клітин залежать розміри імаго. У личинок gt упродовж розтягнутого періоду личинкового розвитку, очевидно, іде за рахунок принаймні одного додаткового клітинного поділу. Оскільки ті клітини личинки, які політенні (наприклад, клітини слинних залоз), то беруть участь іноді у двох додаткових циклах синтезу ДНК. Личинки gt після цього 2–5-денного додаткового періоду росту утворюють лялечку, яка приблизно вдвічі крупніша за звичайну. Потім відбувається метаморфоз і після кілька подовжених стадій лялечки з'являється морфологічно нормальна доросла особина подвійного розміру. Отже, комаха здатна регулювати свій розвиток, попри явну додаткову проліферацію, попередню диференціацію, жодних додаткових елементів (органів) не утворюється. У оболочников та нижчих хордових організмів число і тривалість термінів ділень дробіння змінюються залежно від відносного значення личинкової  стадії в різних видів.

Частка маси раннього зародка, що передує спеціалізованим личинковим органам, різна. Звідси випливає, що дві зовсім різні морфогенетичні системи здатні узгоджено зробити великі зміни і створити цілком інтегрований організм. Гени, які діють на пізніх етапах розвитку, регулюють розподіл продукованих пігментів на поверхні тіла, і їх кількість; ефекти мінливості цих генів цілком очевидні у природних популяціях більшості організмів. Такі зміни безсумнівно мають важливе значення для процесів відбору, а тим самим і для еволюції, вони, мабуть, несуттєві для морфологічних змін (perse).

Онтогенез перебуває під наглядом генів. Як довели дослідження, цей контроль відбувається на  кількох рівнях. З допомогою мутацій, успадкованих за материнським типом, можна продемонструвати генетичну регуляцію організації яєць таким видів, як дрозофіла, ранній розвиток якої має мозаїчний характер. Інші мутації, такі як tailless у миші чи cardiac і eyeless у аксолотля, свідчать про існування генетичного контролю, чинного на наступних стадіях розвитку, відповідно як і для належного функціонування каскадних онтогенетичнихх подій, що призводять до диференціювання основних зародкових листків, необхідна специфічна генетична інформація, а органогенезу – відповідні індукційні взаємодії. Нарешті, генетичні зміни можуть змінювати події, що відбуваються на пізніх стадіях розвитку, зокрема процеси росту та пігментацію, а й викликає цим дефінітивну форму дорослого організму. Еволюційний процес може відбирати зміни експресії генів, які відіграють значну роль у розвитку, і створювати в такий спосіб нові морфогенетичні шляхи. Проте необхідно  підкреслити різницю між генами і природою мутацій (змін експресії), важливих для еволюційних змін. Більшість мутацій, які наведені вище,  має різко виражені і згубні ефекти. Їх значення полягає у виявлення генетичних елементів, які лежать у основі деяких процесів розвитку. У морфологічній еволюції, цілком імовірно, беруть участь мутації, які мають менш вираженим ефектом. Усі мутації, які змінюють терміни чи тривалість подій чи силу взаємодій, призводитимуть до еволюційної модифікації шляхів розвитку. Для становлення структури та морфогенезу вирішальне значення мають також гени і мутаційні зміни зовсім іншого типу.

Питання 6.

При порушенні структури гомеозисних генів виникають гомеозисні мутації, які змінюють порядок експресії активних генів. Фенотиповий ефект гомеозисних мутацій полягає у перетворенні одних органів в інші.

Наприклад, у мухи дрозофіли мутація групи генів bithorax, що контролюють розвиток  грудних та черевних сегментів у дрозофіли, може призвести до появи крилоподібних утворень замість галтерів. Мутації групи генів antennapedia виражаються в тому, що у комах на місці антен виростають ніжки. Мутації ophthalmoptera призводять до развитку крила з имагінального диску  ока. Мутації proboscipedia призводять до розвитку ноги або частини антени (в залежності від температури) замість хоботка. У мутантів tumorous head ткани голови заміщуються іншими типами тканин, включаючи структури, характерні для геніталій.

Генотип – це програма розвитку, обумовлена історією розвитку вида. Фенотип можна визначити як результат реалізації генотипа в ході онтогенеза при певних умовах зовнішнього середовища, для якого характерна система ознак і властивостей організма.

Наприклад, у рослин синтез хлорофілу, який контролюється дією генів, не може проходити в темноті, і для цього процесу обов'язковим є наявність світла. Подібне спостерігається і при утворенні антоціана: при недостатньому освітленні гени, що контролюють утворення цього пігмента, діють дуже слабко або зовсім не діють. Відомо, що для нормального розвитку, цвітіння і плодоношення кожний вид рослин на визначених етапах онтогенезу потребує визначеної тривалості світлового дня.

Морфози і терати. Нормальним може бути названий такий фенотип, який виникає в оптимальних умовах середовища під контролем нормального, або «дикого» генотипа. Фенотипове відхилення від «дикого типу» утворюють морфози і терати. Морфози – це такі зміни органів, які не перешкоджають нормальному функціонуванню організма (наприклад, зрощені квіткові пагони в кульбаби, зміна конфігурації листків). Терати (химери) приводять до часткової або повної втрати органом його функцій (наприклад, перетворення плодолистків у звичайні листки–трофофіли, тичинок у пелюстки). Морфози і терати не пов'язані із змінами в генах, що безпосередньо відповідають за формування даних ознак. Інакше кажучи, це результат результат порушення дії генов. Оскільки генотип залишається незмінним, морфози і терати не успадковуються, схильність до появи таких порушень може бути обумовлена особливостями генотипу. Морфози і терати можуть бути обумовленими дією різних фізичних і хімічних факторів.

Приклад 1. Сіре забарвлення у дрозофіли – це нормальна ознака. Якщо личинкам дрозофіли додавати в корм азотнокисле срібло, то все ці личинки розвиватимуться в мух з жовтим тілом. Але, від цих жовтих мух отримувати потомство і вирощувати його на звичайному поживному середовищі, то всі нащадки знову стануть сірими. Таким чином, в даному випадку «пожовтіння» тіла мух – це не мутація, а морфоз.

Приклад  2. У деяких комах  зниження  температури викликає розвиток меланістичного забарвлення («почорніння» тіла). Якщо від меланізованих  форм отримати потомство і вирощувати личинок при нормальному  забарвленні, то всі нащадки знову повернуться до вихідного забарвлення.

Приклад  3. В 1960-і  рр. в Європі широко використовувався транквілізатор талідомід. Проте у вагітних жінок, що приймали цей  препарат, народилось біля 7 тисяч дітей з вродженими порушеннями (відсутність або деформація вушних раковин, великих пальців на руках, вкорочення кінцівок, зміщення бедра; тератогенна дія талідоміда була особливо сильною на 20…36 добу розвитку зародка).

Приклад  4. Деякі косметичні препарати (наприклад, для лікування вугрів) містять аналог вітаміна А (13-цис-ретинову кислоту). У 59 вагітних жінок, що використовували ці препарати, народилась 21 дитина з різними вадами, а 12 плодів були спонтанно абортовані (критичним періодом для 13-цис-ретинової кислоти  є також 20…35 доба розвитку зародка).

Приклад 5. У вагітних японок, що пережили ядерне бомбардування Хіросіми і Нагасакі, часто народжувались діти з недорозвинутими кінцівками. В результаті Чернобильскої катастрофи в районах з рівнем забруднення більше 15 Ки/км2 (за Cs-137) частота вроджених аномалій зросла майже в 2 рази (в порівнянні з Мінськом в 1980–1985 рр.).

Відхилення від «дикого фенотипу» не завжди є аномаліями. Сільськогосподарська практика показує, що, змінюючи умови вирощування рослин і тварин, можна в широких межах  варіювати кінцеві результати без нанесення шкоди для самих організмів. Для багатьох видів рослин добре відомі умови вирощування, що забезпечують найбільшу продуктивність. Відоме значення вітамінів і гормонів для онтогенеза тварин, що можна використовувати для регулювання їх індивідуального розвитку. Наприклад, встановлені особливості впливу освітлення і температури на несучість у домашньої птиці.

Фенокопії і генокопії

Досить часто при реализації різних генотипів можуть виникати подібні фенотипи: фенокопії і генокопії.

Термін «фенокопія» вживається в тому випадку, якщо розглядають «дикий» і мутантний генотипи. Коректне застосування термину «фенокопія» передбачає, що для одного генотипу даний результат вважається нормальним, а для другого – аномальним. Фенокопії – це морфози і терати. Вони не успадковуються, але успадковується схильність до  утворення фенокопій.

Приклад 1. У комах темне забарвлення тіла може бути  обумовленим генетично. Проте при низьких температурах з'являються меланістичні форми  у комах з генотипом, який в стандартних умовах дає звичайне забарвлення. Тоді морфоз «темне тіло» є фенокопією мутації «темне тіло».

Приклад 2. Яровий тип розвитку у злаков обумовлений визначеним генотипом. Яровизація озимих злаків обумовлена дією зовнішніх факторів. Тоді развиток озимих злаків за яровом типом є фенокопією спадково ярових форм.

Приклади генокопій у дрозофіли  (за І.А. Рапопорту):

Термин «генокопія» використовується, якщо розглядати два і більше мутантних генотипів. Наприклад, у дрозофіли яскраво-червоне забарвлення очей забезпечують мутаціїв різних генів: v, cn, st, cd. Тоді дрозофіли з різними генотипами, але яскраво-червоними очима будуть генокопіями один одного.

Механізми виникнення генокопій різноманітні. Наприклад, ланцюг перетворень вихідної речовини в кінцевий продукт XYZ може бути перерваний в результаті мутацій в гені A, що контролює перехід  XY, або  в гені B, який контролює перехід YZ.

Використана література




1. на тему Дата защиты курсовой работы
2. 12.2013 пара Время Груп
3. тема управления советским обществом которая тесно связана с функционированием государственной партии обла
4. Людовик I Благочестивый
5. Понятие и виды правонарушений
6. Тема- Обобщение знаний по теме Воды суши 6 класс Тип урока- Урок обобщающего повторения и систематизации з
7. Средняя общеобразовательная школа 6 Красногвардейский район Ставропольский край Сценарий
8. Тема- Техногенные опасности
9. Тема предыдущего урока ~ Повторение изученного об имени существительном
10. .Огнепроводный шнур ОШ ~ шнур с пороховой сердцевиной которая горит с определенной скоростью.
11. тема SWIFT Становление цивилизованной финансовой системы в России немыслимо без быстрого точного без1
12. Тема II ИНТЕРПОЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИЙ Постановка задачи интерполирования Интерполирование ~ одна из зад
13. Проектирование системы электронной почты предприятия
14. Но однажды совершенно случайно ничего не планируя и ничего не намереваясь сделать человеку улыбается судь
15. Она писала в духе горных инженеров... (газета Екатеринбургская неделя
16. Жизнь Бьянки Капелло последняя флорентийская трагедия XVI века
17. покопаться в моей косметике Ух я отнеслась со всей ответственностью и серьезностью к написанию этого пос
18. Баллистический Крутильный Маятник
19. Прогнозирование опасных факторов пожара в учебном учреждении
20. Понятие об иммунитете организма животных и человека