Концепции индивидуального развития Генетических контроль развития 1

. Концепции индивидуального развития. Генетических контроль развития. 1. Развитие определяется геномом. 2. Активность генов подвержена регуляции. 3. Детерминация (будущая специализация) клеток определяется задолго до появления внешних признаков дифференцировки. 4. Направление развития клеток зависит от их позиционной информации и индуктивных сигналов среды. 5. Различные клеточные типы являются результатом дифференциальной экспрессии генов клеток содержащих одни и те же молекулы ДНК. 6. Клетки тканей многоклеточных могут дедифиренцироваться и затем дать все типы специализированных клеток взрослого организма.

У животных возможна ядерная трансплантация Если ядра дифференцированных клеток пересадить в предварительно энуклеированные яйцеклетки или зиготы, то ядро способно обеспечить развитие в организма.

Клонирование - использование соматических клеток организма с целью получения других генетически идентичных индивидуумов.

Стволовые клетки способны: а) к постоянному самовоспроизведению и б) в соответствующих условиях дифференцироваться в специализированные клетки. Стволовые подразделяются на: 1. Тотипотентные эмбриональные стволовые клетки, которые можно получить на стадии бластоцисты, культивировать, они могут дифференцироваться в различные клеточные типы. 2. Стволовые клетки взрослого организма плюрипотентны , они могут производить многие, но не все клеточные типы.

Теории контроля развития живых систем. 1. Преформизм – рост и развитие в определенном пространственном порядке предсуществовавших структур и частей будущего организма. 2. Эпигенез – (Ф. К. Вольф). В онтогенезе осуществляются качественные изменения приводящие к возникновению структур и частей организма из бесструктурной яйцеклетки.

3. Эмбриональная индукция (Г. Шпемен, Х. Мангольд). В процессе развития одна часть зародыша (индуктор или организатор) выступает как причина становления другой (компетентной ткани). Т. о. онтогенез представляет собой цепь последовательных индукций. Судьба клеток зависит от их взаимодействия, что приводит к изменению экспрессии генов. Развитие сопровождается сужением потенций клеток У некоторых видов тотипотентна только зигота, У млекопитающих тотипотентность сохраняется до стадии 16 бластомеров. В ходе эмбриогенеза тотипотентность сменяется плюри- и унипотентностью

4. Концепция физиологических градиентов (Чайлд Чарлз Мэннинг). У организмов обнаруживаются градиенты интенсивности обмена веществ. А). Судьба части зародыша есть функция от соответствующего ей уровня физиологического градиента. Б) Возникновение же самих градиентов определяется гетерогенностью внешней среды. 5. Концепция позиционной информации (Л. Вольперт [Wolpert], ). • позиционная информация (внешние молекулярные воздействия, которые контролируют тип морфогенеза) определяет позиционную судьбу клеток. • выбор направления дифференцировки клетки, определяется позиционной информацией. • группы клетки обладают разным позиционным значением.

Позиционная информация в развитии конечности позвоночных. Почка конечности имеет организационные области : Апикальный эктодермальный гребень, контролирует формообразование вдоль проксимо-дистальной оси. Поляризующая область контролирует формообразование вдоль передне-задней оси. Организационные области развивающегося зародыша: а. воздействуют при помощи выделяемых ими веществ, диффузия которых в зачатке приводит к образованию градиентов концентрации. б. градиент концентрация мог бы указывать клетке на ее расстояние (позиционное значение) от организационной области. 1. Первоначальная ассиметрия клеток приводит к экспрессии разных генов; 2. Продукты этих генов приводят к дифференцировке специализированных клеточных типов 3. Различные пути формообразования координированы в морфогенезе, что приводит к образованию многочисленных тканей и органов

Правило интеркаляции, содержит два важных положения: 1. правило роста - разрывы в ряду позиционных значений вызывают локальный рост 2. правил непрерывности - новообразующиеся клетки приобретают промежуточные позиционные значения, восстанавливающие непрерывность ряда. Согласно правилу интеркаляции появление чрезмерно крутых градиентов позиционных значений вызывает локальный рост.

Источниками информации для клеток являются: • детерминанты цитоплазмы и • индукционные воздействия.

1. Развитие детерминировано генотипом зиготы, а также эпигенетическими различиями возникающими между эмбриональными клетками на ранних этапах развития (преформированный эпигенез). 2. Разные типы дифференцировок обусловлены экспрессией различных генов в разных клетках эмбриона. 3. У большинства видов комбинация цитоплазматических детерминант яйцеклетки и расположение клеток в разных частях эмбриона обеспечивает дифференцировку клеток на ранних этапах эмбрионального развития. 4. Клеточные деления, дифференцировка, взаимодействия 4. клеток ведут к морфогенезу 5. Молекулярные основы детерминации и дифференцировки клеток – это экспрессия генов конечной дифференцировки, кодирующих тканеспецифичные белки.

Генетический контроль развития.

Для исследования развития использовали мутантов дрозофилы, что позволило идентифицировать контролирующие развитие гены. А. Становление осей тела Гены с материнским эффектом (гены полярности яйца ) кодируют детерминанты: • градиент и. РНК гена BICOID определяет передне-заднюю ось зародыша. • градиент BICOID белка (морфоген) активирует гены, кодирующие начало формирования головные и грудные сегменты зародыша. • в формировании вентрально-дорзальной оси участвуют градиенты материнских м. РНК и их белков, локализованные в области заднего полюса яйца.

Б) Зиготический контроль - Формирование сегментов контролируют гены сегментации

В) Идентификацию частей тела осуществляют гомеозисные (homeiotic) гены. Они регулируют активность генов определяющих анатомические особенности индивидуальных сегментов тела Мутации гомеозисных генов приводят к трансформации одного сегмента в другой (Antennapedia, bithorax).

Г) На заключительных этапах реализации генотипа в основном благодаря активации белковыми продуктами гомеозисных генов транскрибируются группы структурных генов конечной дифференцировки, определяющих в конечном итоге фенотипы клеток.

Иерархия активности генов в раннем развитии Дрозофиллы Гены с материнским эффектом (гены полярности яйца) ↓ Гены контролирующие число и дифференцировку сегментов эмбриона ↓ Гомеозисные гены эмбриона ↓ Гены конечной дифференцировки

Гомеозисные гены консервативны у разных видов 1. Они содержат гомеобокс, который кодирует гомеодомен (белок регулирующий транскрипцию). 2. Гомеодомены связываться с энхансерными участками ДНК генов конечной дифференцировки. 3. Гомеозисные гены обнаружены у многих организмов. 4. Гомеобокссодержащие гены расположены группами во второй, седьмой, двенадцатой и семнадцатой хромосомах человека. 5. Расположение этих генов соответствует порядку гомологичных генов в хромосоме дрозофилы. 6. Гомеобокссодержащие гены сохранили свою структуру на протяжении длительного периода эволюции, в следствие свойственной им фундаментальной роли в процессах морфогенеза.