Конспект лекций по курсу «Генетика онтогенеза»

Представления о генетической основе развития стали формироваться относительно недавно. У истоков генетики онтогенеза стоял целый ряд ученых, однако самое значительное влияние на появление данного направления в науке оказали четверо из них. Это Эдмунд Вильсон, Теодор Бовери, Ганс Дриш и Томас Морган. Каждый из них начинал свою карьеру как эмбриолог. Таким образом, эмбриологию, наряду с собственно генетикой, можно считать одной из прародительниц генетики онтогенеза.

Одними из основных объектов генетики развития являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae, нематода Caenorhabditis elegans, плодовая мушка Drosophila melanogaster и мышь (Mus musculus). Еще одним модельным объектом, используемым, хотя и не так часто, в экспериментах по генетике онтогенеза является тропическая пресноводная рыбка Danio rerio

Открытие технологий клонирования генов и конструирования векторов экспрессии, позволившие изучать эукариотические гены в простых и удобных прокариотических системах, и появление технологии клеточных культур стало огромным толчком в развитии генетики онтогенеза.

Из классической генетики был позаимствован подход индуцированного мутагенеза, сопровождающийся отбором форм с теми или иными отклонениями (например, симптомами заболеваний человека, что особенно актуально для медицинской генетики) с последующим поиском генов-кандидатов, мутации в которых приводят к такому фенотипическому проявлению. Анализ генных регуляторных сетей и молекулярно-генетических каскадов, управляющих процессами развития, позволил говорить если не об идентичности, то о высокой степени гомологии таковых для филогенетически далеких групп организмов.

В настоящее время все большее значение для генетики развития приобретают методы системной биологии – науки, осуществляющей интеграцию знаний, полученных на различных уровнях организации жизни (от молекулярного до тканевого или организменного), при помощи разных экспериментальных и теоретических методов. Такие методы, как математическое и компьютерное моделирование, стали неотъемлемой частью генетики онтогенеза, позволяющей получать данные о процессах, воссоздать которые в деталях в экспериментальных условиях пока не представляется возможным.

Современные технологии, включающие также секвенирование и анализ генома человека и модельных объектов, интерактомные карты, нокаут генов, технологии микрочипов и многие другие, которые будут рассмотрены в данной главе, позволили получить огромный объем информации о молекулярно-генетических механизмах регуляции развития растений, животных и даже человека.

Поддержание жизнедеятельности клеток, а тем более их размножение и направленная дифференцировка в процессе онтогенеза, зависят от многочисленных сигналов, поступающих в клетку извне или генерируемых в ней самой. В первом случае передача информации осуществляется посредствам внеклеточных химических сигналов, которые представлены гормонами, ростовыми факторами или нейротрансмиттерами. Эти молекулы связываются со специфическими рецепторами, локализованными на плазмалемме, и запускают серию последовательных реакций, в результате которых активируются те или иные эффекторы внутри клеток. Во втором случае регуляторные сигнальные каскады активируются в ответ на внутриклеточные стимулы, называемые метаболическими мессенджерами.

Большинство из известных на сегодняшний день сигнальных каскадов функционируют на всех этапах онтогенеза, а некоторые из них, помимо участия в формообразовательных процессах, контролируют еще и гомеостаз клеток и базовые этапы клеточного обмена веществ и энергии, что обеспечивает жизнь клетки как таковую. Поэтому иногда очень сложно определиться с тем, какие сигнальные каскады являются собственно онтогенетическими, а какие можно отнести исключительно к каскадам «домашнего хозяйства», чаще всего одни и те же регуляторные каскады способны выполнять обе функции, причем в зависимости от стадии развития организма одна из них может преобладать. Какая из активностей будет преобладать в данный конкретный момент, определяется сигналами, поступающими из окружения, в котором локализуются клетки.

Начиная разговор об индивидуальном развитии организма, необходимо помнить, что самые ранние этапы этого процесса контролируются продуктами генов, экспрессия которых осуществляется еще в организме родителей, а именно в линии предшественников половых клеток. В связи с этим актуальным является начало изучения онтогенетических процессов именно с событий, приводящих к формированию клеток герминативной линии и генов, контролирующих корректное обособление и поддержание этой линии.

Клетки герминативной линии представляют собой особый тип клеток, основная функция которых заключается в передаче генетической информации в ряду поколений. В противоположность им соматические клетки дают начало лишь разнообразным клеткам тела, которые имеют ограниченную продолжительность жизни и постепенно заменяются новыми клетками, возникающими из стволовых.

Образование клеток герминативной линии происходит в раннем эмбриогенезе. Различают два основных пути формирования данного типа клеток. Первый путь характерен для большинства известных живых организмов, за исключением млекопитающих. За закладку половых клеток в данном случае отвечает особый участок цитоплазмы, который хорошо различим в микроскопе уже на стадии одноклеточной зиготы, и называется герминативной или зародышевой плазмой. В данной области локализованы особые мРНК и РНК-связывающие белки, а также митохондрии и рибосомы, которые при последующих делениях зиготы будут накапливаться в ограниченном числе клеток, которые затем и станут половыми. Такой тип спецификации половых клеток продемонстрирован для большинства модельных объектов: C. elegans, D. melanogaster, Xenopus laevis и D. rerio. Исторически сложилось так, что герминативная плазма у различных модельных организмов носит различные названия (например, P-гранулы у C. elegans, полярная плазма у D. melanogaster, эктосомы у низших ракообразных и герминативная плазма у X. laevis), однако, по сути своей представляет одно и то же. Отличительной чертой такого способа спецификации является то, что образование линии герминативных клеток и ее обособлении от линии соматических клеток в эмбриогенезе происходит до стадии гаструляции. Еще одна особенность заключается в том, что гены, ответственные за формирование зародышевой плазмы, являются высоко консервативными и обнаруживаются у большого числа филогенетически далеких организмов. Число таких генов ограничено, к ним относятся Oskar, Vasa, Tudor, Germ cell-less и Aubergine. Гомологи некоторых из этих генов обнаружены и у млекопитающих и играют у них важную роль в образовании половых клеток, хотя зародышевая плазма в данном случае не играет никакой роли в этом процессе.

Второй путь развития клеток герминативной линии характерен исключительно для млекопитающих. В данном случае в зиготе и бластомерах отсутствуют половые детерминанты, а первичные половые клетки обособляются относительно поздно, на стадии гаструляции на 7-е сутки после оплодотворения. Ключевую роль в этом процессе играют сигналы, поступающие от окружающих клеток. Спецификация первичных половых клеток у млекопитающих происходит в области проксимального эпибласта под влиянием Bmp4- и Bmp8b-сигналов (Smad-сигналинг), генерируемых соседними клетками внезародышевой эктодермы, а также Bmp2-сигналов, вырабатываемых клетками гипобласта (внезародышевой эндодермы).

Оплодотворением называется слияние ооцита и сперматозоида, сопровождающееся объединением их гаплоидных ядер в диплоидное ядро, в результате чего формируется зигота. Оплодотворение представляет собой достаточно сложный процесс, состоящий из нескольких стадий. Во-первых, стадии взаимного узнавания гамет посредствам специфических рецепторов, находящихся на их поверхности. Во-вторых, стадии слияние половых клеток и, наконец, стадии активация яйца. Все этапы процесса оплодотворения находятся под четким генетическим контролем. Достоверно известно, что важнейшую роль в нормальном протекании процесса оплодотворения и дальнейшем обеспечении формирования и развития зародыша играют продукты так называемых «материнских» генов, транскрипты которых накапливаются в цитоплазме ооцита, как правило, задолго до овуляции. Роль сперматозоида в процессах развития долгое время недооценивалась. Механизмы некоторых процессов, запускаемых сперматозоидом в зиготе, до конца не изучены и сейчас, однако, необходимо отметить несколько ключевых моментов, касающихся, в первую очередь, начальных этапов оплодотворения, роль в которых спермия бесспорна. Во-первых, это активация ооцита, без которой невозможна дальнейшая реализация программы развития зародыша. Несмотря на различия деталей этого процесса у разных групп организмов, можно выделить некоторые общие черты: блок полиспермии – механизм, препятствующий проникновению в ооцит более чем одного спермия; временное увеличение внутриклеточной концентрации Са²⁺, необратимое увеличение pH, завершение мейоза ооцита и стимуляция деградации одних материнских белков и мРНК и активации трансляции других. Во-вторых, передача центросомы, которая обеспечивает полимеризацию микротрубочек, участвующих в миграции пронуклеусов и формировании веретена деления. И, наконец, сперматозоид является равноправным с ооцитом донором генетической информации сформировавшегося нового организма. В настоящее время все больше сведений появляется о роли регуляции вышеперечисленных процессов посредствам «отцовских» генов (так называемых PEL-генов, от англ. «