În toate aceste stadii de dezvoltare, genomul de obicei nu funcționează la animalele multicelulare. În imagini: dezvoltarea meduzei Aequorea de la prima divizie a zigotului la blastula (foto de pe site-ul raven.zoology.washington.edu)
Contrar credinței populare că dezvoltarea individuală este realizarea "programului" stabilit în genom, etapele timpurii ale dezvoltării embrionare a animalelor merg cu deconectarea genomului. Până la etapa blastulei sau chiar a gastrulei, fătul sintetizează toate proteinele necesare pentru aceasta pe baza ARN matricei primite de la mamă. Atunci când genele fetale încep să înceapă să funcționeze, ARN-urile mamei sunt distruse. Mecanismele și semnificația biologică a acestor fenomene rămân în mare parte misterioase.
Se crede că o dezvoltare individuală (ontogenie) - este o „implementare“ graduală a informațiilor genetice, care este conținut în genomul unui ovul fertilizat (zigotul) și că, în cele din urmă în cele din urmă „încorporată“ în structura organismului adult. Toată lumea înțelege că drumul de la genotip la fenotip este dificil și sinuos, dar puțini evolutionistii serios încearcă să explice caracteristicile cheie ale evoluției proceselor complexe de auto-organizare, care constituie esența ontogenezei (sarcină prea dificilă). Prin urmare, de obicei, încearcă să simplifice problema, reducând totul la întrebarea de modul în care aceste sau alte modificări ale genotipului (de exemplu, mutații aleatorii) pot fi reflectate în dezvoltarea embrionului.
Conform concepției tradiționale, genomul este privit ca un principiu activ (totul în ea a fost inițial „codat“, el „conduce“ de dezvoltare). Fătul în curs de dezvoltare, dimpotrivă, este considerat un fel de "rezultat" pasiv al activității genomului. Chestiunea este complicată oarecum de faptul că genomul în sine în timpul ontogeniei este în mod clar sub control: celulele din diferite embrion unele gene incluse, alte off în succesiune strict determinată, în special, semnale chimice schimbate între celule și țesuturi de embrioni. Oricine conduce, nu devine clar. Unii teoreticieni în această privință susțin chiar că gena - nu este „program de dezvoltare a embrionului“, ci mai degrabă un set de instrumente care utilizează embrionul (sau nu utilizați) pe cont propriu.
Pentru a controla propriile gene embrion folosește multe mecanisme diferite: acest regulament transcripțional (gena de citire), folosind proteine regulatoare specifice de ARN mic - factori de transcripție (celebre HOX-gene codifica, de asemenea, factori de transcriere), și mecanisme speciale „epigenetice“ (a se vedea C. . reglementarea Nazarenko A. epigenetice activității genei și evoluția acesteia), inclusiv metilarea genelor folosind enzimele ADN specifice și methyltransferases histone acetilare. - proteine care sunt „rană“ mol DNA Kula. Spre deosebire de controlere convenționale, switch-uri, „epigenetice“ este adesea moștenită de la celula mama la fiica, adică, poziția lor (inclusiv. / Oprit.) Poate fi menținută constantă într-o serie de generații de celule divid.
Un alt factor care face teza dubioase de condiționare și univocă ontogeneza genomului unui zigot, este faptul că marea majoritate a animalelor multicelulare în stadii incipiente de dezvoltare a unei gene nu funcționează. Este pur și simplu dezactivat, toate genele sunt silențioase și ARN-ul matricei ("citit" de la genele matricei pentru sinteza proteinelor) nu sunt produse.
O gastrula tipică a unui animal multiceluros. A - ectoderm (frunză embrionară exterior), B - blastocoel (cavitate a corpului primar), C - archenteron, D - endodermului (fișa nucleaŃie internă), E - blastopore (gura primară). Foto: Dr. Anna E. Ross, Universitatea Christian Brothers, TN (de la coris.noaa.gov)
Embrionul suferă transformări complexe. Ou începe să se rupă în sus, numărul celulelor fetale crește exponențial: 2, 4, 8, 16, 32. În sfârșit, mingea este format dintr-un singur strat de celule (blastula). Celulele situate la unul din polii blastula migrează spre interior, dând naștere la un al doilea strat de germeni (endoderm), din care mai târziu se dezvoltă intestin. În acest stadiu, un embrion cu două straturi este numit gastrula. Numai în acest stadiu, multe animale incep sa se transforme în cele din urmă pe genele moștenite de la tatăl și mama. În altele, acest lucru se întâmplă puțin mai devreme - în stadiul de blastule. Numai mamiferele - un grup unic în mai multe moduri - includ genele tale, chiar inainte (de exemplu, mouse-ul se face pe scenă două celule).
Răspunsul la prima întrebare este mai mult sau mai puțin clar. Oul conține un număr mare de ARN matricial, moștenit de la corpul mamei. Aceste mARN-uri sunt citite din gene materne cu mult înainte, în timpul maturării oului. Ele asigură sinteza proteinelor necesare pentru etapele timpurii ale ontogenezei. La un moment dat, mRNA matern începe să fie distrusă. Acest lucru se întâmplă doar atunci când fătul începe să producă mRNA în sine, adică include genele sale. Acest proces destul de rapid de înlocuire a mRNA matern cu embrionul pe cont propriu se numește tranziție materno-zygotică (MZT).
Mai puțin clar este chestiunea a ceea ce conduce procesul MZT. Există trei mecanisme posibile:- Pe măsură ce numărul de celule din embrion începe să rateze substanțele (oricare ar fi ele de ei înșiși și nici nu este reprezentat), care nu permit embrionul să se alăture gene. stadiile timpurii ale animalelor embriogenezei nu sunt numite în mod accidental „strivire“: zigot este zdrobit, după fiecare diviziune celule embrionare devine mai mică diviziuni celulare între etapa offline a creșterii celulelor. citoplasmatic totală crește în timp ce numărul de nuclee de celule și, prin urmare, un ADN crește exponențial. Dacă presupunem că oul este pre-aprovizionat cu unii inhibitori de transcriere, valoarea acestor inhibitori ipotetice care pot fi atribuite fiecărei celule ar trebui să scadă rapid, iar în cele din urmă ei rămân atât de mici încât nu pot controla transcrierea.
- Este posibil ca inițial în zigot să se blocheze anumite gene-cheie, ale căror lucrări inițiază transcripția. Astfel, sa demonstrat că introducerea artificială a activatorilor de transcripție puternici (de exemplu, așa-numita proteină care leagă TATA, TBP) în embrion poate provoca încorporarea parțială a embrionilor parțiali premature.
- În cele din urmă, o secvență rapidă de diviziuni celulare în sine poate interfera cu transcripția. La urma urmei, fiecare diviziune trebuie să fie precedată de dublarea ADN-ului (replicare). În cursul fragmentării, replicarea trebuie să aibă loc, de fapt, în mod continuu. Între timp, se știe că replicarea poate interfera cu transcripția, iar în timpul diviziunii celulare (mitoza), ARNm poate fi rupt și distrus, sinteza care nu sa încheiat încă. Poate că celulele embrionului pur și simplu nu au fizic timp să-și transcrizeze genele? Încetinirea artificială a procesului de fragmentare poate duce de fapt la încorporarea prematură a genomului embrionar. Apropo, la mamifere, fragmentarea se desfășoară relativ încet, nu este aceasta explicația pentru includerea timpurie a genelor de embrioni?
Cu toate acestea, niciuna dintre aceste teorii nu explică totalitatea faptelor disponibile. De exemplu, ele nu pot explica de ce genele embrionare sunt comutate pas cu pas, în ordine strictă și genele singulare pot fi incluse în primele etape ale zdrobire.
Al doilea aspect important al MZT este distrugerea ARNm-ului matern. Apoi, așa cum sa dovedit, totul este în avans: ARNm materne marcat secvență de nucleotide specifică situată pe netradus (care nu este tradusa in proteine) „cozi“ ale acestor molecule. Printre primele de gene care include embrionul în timpul MZT, sunt gene de proteine specifice si RNAs mici care recunosc această secvență atașate la aceasta, inițiind astfel distrugerea mRNAs materne.
Înainte de a înțelege pe deplin toate aceste procese, știința este încă foarte departe, dar lucrurile se mișcă. În cazul în care mecanismele de bază de reglementare a genei in timpul ontogenezei timpurii sunt decriptate, biologi va fi capabil să se acomodeze cu următoarea problemă fundamentală, și anume: de ce toate acest lucru este necesar? de ce animalele multicelulară nu au încredere în controlul lor genomului de stadii incipiente de dezvoltare, și apoi la un moment dat dintr-o dată „a trecut“ transcrierilor materne pe cont propriu?
Apropo, problema dată are nu numai valoare teoretică, ci și practică. Dificultățile întâmpinate în clonarea animalelor sunt în mare măsură determinate de faptul că încă știm foarte puțin despre activitatea genelor în cursul dezvoltării timpurii. Clonarea animalelor se realizează prin transplantarea nucleului din celula somatică (non-sexuală) a unui animal în ovulul celuilalt. Cu toate acestea, pentru dezvoltarea normală, este necesar ca genele embrionului să fie inițial mutate și sunt destul de active în nucleul donatorului. Citoplasma oului ar trebui să "reprogrameze" nucleul, să oprească genomul și apoi să se întoarcă la momentul potrivit. Deși nu știm cum să o ajutăm, este dificil de așteptat un mare succes în clonare.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: