A fejlődésbiológiai differenciális génexpresszió molekuláris alapjai. Differenciális génexpresszió a fejlődés során A differenciális génexpresszió fogalma
Különböző génexpresszió Két sejt eltérően differenciálódik, ha azonos genommal rendelkeznek, és különböző fehérjéket szintetizálnak. Φ. JACOBE és J. MONO (1963)
RP Kostyuchenko előadásai Differenciális génexpresszió 1960-as évek 1. A szomatikus sejt minden sejtmagja tartalmaz egy teljes genomot, amely egy tojás megtermékenyítéséből származik. Ez azt jelenti, hogy a DNS minden differenciált sejtben azonos. 2. A differenciálódott sejtekben a fel nem használt gének nem pusztulnak el, nem mutációk, megtartják expressziós képességüket. 3. Az egyes sejtekben a genomnak csak egy kis százaléka expresszálódik, a sejtben szintetizált RNS egy része specifikus erre a sejttípusra. Génexpresszió - egy génben kódolt genetikai információ megvalósítása
Differenciális génexpressziós mechanizmusok. Waddington epigenetikus tája. A tetején lévő labda a ketrecet, az alatta lévő völgyek pedig a különböző fejlődési utakat, amelyeket követhet.
A génexpressziós sejtmag citoplazmájának szabályozása Az mRNS DNS degradáció szabályozása Az mRNS elsődleges transzkriptuma Az mRNS-transzkripció szabályozása az RNS-feldolgozás RNS-feldolgozása az mRNS-szabályozása az mRNS-transzport szabályozása A fehérjedegradáció szabályozása Fehérjedegradáció Az mRNS transzlációjának szabályozása Az mRNS lebontása Inaktív fehérje Az enzimatikus fehérje aktivitás szabályozása Aktív fehérje
A nukleoszóma a hisztonok (a H 2 A-H 2 B és a H 3 -H 4 hisztonok két molekulája) kromatin szerkezetének alapegysége, két DNS-fordulatba csomagolva. Dinamikus szerkezet, másodpercenként körülbelül 4-szer össze-/kinyílik. Hiszton módosítások: "hiszton kód" hiszton acetiláció - aktiválja a transzkripciót ("lazító" kromatin) hiszton dezacetiláció - Inaktiválja a hiszton metilációt - "farok" mentén metilálva H 3, H 4 - kromatin tömörítés, géncsendesítés, heterokromatinizáció. kromatin - DNS komplex fehérjével
A hiszton kód olvasása. A kódolvasó komplex specifikusan csak az általa felismert címkéket tartalmazó kromatin régióhoz kötődik, így csak a jelölések bizonyos kombinációja okozza a komplexnek a kromatinhoz való kötődését és további fehérjekomplexek vonzását, amelyek egy vagy több biológiai funkciót katalizálnak.
A transzkripciós faktorok olyan fehérjék, amelyek a DNS-templáton az mRNS szintézisét szabályozzák azáltal, hogy a DNS meghatározott régióihoz kötődnek. A transzkripciós faktorok önállóan vagy más fehérjékkel kombinálva látják el funkciójukat. Csökkentik (represszorok) vagy növelik (aktivátorok) az RNS-polimeráz kötődési állandóját a szabályozott gén szabályozó szekvenciáival. A transzkripciós faktorok meghatározó jellemzője, hogy összetételükben egy vagy több DNS-kötő domén jelen van, amelyek kölcsönhatásba lépnek a gének szabályozó régióiban elhelyezkedő jellegzetes DNS-régiókkal.
A konstitutív TF-ek – mindig minden sejtben jelen vannak – a transzkripció fő tényezői. Aktivált TF-ek (bizonyos körülmények között aktívak) - Részt vesznek a szervezet fejlődésében (sejtspecifikus) - az expresszió szigorúan ellenőrzött, de miután kifejeződött, nem igényel további aktiválást -, Myo. D, Myf 5, Hox. Jelfüggő - aktiválásához külső jel szükséges - extracelluláris jelfüggő - intracelluláris jelfüggő - membránhoz kötött receptorfüggő - jelátviteli kaszkád kinázok által foszforilálva "leucin cipzár" típusú DNS-kötő domén DNS komplexben. rezidens nukleáris faktorok - aktivációtól függetlenül a sejtmagban találhatók - CREB, AP-1, Mef 2 látens citoplazmatikus faktorok - inaktív állapotban a citoplazmában lokalizálódnak, aktiválás után a sejtmagba szállítódnak - STAT, R-SMAD, NF -k. B, bevágás,
Az eukarióta transzkripciós iniciációs komplex felépítése a TATA szekvencián. A Pyrococcus woesei archaeából származó TATA-kötő fehérje/transzkripciós faktor TF (II) B komplex felépítése DNS-sel
Az eukarióta szabályozó fehérjék a DNS-hez kötődnek. Az ilyen komplexek természete és funkciója az összeállításukhoz primerként szolgáló specifikus DNS-szekvenciától függ. Azokat a fehérjéket, amelyek önmagukban nem kötődnek a DNS-hez, hanem más DNS-kötő szabályozó fehérjékre épülnek fel, gyakran nevezik transzkripciós koaktivátoroknak vagy korepresszoroknak. Ez a kifejezés jelenthet kromatin átrendeződési komplexeket (pl. hiszton-acetilázok), olyan fehérjéket, amelyek növelik a polimeráz komplex DNS-hez való affinitását, vagy egyszerűen csak „állványozó” fehérjéket, amelyek a specifikus aktivitású fehérjék megkötésének alapjául szolgálnak.
Több bemeneti jel kombinálása egy promóternél. A transzkripció elindításának a promoternél történő befolyásolására számos fehérjekomplex működik együtt. A gén végső transzkripciós aktivitása az aktivátorok és a represszorok közötti versengés eredménye.
DNS-szekvencia-fokozók, amelyek szelektíven növelik egy promóter aktivitását azáltal, hogy szabályozzák a transzkripció beindulásának gyakoriságát. Megkötik a transzkripciós (ko) faktorokat, amelyek képesek növelni a transzkripció szintjét.
A Pax-6 Enhancerek expressziója képes szabályozni bármely eltérően szabályozott gén időbeli és szövetspecifikus expresszióját, így a különböző típusú gének általában eltérő enhanszerekkel rendelkeznek.
R. P. Kostyuchenko előadásai Hangcsillapítók A DNS azon területei, amelyek egy gén transzkripciójának elnyomásáért felelősek. (Megfelelő aktivitású fehérjék vonzásával) Neurális restrikciós hangtompító elem - NRSE; Számos egérgén szabályozó régiójában található, amelyek expressziója az idegrendszerre korlátozódik. Az idegrendszer restriktív hangtompító faktora - az NRSF láthatóan minden olyan sejtben szintetizálódik, amely nem érett neuron Gilbert, 2010 szerint.
RP Kostyuchenko Insulators előadásai Az enhanszer (csillapító) hatásának a szomszédos génekre való átterjedésének megakadályozására bizonyos DNS-régiók kötődnek olyan fehérjékhez, amelyek blokkolják a szabályozóelem hatását a szomszédos promóteren. Írta: Gilbert, 2010
A transzkripció iniciáció szabályozásának lehetséges változatai prokariótákban (a) Az aktivátor ligandumhoz való kötődése serkenti a komplex összeépülését és a transzkripciót (b) Az aktivátor serkenti a transzkripciót, a ligandumhoz való kötődéskor deaktiválódik. (c) A represszor gátolja a transzkripciót. A ligandummal való kölcsönhatás inaktiválja a represszort, és lehetővé teszi a transzkripciót. (d) Ligandum hiányában a represszor nem tud kölcsönhatásba lépni a DNS-sel; a represszió csak a 21-es ligandum jelenlétében következik be.
Sejtjelátviteli útvonalak Intermolekuláris kölcsönhatások kaszkádjai, amelyek olyan kommunikációt biztosítanak a sejtmembrán és az intracelluláris alkalmazási pont között, amely bizonyos változásokhoz vezethet a sejtben.
Jelátviteli kaszkádok alkalmazási pontjai A génexpresszió szabályozása (proliferáció, differenciálódás, funkciók ellátása) A citoszkeleton változásai (sejtforma változás, migráció, sejtkontaktusok létrejötte/bontása) Anyagcsere utakra gyakorolt hatás (metabolitok szekréciója, enzim szabályozása) aktivitás) DNS / RNS nem feltétlenül vesz részt.
Sejtről sejtre történő jelátvitel módszerei: Parakrin faktorok hatására, a sejtek kölcsönhatása az extracelluláris mátrixszal, intercelluláris kontaktusokon keresztül Oldható jelátviteli faktorok diffúziója Az egyik sejt által kiválasztott extracelluláris mátrix változást idéz elő a másikban Kontaktus az indukáló és reagáló sejtek között
Jelforrás A jelforrás sejt egy meghatározott típusú jelzőmolekulát választ ki. Ezt a molekulát a célsejt egy receptorfehérje segítségével észleli, amely felismeri és specifikusan kölcsönhatásba lép vele. Minden sejt egy korlátozott számú jelzőmolekulára képes reagálni. A sejt jelre adott válasza annak állapotától és a differenciálódás típusától függ.
Jelintegráció A különböző forrásokból származó jelek konvergálhatnak a következőre. A több különböző forrásból származó jelek integrálódhatnak egyetlen közös fehérje (A) vagy fehérjekomplex (B) révén egy közös fehérjére vagy fehérjekomplexre.
Jelerősítés 1 receptor sok G-fehérjét aktivál 1 ligandum-receptor 500 G-protein 500 enzim Minden Y enzim sok másodlagos hírvivőt termel, mindegyik hírvivő aktivál 1 enzimet Y 105 (2. hírvivő) 250 (ioncsatornák) 105 -107 (ionok)
Le növekedési faktorok szupercsaládja TGF-β (TGF-β -superfamily) Másrészt a résztvevő fehérjék szerkezete gyakran erősen konzervált. Gyakran a nem rokon szervezetben expresszált fehérjék képesek funkcionálisan helyettesíteni a velük homológ gazdafehérjéket. Írta: Gilbert, 2010
Molekuláris kölcsönhatások Fehérje-fehérje kölcsönhatások: ◦ Kapcsolódás / disszociáció (Fehérje komplexek létrehozása vagy elpusztítása) ◦ Kovalens módosulások: foszforiláció (tyr, thr, ser) ◦ Konformációs változások ◦ Mozgás a sejt másik funkcionális területére ◦ Ubiquitination és Ubiquitination kis molekulájú fehérjék ◦ Konformáció, energiaállapot megváltozásához vezető kötődés / disszociáció ◦ Másodlagos hírvivők (Ca 2+, c. AMP) terjedése
A fehérjék foszforilációja Két negatív foszfát töltés bejuttatása jelentős konformációs változást okozhat egy fehérjében, például egy pozitív töltésű aminosav oldalláncok csoportjának vonzása miatt. Ez viszont befolyásolhatja a ligandumok kötődését, és ezáltal jelentősen megváltoztathatja a foszforilált fehérje aktivitását az eredetihez képest.
A kapott jel differenciális génexpresszióra gyakorolt hatásának sematikus diagramja Külső környezet sejtmag citoplazma Aktív fehérje (1) Transzkripció koaktivátorai PR Transzkripciós faktorok Transzfer Aktív fehérje (2) Ligandum Fehérje (2) Fehérje komplex Transzkripciós korepresszorok Fehérje (2) n-szer Fehérje degradáció Fehérje receptor
RP Kostyuchenko előadásai PARAKRINE TÉNYEZŐK: Wnt jelátviteli útvonal A Wingless család (Wnt-family) a ciszteinben gazdag glikoproteinek családja, amely a dorzális szomita sejteket izommá alakítja. részt vesznek a középagyi sejtek specifikációjában A Wnt fehérjék fontosak a rovarok és gerincesek végtagjaiban a polaritás kialakításában; részt vesznek (különböző szakaszokban) a B urogenitális rendszer - egy újszülött nőstény vad típusú egér urogenitális anlage - fejlődésében is. B – Vesefejlődési hibával rendelkező nőstény Wnt 4 knockout egér urogenitális anlagája. Ezenkívül a petefészek elkezdi szintetizálni a tesztoszteront, és egy férfi típusú csatornarendszer veszi körül. Fotó: J. Perasaari, S. Vainio
R. P. Kostyuchenko előadásai Juxtacrine (contact) signaling: Notch signaling pathway. membránhoz kötött ligandumok és receptorok Gilbert, 2010 szerint
R. P. Kostyuchenko előadásai Juxtacrine jelzés a sejtek közötti kezdeti különbségek véletlenül keletkeznek, ezeket a különbségeket a visszacsatolás elve szerint rögzítik
RP Kostyuchenko előadásai A neuroblasztok térszerkezetének létrehozásának modellje a neurogén ektoderma kezdetben egyenértékű sejtjeiből. A neurogén sejtek Delta fehérje formájában (sötét árnyalatú) jelet állítanak elő, a neurogénné nem váló sejtek pedig a Notch receptor fehérjét (fehér) termelik.
Az ST főbb témái Az egyes interakciók „belső összetettsége” Az egyes komponensmolekulák kombinatorikus természete (több jelet is fogadhat és küldhet) Az útvonalak és hálózatok integrációja
Azt a folyamatot, amelynek eredményeként az egyes szövetek a differenciálódás során felveszik jellegzetes megjelenésüket, hisztogenezisnek nevezzük. A sejtdifferenciálódás, a hisztogenezis és az organogenezis kombinációban, az embrió bizonyos részein és meghatározott időpontban történik. Ez az embrionális fejlődés koordinációját és integrációját jelzi.
Jelenleg az általánosan elfogadott álláspont a sejtek differenciálódása az ontogenezis folyamatában a citoplazma egymást követő kölcsönös (kölcsönös) hatásainak és a nukleáris gének aktivitásának termékeinek változása következtében. Így először merült fel az ötlet differenciális kifejezés gének mint a citodifferenciálódás fő mechanizmusa. A differenciális génexpresszió szabályozási szintjei megfelelnek a gén → polipeptid → tulajdonság irányú információmegvalósítás szakaszainak, és nemcsak az intracelluláris, hanem a szöveti és szervezeti folyamatokat is magukban foglalják.
Embrionális indukció - Ez a fejlődő embrió részeinek kölcsönhatása, amelyben az embrió egyik területe befolyásolja egy másik terület sorsát. Most kiderült elsődleges embrionális induktor a chordomesodermális bimbó a blastopórus hátsó ajkában. De az indukció jelenségei sokfélék és változatosak. Az elsődleges indukción kívül vannak másodlagos és harmadlagos , amely a fejlődés későbbi szakaszaiban fordulhat elő, mint a gasztruláció. Mindezek az indukciók lépcsőzetes kölcsönhatások mert sok struktúra indukciója az előzetes indukciós eseményektől függ. Például az optikai csésze csak az agy elülső részének, a lencse az üvegképződés után, a szaruhártya pedig a lencse kialakulása után következik be.
Az indukció nem csak lépcsőzetes, hanem egyben összefonódása karakter, azaz. nem egy, hanem több szövet is részt vehet egy adott struktúra indukciójában. Például az optikai csésze a lencse fő, de nem egyetlen induktoraként szolgál.
Az indukciónak két típusa van. Heteronóm indukció - amikor az embrió egyik darabja egy másik szervet indukál (a chordomesoderma az idegcső és az egész embrió megjelenését idézi elő). Homonóm indukció - az induktor a környező anyagot önmagával azonos irányú fejlődésre készteti. Például egy másik embrióba átültetett nefrotóm területe elősegíti a környező anyag fejlődését a fejvese kialakulásához, és egy kis porcdarab hozzáadása a szív fibroblasztok tenyészetéhez a porcképződés folyamatát vonja maga után. .
Az induktor hatásának észleléséhez az illetékes szövetnek legalább minimális szervezettel kell rendelkeznie. Az egyes sejtek nem érzékelik az induktor hatását, és minél több sejt van a reagáló szövetben, annál aktívabb a reakciója. Az indukáló hatás eléréséhez néha csak egy indukáló sejt elegendő. Az induktorok kémiai természetét megállapították - ezek lehetnek fehérjék, nukleoproteinek, szteroidok és még szervetlen anyagok is. De a válasz specifikussága nem függ közvetlenül az induktor kémiai tulajdonságaitól.
Így az ontogenezis genetikai szabályozása nyilvánvaló, azonban a fejlődés folyamatában az embrió és részei a legintegráltabb fejlődő rendszer által szabályozott és nem a zigóta genotípusba programozott önfejlődésre képesek.
2 ... A mag vezető szerepe a morfogenezis szabályozásában
Az örökletes információ megvalósítása az ontogenezisben többlépcsős folyamat. Ez magában foglalja a szabályozás különböző szintjeit - sejtes, szöveti, szervezeti. A szervezet fejlődésének minden szakaszában nagyszámú gén működik. Mindegyikük egy adott biokémiai reakció lefolyását irányítja, és ezen keresztül részt vesz a morfogenetikai folyamatok végrehajtásában. A sejtmag kromoszómáiban a gének lokalizációja meghatározza a sejtmag vezető szerepét a morfogenezis szabályozásában. Ebből az alkalomból azonban már régóta folynak viták, különösen az embriológusok és a genetikusok között. Előbbi a citoplazmának, utóbbi a sejtmagnak tulajdonította a főszerepet. Ekkor született egy kompromisszum, miszerint az élőlények fajspecifikus tulajdonságaiért a sejtmag, az általánosabb tulajdonságokért pedig a citoplazma felelős.
A genetikusok helyességét csak a huszadik század 30-as éveiben mutatták be G. Hemmerling növényfiziológus kísérletei. Megállapította, hogy az Acetabularia egysejtű algáknál a szár tetején fejlődő szaporítószerv, a sapka (ernyő) alakja csak a magtól függ. Tehát, ha egy faj algájában - Acetaularia mediterranea - a magot tartalmazó rizoidot eltávolítják, és a rizoidot a szárral egy másik faj - A. wettsteini vagy A. crenulata - magjával egyesítik, akkor jellegzetes sapka képződik. A. wettsteini vagy A. crenulata, és fordítva (15. ábra).
A huszadik század 50-es éveiben. BL Astaurov a sejtmag vezető szerepét az állatok fejlődésében a sejtmag és a citoplazma eltérő érzékenységének bizonyítására használta a sugárzás hatására - a sejtmag sokszor érzékenyebb a sugárzásra, mint a citoplazma. A kutatást selyemhernyó-tojásokon végezték. A női magzati apparátustól megfosztott peték (nagy dózisú röntgensugárzással), ha nem besugárzott spermával termékenyítik meg, két spermium magjának összeolvadásával hasítómagot képeznek. A megfelelő egyedek mindig hímek, és könnyen felismerhetők genetikai jelöléssel. Ha ezzel a technikával egyesítjük az egyik faj petéinek citoplazmáját egy másik selyemhernyófaj petéinek magjával, amelyek számos morfológiai, fiziológiai jellemzőben és viselkedésben különböznek egymástól, akkor kiderül, hogy a fejlődő szervezet teljesen és teljesen hasonló. az apjáé, pl megegyezik a kernelben található információkkal.
Hasonló vizsgálatokat végeztek gerincesekkel. Elsőként K. Gallien Jr. francia embriológus foglalkozott ezzel a kérdéssel. A kétéltű petesejtekbe történő nukleáris transzplantáció módszerét alkalmazta, amelyet a feltételezések szerint Briggs és King amerikai embriológusok fejlesztettek ki a múlt század ötvenes éveiben, majd később John Gerdon angol tudós fejlesztett tovább. Valójában ezt a módszert a huszadik század 40-es éveiben fejlesztették ki. Orosz tudós, az orosz kísérleti embriológia alapítója Georgij Viktorovics Lopasov. A módszer lényege, hogy a petesejt saját magját eltávolítják, és az idegen donormagot a petesejtbe fecskendezik.
Interspecifikus magtranszplantáció révén Gallien különböző felépítésű sejtmag-citoplazma hibrideket kapott. A korai gastrula stádiumtól kezdve súlyos fejlődési rendellenességeket mutattak. Az ilyen hibridek kis száma (kb. 2%) azonban eléri a felnőttkort. Jellemzőiben minden egyed hasonló annak a fajnak a képviselőihez, amelyből az átültetett sejtmagot vették.
Így amellett lehet vitatkozni az egyedfejlődés sajátos jellemzőit a sejtmag szabályozza .
Mag , az egyedfejlődési programot rögzítő örökítőanyagot a következő tulajdonságok jellemzik:
- vezető szerepet tölt be a morfogenetikai folyamatok szabályozásában.
- ezt a szerepet mag-citoplazma kapcsolatokon keresztül látja el, azaz. a különböző citoplazma a sejtmag különböző funkcionális állapotait idézi elő.
- az egyedfejlődés szabályozása során a morfogenetikai aktivitás periodicitását mutatja.
Rizs. 15. Hemmerling-kísérletek, amelyek az acetobularia magja által a sapka regenerációjához szükséges anyag termelését igazolják (L.I. Korochkin, 1999)
3 ... A gének kölcsönhatásának jellemzői a
a test fejlődése
A fejlődésgenetika, embriológia és genetika területén számos tanulmány jelzi, hogy az ontogenezis mechanizmusai különböző szinteken univerzális és konzervatív .
Azt mondhatjuk, hogy az épület "téglák", és néha az egész blokkok, amelyek a jövő szervezetét alkotják, hasonlóak egymáshoz. Az "építőipari" irányítási rendszerek is hasonlóak. A különböző organizmusok fejlődésének sajátossága pedig a „téglák” egyfajta integrált „képződményként” való egyesülési sorrendjének időbeli és térbeli különbségei miatt alakul ki.
Ennek eredményeként megfogalmazódtak az ontogenezis genetikai szabályozásának általános törvényei, amelyek az ilyen "konstrukciók" során nyilvánulnak meg. Ezek a minták elsősorban génkölcsönhatások a fejlődésben , Másodszor, génrendszerek szerveződése , a fejlődés ellenőrzése, harmadszor, működésének sajátosságai ezek a rendszerek.
A gének kölcsönhatásának jellemzői a szervezet fejlődésében a következők.
1. Az egyéni fejlődés alapja az génkölcsönhatás , az övék szisztémás , az autonóm működés helyett.
2. Egy adott tulajdonság (vagy morfogenetikai folyamat) kialakulását szabályozó gének rendszere a szerint szerveződik. hierarchikus elv , hogy minden szabályozó genetikai "kaszkádban" vannak « gének-mesterek » és « gének rabszolgák ». Az első - gének-mesterek - aktiválásuk esetén "lehetővé teszik" egy bizonyos morfogenetikai folyamat végrehajtását, és magukban foglalják az ezt a folyamatot végrehajtó gének "kaszkádját" - gének-szolgákat (16. ábra).
3. A fejlődést irányító genetikai és molekuláris genetikai rendszerek csodálatosak konzervatív és mind a primitív, mind a magasan fejlett szervezetekben rejlenek. Például egy bizonyos egérgén képes helyettesíteni egy másik gént a Drosophilában, és "beindítani" a szem fejlődési folyamatát egy fejlődő légy metamorfózisa során. A fejlődő szerv (a Drosophila szeme, nem az egér) megjelenő sajátossága nyilvánvalóan egy adott "kaszkád" szabályozó és szerkezeti génjeinek működési sajátosságaiból adódik, amelyek kémiailag biztosítják ennek morfogenezisét. szerv. Olyan termékek szintézise, amelyek specifikus intercelluláris kölcsönhatásokat biztosítanak, amelyek meghatározzák egy nagyon specifikus sejt kialakulását alak .
4. Az egyedfejlődés teljes folyamata a gének kétféle egymásra gyakorolt hatásán alapul: aktiválása hatás és gátló hatás. Így az embrió fejlődése, sejtjeinek specifikációja, kölcsönös befolyásuk a morfogenezis során ezeknek a tényezőknek a "játékán" és egy bizonyos "egyensúly" kialakításán alapul. Ennek az egyensúlynak az eredménye a géntermékek egyenetlen eloszlása az embrionális tengelyek mentén, így egyfajta molekuláris mozaik jön létre, a szervezet kémiailag átalakult "szerkezeti terve", amely az ontogenezis során életre kel.
Rizs. 16. Az egyedfejlődés genetikai szabályozásának sémája
különböző szakaszaiban (L.I. Korochkin, 1999)
A különböző géntermékek fajlagos aránya az embrió különböző régióiban tulajdonképpen a molekuláris genetikai alapja az ún. helyzeti információk , azok. az adott sejt sorsának függősége a fejlődő szervezet rendszerében elfoglalt helyzetétől (pozíciójától). A helyzetinformációt közvetítő "jel" pedig éppen annak a molekuláris "mikrokörnyezetnek" a jellemzői, amelyen belül az adott sejt (vagy sejtek) kialakulása megtörténik.
4. A genetikai működés jellemzői
a fejlesztést irányító rendszerek
Az élőlények fejlődését irányító genetikai rendszerek működésének alábbi sajátosságai különböztethetők meg.
1.A gének "előrehaladása" az ontogenezis során. Ismeretes, hogy sok termék „előre” szintetizálódik a fejlődő embrióban, gyakran jóval azelőtt, hogy szükség lenne rájuk. Különösen olyan anyagokról van szó, amelyek részt vesznek a testszerkezeti terv „megjelölésében” (szegmentációs gének termékei, homeotikus gének), az embrionális indukció megvalósításában (indukáló anyagok és inhibitoraik). Egyes molekulák, például a globin, a tojásban képződnek, jóval azelőtt, hogy elkezdenék ellátni funkcióikat az eritroid sejtekben.
2.A részek autonómiája az egész egységével. A genom funkcionális dinamikájának ez a minősége egyértelműen megnyilvánul a korai embriogenezisben az induktor (chordomesoderma) és a kompetens szövet (neuroektoderma) érése során. Nyilvánvaló, hogy azok a genetikai rendszerek, amelyek szabályozzák a chordomesoderma indukáló tulajdonságainak érését és az kompetens szövetek azon képességét, hogy reagáljanak az induktor funkció hatására. autonóm módban, függetlenül attól, hogy egy adott fejlődő embrionális anlagus az egész embrióban vagy azon kívül van. ha "szinkronizálják", aminek eredményeként az ontogenetikai folyamat normális lefolyása megvalósul.
Azok a mutációk, amelyek a fejlődésben kölcsönható rendszerek érési idejében eltérést okoznak, megsértik a morfogenetikai események integritását és harmóniáját, és különféle fejlődési rendellenességek megjelenéséhez vezetnek.
3. Meg lehet különböztetni három önállóan működő genetikai rendszer , amelyek rendre három autonóm folyamatot irányítanak - formáló események ,specifikus morfológiai sejttípusok differenciálódása és ezeknek a sejteknek a kémiai specifikációja .
Például vannak olyan esetek, amikor a neurulációs folyamat normálisan megy végbe, és az idegcső zárva van, de az azt alkotó neuroblasztok differenciálódása nem történik meg. Éppen ellenkezőleg, az idegi lemez idegcsőbe való zárásának megsértése esetén ennek a lemeznek a neuroblasztjainak morfológiailag teljesen fejlett idegsejtekké történő differenciálódását figyelték meg.
11. ELŐADÁS
A SZERVEZETEK EGYÉNI FEJLŐDÉS FOLYAMATA HORMONÁLIS SZABÁLYOZÁSA
Hormonok, amelyek szabályozzák az egyedfejlődés egyes folyamatait.
Növekedési folyamat és szabályozása.
1. Az egyedfejlődés egyes folyamatait szabályozó hormonok
Az egyedfejlődést befolyásoló hormonok forrásuk szerint két csoportra oszthatók.
1. A szintetizált hormonok anyai szervezet , amelyek között megtalálható a reproduktív funkciót (gametogenezis, ovuláció és korai embriogenezis folyamatai) szabályozó hormonok lényeges csoportja. Emlősökben a fejlődés méhen belüli jellegéből adódóan ezek a hormonok a méhlepényen áthatolva nemcsak a gametogenezis folyamataira, hanem az embrionális fejlődésre is hatással lehetnek.
2. A termelt hormonok endokrin rendszer szervezet fejlesztése, valamint a sejtek növekedésének, differenciálódásának és specifikus fiziológiai és biokémiai aktivitásának szabályozása differenciálódásuk végső szakaszában.
A gametogenezis hormonális szabályozása. A csírasejtek érésének folyamatai ciklikusak vagy szezonálisak. A gametogenezis ciklusparamétereit és szezonális aktivitását a petefészek és a here által termelt hormonok szabályozzák. Az ivarmirigyek hormonális aktivitását viszont a gonadotropinok - agyalapi mirigy hormonok - szabályozzák. A hormonok szisztémás szabályozásának köszönhetően a gametogenezis és a petesejtek érési folyamatai összhangban vannak a reproduktív rendszer összes hisztofiziológiai elemének tevékenységével, beleértve az érett szaporodási termékek megtermékenyítését biztosító folyamatok előkészítését és szinkronizálását, valamint emlősökben a az embriogenezishez szükséges feltételek előkészítése. Az oogenezisben a hormonok szabályozzák a legnagyobb mértékben a petesejtek magas növekedési idejét, érését és ovulációját.
Egyes organogenezis és hiszto hormonális szabályozásakeletkezése. A fő szervek csírarétegeinek és rudimentjeinek lerakásának időszakában az embrió még nem termel saját hormonokat, és a fejlődési folyamatok szabályozása az érintkező sejtek és sejtrétegek indukciós kölcsönhatásainak eredményeként történik. Az organogenezis és a hisztogenezis során hormonok jelennek meg, amelyek szerepe fokozatosan növekszik. A hormonok szerepe az organogenezisben és a hisztogenezisben nem minden esetben tisztázott, de a kutatók úgy vélik, hogy minden szerv és szövetrendszer fejlődésének egyik vagy másik szakaszában megtapasztalja szabályozó hatását, amely szükséges az összehangolt növekedéshez, citofiziológiai differenciálódáshoz, ill. működőképes.
A hormonok szerepét jól tanulmányozták az emlősök szaporítószerveinek fejlődésében, a madarak petevezetékében a tojáskomponensek szintézisében, valamint az emlőmirigy fejlődésében. A kétéltűek és rovarok metamorfózisának hormonális szabályozását jól tanulmányozták.
A hormonok szerepe a reproduktív szervek fejlődésében. A hím és női nemi szervek, a nemi mirigyek, a kiválasztó csatornarendszer és a külső nemi szervek fejlődése jó példa a szervek és a hisztogenezis hormonális szabályozására. Nézzük meg, hogyan történik ez az ellenőrzés emlősöknél.
Emlősökben a hormonok csak a hím szaporítószerveinek csatornarendszerének fejlődését határozzák meg; hormonok hiányában minden esetben (beleértve a genetikailag meghatározott férfiakat is) kialakul a női csatornarendszer, i.e. a petevezeték a Mülleri-vezetékből képződik, a mesonephros és a wolffi-csatorna degenerálódik. Az embrionális here sejtjei által termelt két hormonális faktor játszik szerepet a férfi kiválasztó csatornák kialakulásában: tesztoszteron , intersticiális sejtek (Leydig-sejtek), valamint a Sertoli-sejtek által termelt faktor. A tesztoszteron felelős a farkastubulusból és a külső nemi szervekből származó vas deferens kialakulásáért, a Sertoli-sejtek által termelt faktor pedig a Müller-csatorna degenerációjáért (ezen csatorna hiányában a hím megtartja a vezetéket) .
A hormonok nem vesznek részt a női reproduktív csatornák fejlődésében. . Feltételezik, hogy ez az elv (hormonfüggő férfifejlődés és hormonfüggetlen női csatornafejlődés) az emlősök méhen belüli fejlődéséhez kapcsolódó adaptációként szolgál, melynek során a női hormonok könnyen behatolnak a méhlepénybe, sőt magában a méhlepényben is termelődnek. Ha a hormonok-ösztrogének befolyásolnák a szexuális differenciálódást, akkor megzavarnák a férfi nemi szervek fejlődését az anyaméhben.
Így a hímekre jellemző reproduktív szervek fejlődése két tényező együttes, egymást követő hatásával jár:
1) genetikai , azaz az Y-kromoszóma gén (H - Y-antigén) aktivitásának terméke, amely serkenti a differenciálatlan nemi mirigy agyi részének sejtjeit heretubulusok kialakítására;
2) hormonális - tesztoszteron és a Sertoli-sejtek által termelt faktor, amely a Wolffi-csatornát és a mesonephros felső részét indukálja a vas deferens rendszerének kialakítására; ugyanakkor ezek a hormonok a Mülleri-csatorna degenerációját okozzák. A jövőben a tesztoszteron hatására a férfiak külső nemi szerveinek rendszere is kialakul.
A mell fejlődése. Az emlőmirigy fejlődése, a tej szintézisének és szekréciójának indukálása az alveolusaiban is ékes példája a szervfejlődés folyamatának, szövettani-fiziológiai és funkcionális érésének komplex hormonális szabályozásának.
Az újszülött állatokban (vagy emberekben) az emlőmirigyeket egy fejletlen csatornarendszer képviseli - ektodermális mélyedések az alatta lévő mesenchymában. A pubertás beálltával a vérszint emelkedik ösztrogén , amely további elágazódást és a mirigy csatornáinak tömegének növekedését idézi elő. De a végső hiszto-citológiai differenciálódás és a szekretáló alveolusok kialakulása a csatornák végszakaszaiban a terhesség alatt történik egy nagy számú hormon hatására - progeszteron , prolaktin és laktogén , később pedig - a táplálkozási időszakban - a magas prolaktinszint támogatja a laktációs folyamatot.
A tojáskomponensek szintézis rendszerének hormonális szabályozása madarak petevezetéke. A madár petevezeték mirigysejtjei a specifikus fehérjék szintézisének hiszto-fiziológiai differenciálódásának hormonális szabályozásának jól tanulmányozott modelljei. Az olyan sejtek részletes morfológiai differenciálódása, amelyek például ovalbumint (tojásfehérjét) termelnek, csak a pubertás korban kezdődnek, hormonok hatására.
A madarak petevezetékében szekvenciálisan helyezkednek el a szakaszok, amelyekben a sejtek a tojás összetett héjának különböző alkotórészeinek - fehérje, héj membránok, héjak - szekréciójára specializálódtak. Az éretlen állatok petevezetékében ezek a részlegek nem működnek. Ha azonban ösztrogént adnak be az állatoknak, a petevezeték hámsejtek szaporodni és differenciálódni kezdenek, és tubuláris mirigyeket képeznek. A mirigysejtek viszont szintetizálják és kiválasztják a tojásfehérje összetevőit.
Az ösztrogén az ovidint szintetizáló következő osztódás speciális sejtjeinek (kehelysejtek) differenciálódását is okozza, de szintézisének indukálásához progeszteron jelenléte szükséges. Jelenleg az ovalbumin indukciójának és szintézisének molekuláris biológiai vonatkozásait alaposan tanulmányozzák, e fehérje génjének szerkezetét és expresszióját részletesen tanulmányozták.
Az öröklődés a nukleáris preformáció átvitelén keresztül valósul meg, amely a fejlődés során a citoplazmatikus epigenezis folyamatában jut kifejezésre.E. B. WILSON (1925)
Két sejt eltérően különbözik egymástól, ha azonos genommal rendelkeznek, és különböző fehérjéket szintetizálnak.
Φ. JACOBE és J. MONO (1963)
Bevezetés
A fejlődésgenetika azt a problémát vizsgálja, hogy a megtermékenyített petesejt örökletes képességei realizálódjanak a szervezet élete során. Ha megfigyeljük az embrió fejlődését, nyilvánvalóvá válik, hogy a különböző sejttípusokban különböző gének expresszálódnak. A hemoglobin például a vörösvértestekre jellemző, míg a krisztallin csak a szemlencse sejtjeiben található. A retinasejtek képesek elektromos impulzusokat nagy távolságra továbbítani, a szomszédos pigmenthámsejtek pedig feketék a melaninszemcséktől, és nem képesek elektromos áramot vezetni. Eközben az egyes típusok sejtjei ugyanannak a megtermékenyített petesejtnek a mitotikus osztódása eredményeként jönnek létre, ezért az egyes típusok sejtmagjainak ugyanazt az információt kell tartalmazniuk. A fejlesztés tehát specifikus gének a megfelelő helyen és időben történő szelektív beépítésével történik. Ebből adódik az a probléma, amellyel a fejlődésgenetika foglalkozik: milyen mechanizmusok felelősek az ilyen szelektív aktivációért, aminek következtében a sejtek között különbségek keletkeznek?A fejlődésgenetika központi hipotézise, hogy a sejtek differenciálódása genetikai változások nélkül megy végbe. Más szavakkal, feltételezzük, hogy bármely szervezetben minden szomatikus sejt ugyanazt a génkészletet tartalmazza. Következésképpen a különböző típusú differenciált sejteknek különböző géneket kell használniuk ebből az örökítőanyagból, amely minden sejtre jellemző. A differenciális génexpressziós hipotézis alapjául szolgáló adatok genetikai és embriológiai vizsgálatokból származnak. Ebben a fejezetben azokat a munkákat tárgyaljuk, amelyek arra a kérdésre irányulnak, hogy a genomban bekövetkeznek-e visszafordíthatatlan változások a fejlődés során.
Genom identitás
A kétszárnyú lárvák néhány nagy, nem osztódó sejtje (pl Drosophilaés Chironomus) politén (multifilamentumos) kromoszómákat tartalmaznak. Ezekben a kromoszómákban a DNS-replikáció utólagos mitózis nélkül megy végbe, ezért egy helyett 512, 1024 és még több kettős helikális DNS-molekulát tartalmaznak (9.1. és 9.2. ábra). A politén kromoszómákkal rendelkező sejtek soha nem osztódnak. Ezek a kromoszómák fénymikroszkóppal láthatók, és megkülönböztethető jellegzetes csíkozásuk. A Drosophilában körülbelül 5150 korong található a haploid kromoszómakészletben. Egyes szövetekben széles csíkok láthatók a politén kromoszómákban, amelyek belsejében speciális1 Cit. könyv szerint: E. Wilson. A sejt és szerepe a fejlődésben és az öröklődésben. t. 2.s. 974. A Szovjetunió Tudományos Akadémia kiadója. M.-L., 1940.1062 s. Fordítás angolból. V. A. Dorfman és M. S. Navashin.
Gilbert S.
66________________ 9. FEJEZETA speciális feldolgozás két vagy több vékony lemez észlelésére képes. Számos genetikai munka (Judd, Young, 1973) azt sugallja, hogy összefüggés van e korongok vagy kromomerek száma és a légyben lévő gének száma között (Swanson et al., 1981). A politén kromoszómák száma és a csíkozás jellege változatlan marad a lárvaperiódus során (Beermann, 1952; 9.3. ábra). A különböző szövetekben lévő politén kromoszómák összehasonlításakor a lárva nem
Gilbert S. Fejlődésbiológia: 3 kötetben 2. kötet: Per. angolról - M .: Mir, 1994 .-- 235 p.
__________________ ________________ 67azonosították bármelyik webhelyük elvesztését. Amikor lehetővé vált a gerincesek egyedi kromoszómáinak tanulmányozása, sikerült megállapítani, hogy egy felnőtt szervezet különböző szöveteiben a kromoszómák száma állandó (Tjio és Puck, 1958). Mint később megtudjuk, különböző vizsgálatok kimutatták, hogy a különböző szomatikus szövetekből kinyert DNS összetétele és tulajdonságai nagyon hasonlóak.
A genom egyenértékűségére vonatkozó egyéb bizonyítékokat embriológiai vizsgálatok során szerezték be. Driesch és Spemann (8. fejezet) egyértelműen kimutatta, hogy a korai blastomerek magjai tengeri sünökben és gőtékben tipotens, azaz képesek bármilyen sejttípus differenciálására. Kísérleteik során a blastomerek. amelynek normál esetben csak az embrió egy részét kellene létrehoznia, képes volt egy egész szervezetet létrehozni a fejlődés folyamatában. Következésképpen a sejtmagnak tartalmaznia kellett az összes többi sejttípus kialakulásához szükséges géneket. Ezenkívül Spemann azt találta, hogy a gőteembrióból a korai gastrula stádiumban vett sejtek várható jelentése megváltozik, miután átültetik őket egy másik sejtterületre. az embriót. Lehetséges-e ezen embriológiai vizsgálatok eredményeit olyan sejtekre extrapolálni, amelyek már elhatározták, hogy bizonyos irányban differenciálódjanak? A meghatározott vagy differenciált sejtek megtartanak-e más fejlődési potenciált? Az alábbiakban bemutatott, két kutatási irányból nyert adatok pozitív választ adnak ezekre a kérdésekre.
Átdetermináció
A kikelés után a Drosophila lárvának két különböző sejtpopulációja van. Szöveteit hozzávetőleg 10 000 sejt alkotja. A legtöbb sejt politén kromoszómákkal rendelkezik; ezek a sejtek intenzíven növekednek, térfogatuk körülbelül 150-szeresére nő. Ezenkívül további mintegy 1000 diploid (nem öntözött) sejtmaggal rendelkező sejt alkot klasztereket a lárva különböző területein. Az ilyen, differenciálatlan sejtek klasztereit ún képzeletbeli lemezek(a latin „imago” szóból, jelentése „felnőtt”). Ezek a sejtek a lárva teljes növekedési periódusa alatt osztódnak. A metamorfózis során a hormon ekdiszteronóriási változásokat okoz az egész testben (19. fejezet). A lárvasejtek degenerálódnak, míg a képzeletbeli lemezek jeleket kapnak, hogy egy felnőtt légy szerveivé váljanak. ábrán. A 9.4 mutatja a képzeletbeli korongok helyét és felsorolja a belőlük kialakuló struktúrákat.A lárva képzeletbeli korongjainak sejtjei meghatározottak. Például egy szemlemezt ki lehet venni az egyik lárvából, és be lehet ültetni a másik hasába. A metamorfózis után egy légy, amely ebből a második lárvából fejlődött ki, lesz
Gilbert S. Fejlődésbiológia: 3 kötetben 2. kötet: Per. angolról - M .: Mir, 1994 .-- 235 p.
68________________ 9. FEJEZET ______________________________________________________________________________extra szem a hason. Ha az imaginális porckorong egy részét átültetik, csak a szem egy része fejlődik ki. Így a korong vagy annak töredéke lárvába ültetése kiváló módszer a meghatározásuk állapotának tesztelésére, pl. hogy a metamorfózis során ebből a korongból milyen szerkezet vagy töredéke keletkezik. A lemezek átültetésekor azonban felnőtt legyek, nem differenciálódnak, sejtjeik tovább szaporodnak. Ezeket a burjánzó sejteket folyamatosan tenyészthetjük úgy, hogy egyik felnőtt légyről a másikra helyezzük át őket. Ezzel egyidejűleg lehetőség van a korongsejtek meghatározottsági állapotának ismételt tesztelésére úgy, hogy a növekvő korongok töredékeit eltávolítjuk a légyből, és egy metamorfózison áteső lárvába helyezzük (9.5. ábra).
Gilbert S. Fejlődésbiológia: 3 kötetben 2. kötet: Per. angolról - M .: Mir, 1994 .-- 235 p.
___________________ A GENÓMOK AZONOSSÁGA ÉS A GÉNEK KÜLÖNBÖZŐ KIFEJEZÉSE ______________ 69  |
| Rizs. 9.6. Antennaszerkezetek transzdeterminálása lábszerkezetekké. A. Az átültetett antennakorong transzdeterminálása az ábrán látható séma szerint. 9.5. A normál antennaszerkezetek mellett (AIII – harmadik antennaszegmens: Ap - arista) olyan lábszerkezeteket fejlesztettek ki, mint például a tarsalis csontok ( TSC) és a kapcsolódó házasságok ( b). B. Egy mutációt hordozó felnőtt légy feje Antennapédia. Ebben a mutánsban az antennák szinte teljesen normál lábakká változtak. Azokat a mutációkat, amelyek az egyik szerkezet átalakulását okozzák egy másik szerkezetté, homeotikus mutációknak nevezzük (18. fejezet). Bár a korongok transzdeterminációjának mechanizmusa valószínűleg eltér a homeotikus mutációkétól , mindketten változásokat mutatnak be a korongok sorsában. ( A - Gehringtől, 1969; Jóvoltából W.T. Gehring; kép az ábrán. 9.6. B... J. Haynie jóvoltából.) |
Ernst Halorn és munkatársai (Hadorn, 1968) a lemezbeültetési technikát használták annak bemutatására, hogy egy sejt képes megváltoztatni elkötelezett állapotát. Általában a lemez azon töredékei, amelyek antennát képeznek, továbbra is antennaszerkezeteket alkottak minden alkalommal, amikor tesztelték őket, még az ilyen töredékek többszöri, felnőtt legyekbe történő átültetése után is. Egy kísérlet eredménye azonban meglepte a kutatókat: az antennaszerkezetek monoton kialakítása helyett az antennakorong szakaszai a lábak, a száj vagy a szárny részeit alkották. Ezt a jelenséget transzdeterminációnak nevezik. A képzeletbeli sejtek ahelyett, hogy „saját” szervvé fejlődtek volna, a felnőtt légy másik részévé fejlődtek. Például egy korongból, amely általában az antenna fejlődéséhez kötődik, egy felnőtt légy lábára jellemző szerkezet keletkezhet (9.6. ábra). Ezen túlmenően, mint a kezdeti meghatározottsági állapot, a transzdeterminisztikus állapot is viszonylag stabilnak bizonyult, és a korong sejtjei sok generáción át örökölték.
A transzdetermináció gyakrabban figyelhető meg többszöri áthaladás után kifejlett legyeken, és túlnyomórészt bizonyos irányokban fordul elő (9.7. ábra). A szárnylemezből például mellkasi struktúrák keletkezhetnek, de a mellkasi lemezek soha nem differenciálódnak a szárnyrésszel. A nemi porckorongok antennákat vagy lábakat eredményezhetnek, de más típusú porckorongokból származó genitális szerkezeteket soha nem figyelnek meg. Ennek az orientációnak az oka továbbra is ismeretlen, de egyértelmű, hogy az elszánt sejtek más típusú sejteket hozhatnak létre, mint azok, amelyek a normában belőlük képződnek. Következésképpen a képzelet sejtjeiben
Gilbert S. Fejlődésbiológia: 3 kötetben 2. kötet: Per. angolról - M .: Mir, 1994 .-- 235 p.
70________________ 9. FEJEZETa specifikus termékek génjei, amelyeket általában más típusú sejtek szintetizálnak, a lemezeken konzerváltak.
Metaplasia
A gőték szemregenerációjával kapcsolatos kísérletek eredményei azt mutatták, hogy még differenciált egy felnőtt szervezet sejtjei megtarthatják azt a képességet, hogy más típusú sejteket képezzenek. A gőtékben a retina eltávolítása serkenti annak regenerálódását a pigmenthámból, és a háti írisz sejtjeiből új lencse képződhet. A regenerációnak ezt az utolsó típusát (a jelenséget először felfedező tudós után Wolffi-regenerációnak nevezik) Tuneo Yamada és munkatársai intenzíven tanulmányozták (Jamada, 1966; Dumont és Jamada, 1972). Azt találták, hogy a lencse eltávolítása után olyan események sorozata történt, amelyek következtében az írisz új lencsét alkotott (9.8. ábra).1. Az íriszsejtek magjainak alakja megváltozik.
2. Az írisz háti részének sejtjeiben hatalmas számú riboszóma képződik.
3. Ezen sejtek DNS-e replikálódik, és hamarosan a sejtek osztódásnak indulnak.
4. Ezek a sejtek dedifferenciálódnak. Melanoszómákat (differenciálódási termékeket, amelyek a szemnek jellegzetes színét adják) bocsátják ki, amelyeket a sebben áthatoló makrofágok emésztenek.
5. A háti írisz sejtjei tovább osztódnak, dedifferenciált szövetet képezve az eltávolított lencse területén.
6. Az írisz dedifferenciálódott sejtjeiben megindul a lencsesejtekre jellemző kristályos fehérjetermékek szintézise.
Gilbert S. Fejlődésbiológia: 3 kötetben 2. kötet: Per. angolról - M .: Mir, 1994 .-- 235 p.
__________________ A GENÓMOK AZONOSSÁGA ÉS A GÉNEK KÜLÖNBÖZŐ KIFEJEZÉSE ______________ 71Ezek a fehérjék ugyanabban a sorrendben szintetizálódnak, mint a normál lencse fejlődése során.
7. Amint új lencse képződik, a háti írisz sejtosztódása leáll.
A felsorolt események nem tekinthetők a lencseképzés normál módjának. Emlékezzünk vissza, hogy az embriogenezis során a lencse a látóhólyag elülső falának sejtjei által indukált hámsejtek rétegéből jön létre. Az írisz differenciált sejtjeiből a lencse kialakulásának folyamatát ún metaplasia; ez a jelenség abban áll, hogy az egyik típusú differenciált sejtek átalakulnak (átalakulnak) egy másikba. Ezért a genetikusok és fejlődésbiológusok által megszerzett adatok alátámasztják a genetikailag azonos magvakban a differenciális génexpresszió hipotézisét.
Klónozás kétéltűekben: a sejtpotenciál korlátozása
Végre eldönthető lenne, hogy egy differenciált sejt sejtmagjának funkcióinak beszűkülése visszafordíthatatlan-e, ha megvizsgáljuk, hogy ez a sejtmag képes-e bármilyen más típusú differenciált sejt képződését indukálni. 1938-ban Hans Spemann egy általa "fantasztikus" kísérletet javasolt annak megválaszolására, hogy a különböző sejtekben lévő genomok valóban azonosak-e. Ehhez egy differenciálódott sejt magját kell beültetni egy petesejtbe, amelynek saját magját korábban eltávolították. Ha bármely átültetett sejtmag azonos a zigóta magjával, akkor biztosítania kell a szervezet teljes kifejlődését. Egy ilyen kísérlet elvégzéséhez azonban mindenekelőtt három módszer kidolgozására volt szükség: I) a befogadó peték enukleációjának módszere azok elpusztítása nélkül. 2) egy technika ép sejtmagok izolálására; 3) egy technika az ilyen magoknak a tojásba való átvitelére anélkül, hogy mind a sejtmag, mind a tojás károsodna.Ezeket a technikákat Robert Briggs és Thomas King fejlesztette ki. Ezek a kutatók a tojás enukleációját a partenogenetikai aktiválással kombinálták. Ha egy leopárdbéka petesejtje (Ranapipiens)
üvegtűvel szúrjuk meg, akkor minden, a megtermékenyítéssel kapcsolatos citológiai és biokémiai változás elkezdődik benne: a kérgi szemcsék elpusztulnak, a belső citoplazma elmozdul, és a meiózis az állatpólus közelében véget ér.
Gilbert S. Fejlődésbiológia: 3 kötetben 2. kötet: Per. angolról - M .: Mir, 1994 .-- 235 p.
72________________ 9. FEJEZET _____________________________________A meiotikus orsó helyzete a tojásban könnyen meghatározható, mivel az állati póluson a pigmentszemcsék eltávolodnak tőle, és a tojás ezen a helyen történő átszúrása a meiotikus orsó kromoszómáival együtt kifelé történő kiáramlásához vezet (1. 9.9). Most a tojás egyszerre aktiválódik (mivel a fejlődés megkezdéséhez szükséges folyamatok befejeződtek), és egyidejűleg magmentesül is. A donorsejtek sejtmagjai a magvatlan petékbe kerülnek. Ehhez a sejtet széttépik, egy mikropipetta segítségével felfogják a sejtmagot és befecskendezik a befogadó petesejtbe. A sejtmaggal együtt a donor sejt környező citoplazmájának egy bizonyos mennyisége is bejut a petesejtbe, de a donor és a recipiens citoplazmájának aránya olyan elhanyagolható (1:10 5), hogy ennek aligha lesz hatása a kísérlet eredményét.
1952-ben Briggs és King (Briggs, King, 1952) kimutatta, hogy az embrióból a blastula stádiumban vett magok a tojás citoplazmájába kerülve biztosítják a teljesen kialakult ebihal fejlődését. Korábban Spemann kimutatta, hogy a blastula sejtek nem determinisztikusak, és ezért magjaik totipotensek. Ezért, ha a nukleáris transzfer rendszer működik, akkor a blastula magoknak biztosítaniuk kell a teljes fejlődést. Pontosan ezt figyelték meg a blastula magok transzplantációjával kapcsolatos kísérletek. Az összes beültetett mag 60 százaléka képes volt a peték fejlődését a szabadon úszó ebihal állapotába irányítani; ezek az ebihalak mindegyike diploid volt (az eredmény megerősíti, hogy magjaik a donor sejt magjából származnak). Ebből következően a nukleáris transzfer rendszer működik, és felhasználható az atommag potenciáljainak tanulmányozására (9.10. ábra).
Mi történik, ha a fejlődés előrehaladottabb stádiumában lévő embrió sejtjének sejtmagját egy aktivált magvatlan tojásba ültetik át? King és Briggs (King, Briggs, 1956) kísérleteinek eredményeit az 1. ábra foglalja össze. 9.11. Ez az ábra azt mutatja, hogy a legtöbb sejtmag a sejtekből
Gilbert S. Fejlődésbiológia: 3 kötetben 2. kötet: Per. angolról - M .: Mir, 1994 .-- 235 p.
__________________ A GENÓMOK AZONOSSÁGA ÉS A GÉNEK KÜLÖNBÖZŐ KIFEJEZÉSE ___________________ 73A blastulae képesek biztosítani a recipiens peték fejlődését a normál, szabadon úszó ebihalok állapotáig, azonban a későbbi fejlődési szakaszban donoroktól vett magokban ez a képesség erősen korlátozott. Egyik mag sem szomatikus sejtek,
farkbimbó stádiumban vették, nem tudták megadni a normális embrió fejlődéséhez szükséges információkat. Amikor azonban a magokat ugyanabban a szakaszban vették csírasejtek(általában a megtermékenyítés után az egész szervezetet létrehozza), az esetek 40%-ában további fejlődésre képes blastulát kaptak (Smith, 1956). Következésképpen a szomatikus sejtek determinálttá és differenciálódóvá válva láthatóan elveszítik képességüket a szervezet teljes fejlődésének biztosítására. Kimutatták, hogy a sejtmagok potenciáljának korlátozása a fejlődés során stabil és szövetspecifikus jel. Az ezt alátámasztó adatokat a következő kísérletekben kaptuk. A késői gastrula stádiumban vett endodermális magok számát sorozatos átültetések növelték. Ebből a célból az egyik sejtmagot egy magvatlan tojásba vittük át; az eljárás eredményeként kifejlődött embrió több ezer egyforma magot tartalmazott a blastula stádiumban. Ennek a blastulának a magjai ismét átkerültek a magvatlan tojásokba, és így az eredeti sejtmagból sok másolatot kaptunk, ami lehetővé tette annak hatékonyságának számszerűsítését. Ilyen a technikát úgy hívják magok klónozása(9.12. ábra). A klónozatlan magok transzplantációja nagy eltéréseket mutat a különböző donoroktól kapott sejtmagok fejlődést támogató képességében. Egyes magok a teljes fejlődési utat a szabadon úszó ebihal stádiumáig biztosítják, míg mások csak az anomális gastrula stádiumáig. King és Briggs figyelembe vették ezt a változékonyságot különböző normál klónjai. Ezt azonban megállapították egyen belül klónozzuk, minden magnak azonos a hatóereje. Mindegyik klónnak volt egy „jellegzetes” fenotípusa, és gyakran hasonló volt az a stádium, amelyben az egy klónozott endodermális sejtmag leszármazottaiból származó magok átvitele eredményeként kapott egyedek fejlődése leállt. Ezt a több generáción át klónozott magok transzplantációja során is megfigyelték. Ezenkívül, ha a lárvák bármilyen hibával fejlődtek, akkor ezek a hibák minden lárvában azonosak voltak. Minden klónozott maggal rendelkező lárva endodermális szerkezettel rendelkezett (nevezetesen a bélben), de hiányzott belőlük a mezoderma vagy az ektoderma néhány származéka. Nyilvánvalóan az endoderma sejtekből származó magok alkalmasak endoderma kialakítására, de ektoderma vagy mezoderma képzési képességük korlátozott. Hasonló potenciaveszteséget találtak az ektoderma sejtek magjaiban (DiBerardino, King, 1967). Az abnormális ebihalak kiválóan differenciált idegi struktúrákkal rendelkeztek, de hiányoztak belőlük az endodermális származékok. Így az atommagok potenciáljának fokozatos korlátozása fejlődésük során nyilvánvalóan általános szabály. Lehetséges, hogy a különböző differenciált sejtek magjai eltérnek egymástól.
Gilbert S. Fejlődésbiológia: 3 kötetben 2. kötet: Per. angolról - M .: Mir, 1994 .-- 235 p.
74________________ 9. FEJEZET ______________________________________________________________________________Klónozás kétéltűekben: kivételek a potencia korlátozása alól
A differenciált sejtekben azonban más módon is meg lehet magyarázni a sejtmagok hatékonyságának korlátait. Egy differenciálódott sejt magját az érett petesejt citoplazmájába juttatva ezzel arra kényszerítjük, hogy visszatérjen a rá már nem jellemző fiziológiás állapotba. A békákban a hasadási periódusban a sejtmagok nagyon nagy sebességgel osztódnak, míg egyes differenciált sejtekben ritkán vagy egyáltalán nem osztódnak. A DNS gyors replikációjának elmulasztása kromoszóma-lebomláshoz vezet: ilyen kromoszóma-rendellenességeket figyelnek meg számos ebihal-sejtben, amelyek klónozott magokat tartalmazó tojásokból fejlődtek ki. John Gurdon és munkatársai egy kissé módosított nukleáris transzplantációs technikával olyan eredményeket értek el, amelyek azt mutatják, hogy a differenciált sejtmagok közül sok totipotens marad.A fő különbség Gurdon és Briggs és King kísérletei között a kutatás tárgyának megválasztása volt. Gordon sejtmagokat izolált a sejtekből Xenopus laevis, Dél-afrikai karmos béka. Ez a béka (9.13. ábra) sokkal több
Gilbert S. Fejlődésbiológia: 3 kötetben 2. kötet: Per. angolról - M .: Mir, 1994 .-- 235 p.
A GENOMOK AZONOSSÁGA ÉS A GÉNEK KÜLÖNBÖZŐ KIFEJEZÉSE 75| Rizs. 9.15. A karmos béka ivarérett egyedeinek kinyerésére szolgáló eljárás az ebihal bélhámsejtjeinek magvatlan petékbe való átültetésével. Kromoszómák vad típusú karmos békatojásban (két sejtmaggal 2- nu) UV-besugárzással semmisítse meg és fecskendezze bele a karmos békaebihal bélhám sejtmagját a vonalból egy maggal (1- nu). Egyes esetekben a petesejt nem osztódik, máskor az embrió fejlődése megzavarodik, de van, amikor egy normális felnőtt fejlődik ki, amelynek sejtjei egy magot tartalmaznak. (Gurdon után, 1968, 1977.) |  |
primitív mint Rana pipiens; hiányzik belőle a szemhéj, a középfül és még a nyelv is, ami a később kialakult fajokra jellemző Rana. A sarkantyúbéka fejlődésbiológiájában is különbözik. A leopárdbékával ellentétben felnőtt Xenopus képes regenerálni az elveszett végtagokat; korai fejlődése háromszor gyorsabban halad, mint a leopárdbékáé. Különösen, hogy elérje a farokrügy stádiumát az embrióhoz Rana pipiens 80 órát vesz igénybe, míg Xenopus laevis mindössze 26 óra alatt éri el ugyanazt a fejlődési stádiumot, ezért a Xenopus béka farkbimbós állapotában lévő endodermális sejtek magjai egyidősek a korai gastrula sejtmagokkal. Rana(McKinnell, 1978).
Gurdon a magpotencia fokozatos elvesztését is tapasztalta a fejlődéssel együtt (9.14. ábra). Azonban érdekes kivételek merültek fel e szabály alól. Gordon egy ebihaltól vett endodermális bélhámsejtekből vitt át magokat Xenopus az aktív táplálkozásra való áttérés szakaszában, aktivált magvatlan tojásokba.
A donor sejtmagok genetikai markere egy sejtmag volt (1. sor nu) a szokásos kettő helyett (sor 2- nu). A 726 átültetett magból mindössze 10 volt képes biztosítani a zigóta kifejlődését a donor stádiumig. A fejlődést biztosító sejtmagok számát 7%-ra növelték (Gurdon. 1962) sorozattranszplantáció módszerével (a sejtmag átvitele a bélsejtekből a petesejtbe, majd miután a recipiens petesejt elérte a blastula stádiumot, a sejtmagok ezt követő transzplantációja) a blastula sejteket nagyobb számú petékre). Egyes esetekben a magok elegendő információt tudtak realizálni ahhoz, hogy elérjék az ebihal stádiumát, és az összes idegsejtvonal sejtjeinek, vérsejteknek stb. képződését. Ezen kívül hét ebihal (amelyek két eredeti sejtmag klónozásával nyert magok átvitele után alakultak ki) tojások) átalakultak és ivarérett kifejlett békákká alakultak (Gurdon, Uehlinger. 1966). Ezek a magok totipotensek voltak (9.15. ábra).
Gilbert S. Fejlődésbiológia: 3 kötetben 2. kötet: Per. angolról - M .: Mir, 1994 .-- 235 p.
76________________ 9. FEJEZET _______________________________________________________________________________King és munkatársai azonban kételkedve fogadták Gurdon kísérleteit, és azt hitték, először is, hogy a kutatók nem tettek kellő óvintézkedést annak kizárására, hogy a bélmagok helyett magokat alkalmazzanak. elsődleges csírasejtek, amelyek vándorláskor gyakran a bélben maradnak, és. másodszor, hogy az ilyen korai ebihalak bélhámsejtjei, amelyek aktív táplálkozásra váltottak, nem feltétlenül rendelkeznek a teljesen differenciált sejtek tulajdonságaival. Ezekben a sejtek még mindig tartalmaznak tojássárgája lemezeket (DiBerardino és King, 1967; McKinnell, 1978; Briggs, 1979).
Válaszul ezekre a kritikákra, Gurdon és munkatársai a következő kísérleteket végezték el. Hámsejteket tenyésztettek ki egy felnőtt láb bőr interdigitális membránjából Xenopus. Ezeket a sejteket minden bizonnyal megkülönböztették, mert mindegyik keratint tartalmazott, amely a felnőtt bőrsejtekre jellemző fehérje. Amikor ezeknek a sejteknek a magjait magvatlan tojásokba ültettük át, egyik sejtmag sem biztosította az embriók fejlődését a neurulán túl. A sejtmagok klónozása és magvatlan petékbe való átültetése után azonban számos ebihal fejlődött ki az ilyen petékből: ezek azonban mind elpusztultak anélkül, hogy aktív táplálkozásra váltottak volna (Gurdon el al .. 1975). Hasonló fejlődési leállást figyeltek meg más kutatók is (Wabl et al., 1975), akik limfocitamagok átültetésével próbáltak kifejlett békákat szerezni. Di Berardino (1987) arra a következtetésre jutott, hogy „még nem bizonyított, hogy egy felnőtt szervezet bármely speciális típusának vagy sejtjének legalább egy sejtmagja totipotens lenne”.
A kétéltűeken végzett klónozási kísérletek eredményei két következtetés levonását teszik lehetővé. Először is meglátszik bennük az az általános szabály, hogy korlátozzák a potenciált a fejlődés folyamatában. Ez a korlátozás genetikailag meghatározott, és egy bizonyos típusú donorsejtek magjaira jellemző. Másodszor, könnyen belátható, hogy egy differenciált sejt genomja elképesztő képességgel rendelkezik, hogy elindítsa minden típusú ebihal sejt kialakulását. A béka eritrocita magja, amelyben a DNS-replikáció (és az mRNS-szintézis) soha nem megy végbe, összesen több mint 100 osztódáson eshet át a sorozatos átültetések során, és továbbra is képes biztosítani a mag nélküli és aktivált petesejt kifejlődését szabadúszó úszás során. ebihal (Orr et al., 1986). Más szóval, még akkor is, ha még mindig vannak viták arról totipotencia ilyen magok, az az, hogy magas fokon vannak pluripotens, nincs kétség afelől. Egy dolog világos, a bőrből vagy vérsejtekből származó sok fel nem használt gén újraaktiválható, és gondoskodhat az idegek, a gyomor és a szív kialakulásáról egy szabadon úszó ebihalban.
További információk és hipotézisek: Klónozás
Ahogy korábban láttuk, Roux és Driesch munkáinak tárgyalásakor a kísérleti technika részletei erősen befolyásolhatják a kapott eredményeket. A leopárdbéka magjainak klónozási eljárásának enyhe változása oda vezetett, hogy a magok még a fejlődés késői szakaszában is biztosították a normál lárva fejlődését. Sally Hennen (1970) kimutatta, hogy a donormagok hatékonysága növelhető, ha transzplantáció előtt sperminnel kezeljük, vagy a petesejteket transzplantáció után lehűtjük, hogy a sejtmagnak legyen ideje alkalmazkodni a tojás citoplazmájához. A leopárdbéka embriójából a farkbimbó állapotában levett endodermális sejtek magjait ilyen módon feldolgozva, majd ezeket a sejtmagokat kiürített petékbe ültetve Hennen az esetek 60%-ában normális lárvákat kapott (a kontrollkísérletekben a az ilyen lárvák nulla volt). A kifejlett békák differenciált bőrsejtjéből vett sejtmagok sperminnel történő kezelése azonban nem vezetett kifejlett egyedek kifejlődéséhez olyan magvatlan tojásokból, amelyekbe ezeket a sejtmagokat ültettük át.
Úgy tűnik, hogy az emberek differenciált sejtekből történő klónozása egyes újságírók és írók feladatává vált (az írók olyan fontos politikai személyiségek reprodukálását tűzték ki célul, mint Hitler vagy Kennedy, az újságírók pedig arról álmodoztak, hogy ezt a technikát a sportolókra és a filmsztárokra is kiterjesztik). Az előző vitából nyilvánvaló, hogy egy teljesen fejlett egyed klónozása differenciált sejtekből hihetetlenül nehéz, és ezeknek a kísérleteknek az eredményei nem teljesen meggyőzőek. A felnőtt állatból vett differenciált sejtmagok még a kétéltűeknél sem képesek aktivált és magvatlan petékbe történő átültetésük után biztosítani ezen peték kifejlődését felnőtt állatban.
De még akkor is, ha lehetséges lenne felnőtt békákat nevelni olyan tojásokból, amelyekbe differenciált sejtmagokat ültettek át, akkor ez az eredmény
Gilbert S. Fejlődésbiológia: 3 kötetben 2. kötet: Per. angolról - M .: Mir, 1994 .-- 235 p.
__________________ A GENÓMOK AZONOSSÁGA ÉS A GÉNEK KÜLÖNBÖZŐ KIFEJEZÉSE ________________ 77  | Rizs. 9.16. Magtranszfer eljárás aktivált magvatlan emlős tojásba. Egy sejtes embriót, amelyet colcemiddel és citokalazinnal tartalmazó tápközegben inkubáltak, szívópipettával tartják a helyén. Az átlátszó membránt (zona pellucida) egy enucleating pipettával átszúrjuk, és a pronukleuszokkal szomszédos sejt (plazma) membránt a pronukleuszokat tartalmazó sejtrésszel együtt behúzzuk a pipettába. Ezután az enucleating pipettát kihúzzuk a tojásból (A)és ezáltal a pronukleuszokat tartalmazó citoplazma eltávolítódik belőle. A sejtmembrán érintetlen marad; a nyíl jelzi a kapcsolatot a tojás plazmamembránjával. B. Egy pipettában a sejtmembrán buborékot képez, benne citoplazmával és pronukleuszokkal. V. Ezt a hólyagot a Sendai vírussal együtt az átlátszó membrán és egy másik magvatlan zigóta membránja közötti perivitellin térbe fecskendezik. G... A Sendai vírus elősegíti a magvatlan tojás fúzióját a membránnal körülvett pronucleusokkal, lehetővé téve számukra a sejtbe való bejutást (nyíl). A szívópipetta közelében fekvő poláris test nem lép fúziós reakcióba. (McGrathtól, Soller, 1983; a szerzők jóvoltából.) |
személyre nem extrapolálható. Az etikai kérdéseken kívül a kutatónak számos nehézséggel kell szembenéznie, amikor emberi anyaggal dolgozik. Ha egy nőstény kétéltű több száz petéket érlel egyszerre, akkor egy nő havonta nagyon kevés érett petét termel. Ráadásul a női petesejtből származó citoplazma jelentősen eltérhet a békatojás sejtjének citoplazmájától abban a képességében, hogy képes érzékelni a sejtmagból kiinduló jeleket, amelyek fejlettebb fejlődési stádiumban vannak.
A nukleáris transzplantációt először egereken hajtották végre. Ebből a célból mindkét pronucleust eltávolítottuk egy zigótából, és pronukleuszokkal helyettesítették. egy másik zigótából vették (McGrath, Solter, 1983). Ennek a kísérletnek az eljárása az ábrán látható. 9.16. Először az egysejtű embriókat citokalazinnal és kolhicinnel tartalmazó tápközegben inkubálják, hogy gyengítsék a citoszkeleton mikrofilamentumait és mikrotubulusait. Az embriót ezután szívópipettával a helyén tartják, és a tojás zona pellucidáját enukleációs pipettával átszúrják. A sejt citoplazmatikus membránját nem lyukasztják át enukleáló pipettával, hanem csak arra a területre nyomják, ahol a pronucleusok találhatók, és a membránnak ezt a szakaszát a szomszédos citoplazmával és pronucleusokkal együtt behúzzák a pipettába. (A). Ezután a pipettát kihúzzuk, és így a sejtmagot tartalmazó citoplazmát elválasztjuk a tojástól. Ezt a citoplazmát plazmamembrán veszi körül (B). A membránnal körülvett pronukleuszokat tartalmazó pipettát egy inaktivált Sendai vírust tartalmazó cseppbe merítik, ami a membránok összeolvadását idézi elő. A vírus bizonyos mennyiségének felszívódása után a pipettát közelebb viszik egy másik zigótához, amelyről a pronukleuszokat ugyanúgy eltávolították. Áttörik az átlátszó membránt, és a pronukleuszokat a környező membránnal együtt bevezetik a tojáshártya és a plazmamembránja közötti perivitell térbe. (V). Ezután az embriót 37 °C-on inkubáljuk, amíg a gazdapete membránja és a nukleáris donor összeolvad (D). Így a donor két pronucleusa bejut a gazdaszervezet citoplazmájába. Öt nap tenyésztés után az embriók elérik a blasztocisztás stádiumot, és beültethetők egy örökbefogadó, pszeudoterhes felnőtt nőstény méhébe. A született egér olyan fenotípussal rendelkezik, mint egy sejtmagdonorként szolgáló egér.
A sejtmag nélküli egérzigóták több mint 90%-a, amelyek más zigótáktól kaptak sejtmagot, sikeresen fejlődtek a blasztociszta állapotba. Amikor a magok 4-sejt
Gilbert S. Fejlődésbiológia: 3 kötetben 2. kötet: Per. angolról - M .: Mir, 1994 .-- 235 p.
78________________ 9. FEJEZET ___________________________________________________________________________embriók, egyetlen zigóta (81-ből) sem jutott el a blasztociszta stádiumba. Hasonlóképpen, a 8 sejtes embrió sejtjeiből és a belső sejttömeg sejtjeiből származó magok nem voltak képesek támogatni a fejlődést a beültetés előtti szakaszokig (McGrath. Solter. 1984). Ellentétben a tengeri sünökkel és a kétéltűekkel, az egerekben a korai blasztomerek (melyek köztudottan totipotensek) magjai nem képesek teljes kifejlődésre. Ezek a kísérletek kudarcot vallanak, nyilván annak a ténynek köszönhető, hogy a blasztomerek magjai nem tudnak megfelelően működni a zigóta citoplazmájában. Így aligha érdemes komolyan venni azt a gondolatot (amelyet 1984 szeptemberében a National Examinerben fogalmaztak meg), hogy differenciált sejtjéből klónozzanak egy második Elvis Presleyt. A korai blasztomerek tulajdonságai azonban nem minden emlősben azonosak: a különböző fajok nagymértékben különböznek az aktiválódás és az embriók méhbe történő beültetésének időpontjában. A közelmúltban arról számoltak be (Willadsen, 1986), hogy módosított magtranszplantációs technikával a szerző zigótákból bárányokat nyert, amelyekbe egy 8 sejtes embrió blasztomereinek magjait ültették át. Egérben a blasztomerek magjai nem képesek irányítani a zigóta fejlődését, míg a birkáknál ezt láthatóan megtehetik. Ha ez a jelentés megerősítést nyer, annak eredményei óriási hatással lesznek a mezőgazdaságra.
Csak növényekben találtak olyan eseteket, amikor egy felnőtt szervezet sejtmagjai vitathatatlanul képesek egy másik felnőtt szervezet fejlődését támogatni. Ez a képesség rendkívül egyértelműen kimutatható sárgarépa- és dohánysejtekben. 1958-ban Steward és egy kollégája kifejlesztett egy technikát, amely teljesen új növényt állított elő differenciált sárgarépa gyökérszövetből (9.17. ábra). A sárgarépa gyökeréből kis floemdarabokat izoláltak, és kókusztejet (ami valójában a folyékony endospermiumát) tartalmazó nagy lombikokban forgatták. Különféle, a növények növekedéséhez szükséges faktorokat és tápanyagokat, valamint a differenciálódásukhoz szükséges hormonokat tartalmaz. Ilyen körülmények között a floemsejtek osztódnak, és rendezetlen szövetet képeznek, amelyet kallusznak neveznek. A folyamatos forgás hatására az egyes sejtek kiszorulnak a kalluszból a szuszpenzióba. Ezekből az egyedi szuszpendált sejtekből gyökérszerű csomók képződnek, amelyek mindaddig növekednek, amíg szuszpenzióban maradnak. Ha ezeket a csomókat agarral tömörített táptalajra visszük át, akkor belőlük fejlődik ki a növény többi része: a végén szaporodásra képes egész sárgarépanövények képződnek (Steward et al., 1964; Steward, 1970).
Lehetetlen megfigyelni a teljes fejlődési folyamatot egyetlen sejttől a virágzó növényig egy forgó tenyészetben, de Vasil és Hildebrandt (Vasil, Hildebrandt, 1965) nyomon követték ezeket az eseményeket egyetlen dohánysejtek izolálásával és fejlődésük megfigyelésével akár közvetlenül, akár idővel. -lapse fotózás. A sárgarépasejtekhez hasonlóan a dohánysejtek is olyan növényeket hoztak létre, amelyek képesek növekedni és magokat termelni.
A dohánysejtek egy újabb példával szolgálnak a magok totipotenciájára. A teljes növény kialakulásához szükséges összes gén megtalálható egy differenciált sejt magjában. A növények és az állatok azonban eltérően fejlődnek. A rétegzéssel történő vegetatív szaporítás (azaz a növény azon részei, amelyek tápanyaghoz jutva regenerálják a hiányzó részeket) bevett gyakorlat a mezőgazdasági gyakorlatban. Ellentétben az állatokkal (amelyekben a csírasejteket izolálják
Gilbert S. Fejlődésbiológia: 3 kötetben 2. kötet: Per. angolról - M .: Mir, 1994 .-- 235 p.
__________________ A GENÓMOK AZONOSSÁGA ÉS A GÉNEK KÜLÖNBÖZŐ KIFEJEZÉSE ___________________ 79nagyon korai fejlődésben különálló sejtvonal formájában) a növényekben rendesen szomatikus sejtekből képződnek az ivarsejtek. Ezért nincs semmi meglepő abban, hogy egyetlen sejtből egy másik típusú sejt keletkezhet, és genetikailag homogén klónt képezhet (a görög Klon szóból, ami "ágat" jelent).
Tehát arra a következtetésre juthatunk, hogy a differenciált génvesztés nem a differenciálódás oka. A differenciálódott sejtek magjai tartalmazzák a zigóta legtöbb génjét, és valószínűleg az összes gént: ezek a gének megfelelő körülmények között expresszálódnak. Ezért a differenciálódási folyamat magában foglalja a genom különböző részeinek szelektív expresszióját. Mélyebben tanulmányozzuk a genomállandóság és a differenciális génexpresszió problémáját molekuláris biológiai és génklónozási módszerekkel. A következő fejezetben ennek a problémának a tárgyalását a modern molekuláris biológia szintjén folytatjuk.
IRODALOM
Az ilyen komplex biokémiai technikák kifejlesztésének köszönhetően lehetővé vált a differenciális génexpresszió hipotézisének molekuláris szintű tesztelése; ugyanakkor három posztulátumot kell kiemelni, amelyeket tesztelni kell.
1. Mindegyik sejt magja tartalmazza a megtermékenyített petesejtben kialakult teljes genomot. Molekuláris szinten ez azt jelenti, hogy az összes differenciált sejt DNS-e azonos.
2. A differenciált sejtekben a fel nem használt gének nem pusztulnak el, nem mutálódnak, megőrzik működési képességüket.
3. Mindegyik sejtben a genomnak csak egy kis része expresszálódik, míg az RNS szintetizált frakciója specifikus az ilyen típusú sejtekre.
Genom identitás
Már áttekintettünk néhány genetikai és embriológiai adatot, amelyek a genomok azonosságát jelzik. Hasonló adatokat kaptak számos nukleinsav-hibridizációt alkalmazó biokémiai vizsgálatban is.
Az első nagyszabású molekuláris vizsgálatot a DNS azonosságáról egy organizmusban 1964-ben végezték el (McCarthy és Hoyer, 1964). Kiderült, hogy minden típusú egérsejtből azonos hatékonysággal izolált egyszálú DNS gátolta az egyszálú DNS hibridizációját egérembriók génjeivel. Ez meggyőzően arra utal, hogy a DNS minden típusú sejtben azonos a szekvenciák számában és típusában.
Az ún. in situ hibridizáció(Mary Lou Pardue, Gall, 1970). Az in situ hibridizációt oly módon denaturált politén kromoszómákkal végezzük, hogy a több DNS szál szálai már elkülönülnek, de a kromoszómák még láthatóak a tárgylemezeken. Radioaktív RNS-t vagy cDNS-t adnak a denaturált DNS-hez, majd megfelelő inkubációs idő után a készítményt lemossák. Az inkubáció során az RNS képes kötődni a DNS kódoló régióihoz. Mosás után a készítményeket átlátszó fényképészeti emulzióval fedjük le. A megkötött RNS radioaktivitása érzékennyé teszi az emulzióban lévő ezüstszemcséket, amelyek az emulzió kialakulásakor fekete pontokat képeznek a megfelelő kromoszómakorong felett. Ezért az RNS-t egy adott termékhez használva azonosítható a lemez, amelyben szintetizálódik. ábrán. A 10:15 egy rádiós autogram, amely a Drosophila egyik tojássárgája fehérje génjeinek lokalizációját mutatja. A Drosophila DNS-t klónoztuk, és részlegesen tisztított mRNS-sel szűrtük erre a fehérjére; számos klónt találtak, amelyek DNS-e képes volt a tojássárgája fehérje szintézisének irányítására. Ezeket a klónokat növesztjük, és izoláljuk a sárgájafehérje géneket. Ezen klónok egyikét radioaktív próba előállítására használták, amelyet nyálmirigysejtekből származó politén kromoszómák preparátumaival hibridizáltak. Amint az ábrán látható, a kapott cDNS egy meghatározott lemezhez kötődik. A nyálmirigyek azonban nem szintetizálják ezt a fehérjét. Az egyedüli sejtek, amelyek normálisan szintetizálják a tojássárgája fehérjét, a petesejtek és egy felnőtt nő zsíros testének sejtjei. Így kimutatták, hogy a lárva nyálmirigyeinek kromoszómáiban olyan gén található, amely kizárólag a felnőtt egyed zsírtestének sejtjeiben és a petesejtekben aktív.
Gének stabilitása
Azt is sikerült kimutatni, hogy a differenciált sejtekben nem használt gének bizonyos körülmények között aktiválhatók.
Gilbert S. A fejlődés biológiája: 3 kötetben 2. kötet: Per. angolról - M .: Mir, 1994 .-- 235 p.
__________________ A GENÓMOK AZONOSSÁGA ÉS A GÉNEK KÜLÖNBÖZŐ KIFEJEZÉSE ______________ 93
van, és képesek más sejttípusokra specifikus fehérjéket termelni. Gary Weiss laboratóriumában (Peterson és Weiss, 1972; Brown, Weiss, 1975) meggyőző adatokat szereztek az emlősökben fel nem használt gének reaktiválódásáról, különféle típusú differenciált sejtek fúziós módszerével. A sejtek egyesülhetnek természetesen (mint az egér fejlődése során), vagy mesterségesen is stimulálhatók, hogy egyesüljenek olyan szerekkel, mint az inaktivált Sendai vírus (egér kanyaró vírus) vagy a polietilénglikol 1. A sejtek egyesülésekor olyan helyzet áll elő, hogy két sejtmag egy közös citoplazmába kerül (10.16. ábra). Kedvező körülmények között a hibrid sejt mindkét magja egyszerre lép be mitózisba, és ennek eredményeként egy hibrid magot képez, amely mindkét típusú szülői sejtből kromoszómákat tartalmaz. A legtöbb esetben, amikor két különböző típusú sejtet fuzionálnak egymással, a létrejövő hibrid elveszti az anyasejtekre jellemző tulajdonságait. A patkánymájból származó daganatsejtek egér fibroblasztokkal való fúziójának eredményeként Weiss olyan hibrideket tudott előállítani, amelyek két májkromoszóma-készletet tartalmaztak egy fibroblasztkészlethez. Ezek a sejtek megtartották a patkánymájra specifikus fehérjék, például albumin, aldoláz és tirozin-aminotranszferáz (TAT) szintetizálásának képességét. Még meglepőbb, hogy ezeken a fehérjéken kívül egéralbumint, aldolázt és TAT-t is szintetizáltak, három olyan fehérjét, amelyeket a fibroblasztok soha nem szintetizálnak. Az egér fibroblasztok olyan formában tartották meg a májspecifikus géneket, amelyek bizonyos körülmények között lehetővé teszik expressziójukat. Ez a helyzet megfelel az állatfejlődés általános szabályának: a sejtdifferenciálódás folyamatában nem fordulnak elő visszafordíthatatlan genetikai változások.
A sejtdifferenciálódást a fejlődő embrió különböző sejtvonalaiban a differenciális génexpresszió változásai okozzák (Davidson 1976). A baktériumokban a génexpressziót csak a géntranszkripció szintjén ható szabályozó mechanizmusok szabályozzák, pl. mRNS szintézis. Az eukariótákban a szabályozás a transzkripció szintjein és az mRNS transzport szintjén megy végbe a sejtmagból a citoplazmába.
A promoter specifikus nukleotidszekvenciát (AO) tartalmaz, amelyet az RNS-polimeráz ismer fel.
Az RNS-polimeráz az egyik szélen ül - a kezdeten (promoteren), hogy elérje a másik élt. Csak egy irányba mozog.
Az izolálás kezdete a nukleotidok meghatározott szekvenciáján alapul, és ezeknek specifikus töltései vannak.
Az RNS polimeráz fehérjék egy irányban képesek mozogni.
A promoter végétől kezdve az RNS-polimeráz elkezdi szintetizálni az RNS-t.
A gén kódoló régiójának végén az RNS szintézise leáll. Ezt a terminátor jelzi.
Ha nincs promóter, akkor az RNS-polimeráz nem olvassa be a gént, vagyis a gén "csendes" lesz. Az RNS-polimeráz önmagában nem képes felismerni, hogy egy adott pillanatban mely géneket kell átírni, más is segít ebben - a fehérjék. Ezeket a fehérjéket ún transzkripciós faktorok... A szabályozó fehérjék képesek megkötni a gén különböző részeit, lezárják az RNS polimeráz útvonalát (represszor - szupresszor), a fehérjék - erősítők.
32. Ivartalan szaporodás, ill agamogenezis- a szaporodás olyan formája, amelyben a szervezet önállóan, más egyed részvétele nélkül szaporítja önmagát. Ivartalan szaporodás, ill agamogenezis- a szaporodás olyan formája, amelyben a szervezet önállóan, más egyed részvétele nélkül szaporítja önmagát.
Az osztódás elsősorban az egysejtű szervezetekre jellemző. Általában úgy hajtják végre, hogy egyszerűen kettéosztják a sejtet. Egyes protozoonokban (például foraminiferákban) nagyobb számú sejtre osztódnak. A kapott cellák minden esetben teljesen megegyeznek az eredetivel. Az azonos neműek szaporodásában egy szülői szervezet vesz részt, amely képes sok vele azonos szervezetet létrehozni.
Sporuláció. A spóra egysejtű, általában mikroszkopikus méretű szaporodási egység, amely kis mennyiségű citoplazmából és egy sejtmagból áll. A spóraképződés megfigyelhető baktériumokban, protozoonokban, minden zöld növénycsoport és gombacsoport képviselőjében. A viták típusa és funkciója eltérő lehet, és gyakran speciális struktúrákban alakulnak ki. A spórák sok esetben mitózissal keletkeznek (mitospórák), néha pedig (főleg gombákban) hatalmas mennyiségben; csírázáskor az anya szervezetét szaporítják. A spórák nagyon gyakran nagy mennyiségben képződnek, de súlyuk jelentéktelen, és ez elősegíti a szél által, valamint az állatok, de főleg a rovarok általi terjedését. A spórák kis méretük miatt általában csak minimális tápanyagkészletet tartalmaznak; mivel sok spóra nem kerül megfelelő helyre a csírázáshoz, veszteségeik igen nagyok. Az ilyen spórák fő előnye a fajok, különösen a gombák gyors szaporodása és elterjedésének lehetősége. A baktériumok spórái nem a szaporodást, hanem a túlélést szolgálják kedvezőtlen körülmények között, mert minden baktérium csak egy spórát alkot.
A vegetatív szaporodás az ivartalan szaporodás egyik formája, melynek során egy viszonylag nagy, általában differenciált rész válik le a növényről, és önálló növé fejlődik.
Bimbózó. Ebben az esetben a sejtmag mitotikus osztódása következik be. A kialakult sejtmagok egyike az anyasejt formálódó lokális kitüremkedésébe költözik, majd ez a töredék kirügy. A leánysejt lényegesen kisebb, mint az anyai sejt, és némi időbe telik, mire felnő, és kiegészíti a hiányzó struktúrákat, majd felveszi az érett szervezetre jellemző megjelenést. A rügyezés a vegetatív szaporítás egyik fajtája. Számos alsóbbrendű gomba, mint például az élesztő, sőt a többsejtű állatok, például az édesvízi hidra is bimbózással szaporodik.
Töredezettség. Egyes élőlények a test több részre osztásával szaporodhatnak, és mindegyik részből egy teljes értékű szervezet nő ki, mindenben hasonló a szülő egyedhez (lapos- és tüskésbőrű férgek).
