Охарактеризовать генетические механизмы регуляции и контроля ранних этапов онтогенетического развития.
Генетика онтогенеза представляет собой область знаний, посвященную изучению генетических основ регуляции процессов эмбрионального и постэмбрионального развития организмов. Данное направление генетики занимается исследованием молекулярно-генетических аспектов реализации программ развития, а также выявлением роли эпигенетических факторов в такого рода реализации, изучением времени и места действия конкретных генов в ходе онтогенеза, а также анализом фенотипических проявлений мутаций генов, управляющих развитием, и факторов, их вызывающих, что имеет первостепенное значение для медицины.
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.
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. 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).
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. «paternal-effect embryonic-lethal»), белковые продукты которых накапливаются в процессе сперматогенеза и созревания спермы. К настоящему времени некоторые PEL-гены идентифицированы у Drosophila (pal и ms(3)K81 гены) и Caenorhabditis elegans (spe-гены).
(из Nature cell biology, vol 3 February 2001,P.M. Wassarman, L Jovine, E. S. Litscher)
В результате оплодотворения образуется зигота, представляющая собой начальный этап онтогенетического развития нового организма. Первые деления дробления зиготы являются критичными для дальнейшего развития всех живых организмов, так как именно входе их устанавливаются три ключевые оси полярности: передне-задняя (ПЗ), дорсо-вентральная (ДВ) и ось, определяющая правую и левую стороны зародыша (ПЛ). Формирование осей полярности у представителей всех систематических групп – это важнейший этап, в осуществлении которого задействован целый ряд генов «отцовского» и «материнского» эффектов, именно этот этап определяет направление всего дальнейшего развития.
После установления осей полярности в зиготе начинается следующие этапы развития – дробление и гаструляция. Эти процессы могут существенно отличаться у представителей различных систематических групп, однако использование технологии синэкспрессионного анализа позволило установить наличие высоко консервативных в эволюционном плане семейств генов (nodal, activin, chordin, pdgf, noggin и т.д.). В настоящее время ведется активное исследование механизмов и способов гаструляции, а также вероятных нарушений этого процесса, приводящих к возникновению тех или иных аномалий развития.
Что касается следующего этапа эмбрионального развития – органогенеза, то его протекание осуществляется под контролем генов, кодирующих основные компоненты консервативных сигнальных каскадов: Wnt, Notch и Smad. Именно эти сигнальные пути, а в особенности Notch, будут управлять формированием разнородных клеточных пластов, очерчивать границы будущих органов и контролировать процессы васкуляризации. Естественно, генетическая регуляция органогенеза не ограничивается лишь тремя сигнальными путями, а является более сложным, комплексным процессом, успех которого во многом определяется корректным протеканием предыдущих стадий эмбрионального развития.