Генетические основы онтогенеза

[http://afonin-59-bio.narod.ru/2_heredity/2_heredity_self/hs_16_onto.htm].

Онтогенез растений в значительной степени зависит от условий внешней  среды. В результате у них выработались защитные реакции (период покоя, фотопериодизм, термопериодизм), благодаря которым период активной жизнедеятельности приурочен к наиболее благоприятному времени года.

Повышение устойчивости онтогенеза в ходе эволюции изучалась английским эмбриологом и генетиком Конрадом Уоддингтоном (на примере температурной зависимости экспрессии гена Bar у дрозофилы). Устойчивость процессов развития Уоддингтон назвал гомеорезом – стабилизированным потоком событий, который представляет собой процесс реализации генетической программы строения, развития и функционирования организма.

Уоддингтон описывал процесс онтогенеза как пространство возможностей, или эпигенетический ландшафт. Эпигенетический ландшафт представляет собой набор эпигенетических траекторий, ведущих от зиготы к взрослому состоянию организма. Эпигенетический ландшафт и эпигенетические траектории можно представить как поверхность с системой параллельных углубляющихся желобов.

Эпигенетические траектории в некоторой степени связаны  между собой, то есть под воздействием различных факторов (внутренних и  внешних, генетических и негенетических) возможен переход с одной траектории на другую. В результате на основании  одной и той же генетической программы  возможно формирование множества траекторий онтогенеза. Существование множества траекторий онтогенеза, базирующихся на одной и той же генетической программе, называется поливариантностью онтогенеза. Первоначально эпигенетические траектории более или менее равноценны, но в ходе канализирующего отбора некоторые траектории как бы углубляются и становятся аттракторами других траекторий (от англ. to attract – притягивать). Траектории, получающие преимущество, Уоддингтон называл креодами. «Хребты», разделяющие траектории, являются репеллерами (от англ. to repel – отталкивать).

1.2 Взаимосвязь  между генотипом и фенотипом  в онтогенезе

В широком смысле генотип  — это совокупность всех наследственных факторов организма (ядерных и цитоплазматических). В более узком смысле под генотипом  понимают совокупность всех генов организма, локализованных в хромосомах. Это  программа развития, обусловленная  историей развития вида.

Фенотип – это совокупность всех признаков и свойств организма, которые можно учесть при морфологических, анатомических, физиологических и  цитологических исследованиях. Иначе, фенотип можно определить как  результат реализации генотипа в  ходе онтогенеза при определенных условиях внешней среды, для которого характерна система признаков и свойств  организма.

Любой признак организма, в конечном счете, определяется всем генотипом, а каждый ген обладает множественным (плейотропным) эффектом.

В фенотипе никогда не реализуются  все генотипические возможности, т. е. фенотип каждой особи есть лишь частный случай проявления ее генотипа в определенных условиях развития. Например, генотипически одинаковые растения при выращивании их в контрастирующих условиях будут иметь различные фенотипы. Вследствие развития и жизни в разных условиях однояйцевые близнецы могут значительно различаться между собой во взрослом состоянии. Следовательно, реализация генотипа в фенотипе обусловлена особенностями онтогенеза и конкретными условиями внешней среды, в которых осуществляется развитие.

Нормальным может быть назван такой фенотип, который возникает  в оптимальных условиях среды  под контролем нормального или  «дикого» генотипа. Изменения внешней  среды или генотипа могут вызвать  отклонения от нормального фенотипа, т. е. степень изменения фенотипа находится в зависимости от степени  изменения среды и генотипа.

Наличие определенных генов  еще не означает, что их действие завершится развитием определенных признаков. На действие многих генов  часто оказывают влияние изменения  внешних условий. Например, хорошо известно, что синтез хлорофилла, который контролируется действием генов, не может происходить  в темноте и для этого процесса обязательно наличие света. Подобное наблюдается и при образовании антоциана у растений. Без необходимых условий освещения гены, контролирующие образование этого пигмента, действуют очень слабо или совсем не действуют. Известно много мутаций у растений и животных, проявляющих мутантный фенотип только при определенных условиях освещения, температуры или влажности.

Генетические методы исследования открыли новые возможности для  изучения онтогенеза. При этом особое значение имеют исследования действия мутантных генов. Действительно, получая  прямые и обратные мутации генов, можно как бы включать и выключать  отдельные звенья развития, что позволяет  установить последовательность процессов  дифференциации и морфогенеза. Большое  значение для этого имеют также  работы по изучению функциональных изменений  хромосом и молекулярного механизма  мутаций.

Основным вопросом генетики и цитогенетики онтогенеза является вопрос о том, когда и как начинает функционировать ген. В настоящее  время многое известно о действии и взаимодействии генов. В общих чертах уже ясно, каким образом гены контролируют синтез определенных химических веществ и скорость различных обменных реакций, а также каким образом химические изменения гена приводят к изменению обмена веществ и фенотипа. Правда, большинство данных получено на микроорганизмах, и их не всегда можно переносить на высшие растения и животных. Последние представляют собой исключительно сложные объекты для изучения генетических процессов на молекулярном уровне.

Микроорганизмы исключительно  удобны для изучения действия мутантных  генов, определяющих биосинтез многих метаболитов. На высших организмах такие  исследования усложняются хотя бы тем, что их клетки содержат сравнительно большое количество ДНК. Так, по сравнению  с клетками кишечной палочки (Е. coli) в клетках млекопитающего содержится примерно в 1000 раз больше ДНК. Следовательно, у них значительно больше генов, поскольку нет оснований говорить об увеличении размеров белковых молекул и генов при переходе от низших форм жизни к высшим. В клетках млекопитающих может синтезироваться более миллиона различных белков, вследствие чего установить связь между мутантным признаком и соответствующим мутантным белком очень трудно. Количество ДНК – довольно относительный критерий, способный ввести в заблуждение. Так, в клетках некоторых амфибий содержится примерно в 50 раз больше ДНК, чем в клетках млекопитающих. Это, однако, не означает, что амфибии совершеннее млекопитающих в биологическом отношении. По-видимому, у ряда амфибий количество ДНК увеличилось за счет полиплоидизации, и каждый ген у них оказался в нескольких экземплярах.

Этим не исчерпываются  трудности в изучении генетических явлений у высших организмов на молекулярном уровне. Затруднения возникают при  выявлении многих мутаций, они бывают сопряжены с невозможностью получения многих поколений в короткие сроки и многим другим. Несмотря на все эти трудности, в настоящее время уже имеются данные, согласно которым ряд общих закономерностей, установленных на микроорганизмах, не является частным случаем и свойственен высшим организмам. Например, было установлено, что многие наследственные заболевания у человека обусловлены врожденными аномалиями метаболизма.

Например, организму человека для нормального обмена веществ, в частности фенилаланина и тирозина, необходимо определенное количество аминокислот. Эти вещества обычно поступают из пищи, а тирозин дополнительно синтезируется из избытков фенилаланина. Тирозин является предшественником для образования некоторых белков, гормонов, пигмента меланина и других важных соединений. При биохимических мутациях может произойти блокирование какого-либо периода биосинтеза пигментов, что приведет к альбинизму, алькаптонурии или фенилкетонурии. Это наследственные болезни, из которых последняя, например, вызывает серьезные нарушения умственного развития. Причиной фенилкетонурии является блокирование синтеза тирозина из фенилаланина, что приводит к накоплению в организме избытка фенилаланина. Знание механизмов действия этих генов позволяет разработать методы лечения или облегчения данных заболеваний. Например, при ранней диагностике фенилкетонурии удавалось предотвратить появление признаков умственной отсталости исключением из пищи фенилаланина. Принципиальное сходство таких нарушений метаболизма с подобными у микроорганизмов не вызывает сомнений.

Биохимическая дифференцировка  предшествует морфологической, но изучение начальных биохимических этапов действия гена у высших организмов – трудная задача. Начиная с 1920-х годов, такие исследования проводятся на растениях и животных. При этом по отклонению от нормы в развитии изучаемых признаков удавалось установить начало действия генов. У домашней мыши, например, была обнаружена серия множественных аллелей в локусе Т. В гомозиготном состоянии ген Т (ТТ) вызывает смерть зародыша на 11-й день. В гетерозиготном состоянии (Tt) особь сохраняет жизнеспособность, но у нее развивается укорочение хвоста (брахиурия). Многочисленные рецессивные аллели этого гена вызывают смерть зародышей на различных стадиях развития, появление бесхвостых мышей или мышей с нормальными хвостами. Используя различные аллели, можно генетически моделировать продолжительность жизни эмбрионов и особенности развития хвоста

Таким образом, комбинирование мутантных аллелей при скрещиваниях позволяет моделировать эмбриогенез, как бы останавливая или изменяя развитие, что дает возможность уточнить начало дифференцировки признака.

Один и тот же мутантный  ген у разных организмов может  проявиться различным образом, что  определится генотипом данного  организма и условиями среды, в которых происходит его развитие. Иначе говоря, фенотипическое проявление гена может значительно варьировать  по степени выражения признака. Это  явление было названо экспрессивностью (Тимофеев–Ресовский, 1927). Экспрессивность  может действовать в узких  или широких пределах, т. е. от нормального  выражения признака до максимально  возможного мутационного эффекта. Например, в потомстве от одной пары мутантных  дрозофил с сильно редуцированным числом фасеток («безглазая» форма) у одних  особей глаза будут лишены фасеток  наполовину, а у других — почти  полностью.

Любой мутантный признак  может обнаружиться у одних и  не проявиться у других особей. Эта  способность, названная пенетрантностью  проявления гена, оценивается по количеству особей в популяции, имеющих мутантный  фенотип. При полной пенетрантности (100%) мутантный ген проявляет свое действие у всех особей, имеющих  его, а при неполной — лишь у  некоторых.

Если экспрессивность  — это реакция сходных генотипов  на среду, то пенетрантность – показатель гетерогенности линий или популяций не по основному гену, определяющему конкретный признак, а по генам-модификаторам, которые создают генотипическую среду для проявления гена. И экспрессивность, и пенетрантность обусловлены взаимодействием генов в генотипе и реакцией последнего на факторы внешней среды. Оба эти явления имеют приспособительное значение и поддерживаются отбором, они хорошо известны и для растений, и для животных.

Так, у примулы известен ген окраски цветка, действие которого зависит от температуры. При температуре 30—35° и высокой влажности цветки примулы оказываются белыми, а  при низкой температуре — красными. Фенотипическое проявление гена гималайской  окраски кроликов при нормальной температуре (≈20°) выражается в том, что при общей белой окраске  уши, нос, кончики лап и хвост  оказываются черными. При температуре  выше 30° окраска кроликов оказывается  сплошь белой. Если же любой участок  тела, на котором выщипана белая  шерсть, систематически охлаждать, то на нем вырастает черная шерсть. Черная окраска определяется образованием меланистических пигментов, синтез которых контролируется соответствующим геном. Однако фенотипическое проявление этого гена зависит от температурных условий.

Изменения под влиянием внешних  факторов в ходе развития признака, находящегося под контролем определенного  генотипа, могут привести к копированию  признаков, характерных для другого  генотипа. Такие изменения были названы  фенокопиями (Гольдшмидт, 1935). Поскольку генотип остается неизменным, фенокопии не наследуются. Подобные изменения могут быть вызваны экспериментально при действии на развивающийся организм химическими агентами или излучениями. В этом случае их называют морфозами (Шмальгаузен, 1949), или тератами. Морфозы и тераты – это особенности органов, которые обусловлены нарушениями их нормального развития. Морфозы не препятствуют нормальному функционированию организма (например, сросшиеся цветоносные побеги у одуванчика, изменение конфигурации листьев), а тераты (уродства) приводят к частичной или полной утрате органом его функций (например, превращение плодолистиков в обычные листья–трофофиллы, тычинок в лепестки). Морфозы и тераты непосредственно не наследуются, однако склонность к появлению таких нарушений может быть обусловлена особенностями генотипа.

Некоторые фенокопии возникают  под влиянием факторов внешней среды  на определенной стадии индивидуального  развития. У растений, например, хорошо известны озимые и яровые формы. Это  генотипически обусловленные признаки. При скрещивании гомозиготных озимых и яровых пшениц в F1 доминирует свойство яровости, а в F2 наблюдается расщепление на яровые и озимые. Однако встречаются особые формы – «двуручки», которые в зависимости от условий выращивания могут быть озимыми или яровыми. Озимые злаки, посеянные весной, обычно растут, кустятся, но не переходят к колошению, т. е. не развиваются. Растения же, семена которых перед весенним посевом подверглись на протяжении определенного времени действию пониженных температур при определенной влажности (яровизация), будут развиваться нормально и перейдут к плодоношению. Следовательно, в ходе онтогенеза можно изменять свойства растения, что было установлено еще в 20-е годы Лысенко, сделавшим при этом неправильный вывод, что воздействие температурными условиями вызывает наследственные изменения. В действительности же эти изменения не наследуются, а лишь имитируют фенотип наследственно яровых форм, т. е. являются фенокопиями.