Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Молекулярно-генетические механизмы онтогенеза.
1. Способы клеточной миграции.
2. Дифференцировка клеток.
3. Генетические механизмы детерминации и дифференцировки.
Развитие организма - это не только авторепродукция его клеток и тканей, но и длинная цепь закономерных изменений, возникновение нового в химическом, физическом, морфологическом и функциональном отношении.
Достаточно вспомнить, что из яйцеклетки человека, имеющей вес около 0, 0015 мг, после оплодотворения развивается ребенок массой около 3 кг. Проходят годы и человек становится способным анализировать окружающий мир и преобразовывать его.
Этапы развития.
Нарушение любого этапа может привести к возникновению пороков развития и уродств.
Детерминация – (ограничение, определение) – прогрессивное ограничение онтогенетических возможностей эмбриональных клеток. Это означает, что на этапе детерминации клетки по своим морфологическим признакам отличаются от эмбриональных клеток, но функции выполняют еще клеток эмбриональных.
Т.е. детерминированные клетки еще не способны выполнять специальные функции. У млекопитающих детерминированные клетки появляются на стадии восьми бластомеров. Химерные, аллоферные организмы.
В качестве объекта исследования мыши. Зародыши мышей на стадии 8 бластомеров с помощью фермента проназы извлекают и разбивают на отдельные бластомеры, производят смешивание бластомеров от разных животных в пробирке, а затем вшивают в матку. В результате получаются нормальные животные, но окраска частей различна, т.к. исходные формы были разных цветов.
Если подобную операцию проводить на более поздних этапах эмбриогенеза – гибель животных неизбежна, что доказывает детерминацию клеток на данном этапе .
Процесс детерминации находится под генетическим контролем. Это ступенчатый, многоэтапный процесс, изученный пока недостаточно хорошо. В основе детерминации – активация тех или иных генов и синтез разных и-РНК и, возможно, белков.
Детерминация может нарушаться, что приводит к мутациям.
Дифференцировка – процесс, в результате которого клетка становится специализированной, т.е. приобретает химические, морфологические, функциональные особенности; это процесс возникновения и нарастания структурных и функциональных различий между отдельными клетками и частями зародыша.
Дифференцированные клетки в отличие от детерминированных обладают специальными морфологическими и функциональными организациями. В них происходят строго определенные биохимические реакции и синтез специальных белков.
Синтез специальных белков начинается на очень ранних стадиях развития. Касательно стадии дробления: бластомеры отличаются друг от друга цитоплазмой. В цитоплазме различных бластомеров имеются разные вещества. Ядра всех бластомеров несут одну и ту же генетическую информацию, т.к. имеют одинаковое количество ДНК и идентичный порядок расположения пар нуклеотидов.
1939 год Томас Морган выдвинул гипотезу: « дифференцировка клеток связана с активностью разных генов одного и того же генома». В настоящее время известно, что в дифференцированных клетках работает около 10% генов, а остальные неактивны. В силу этого в разных типах специализированных клеток функционируют свои определенные гены.
На функционирование генов в процессе развития многоклеточного организма оказывают влияние сложные и непрерывные взаимодействия ядра и цитоплазмы и межклеточные взаимодействия.
Регуляция дифференцировки происходит на уровне транскрипции и на уроне трансляции.
Уровни регуляции дифференцировки клеток.
1. На уровне транскрипции.
- система оперона
-участие белков – гистонов, которые образуют комплекс с ДНК.
Участки ДНК, покрытые гистоном, неспособны к транскрипции, а участки без гистоновых белков транскрибируются. Таким образом, белки участвуют в контроле над считываемыми генами.
Гипотеза дифференциальной активности генов: « Предположение о том, что в разных генах дифференцированных клеток репрессированы (закрыты для считывания) разные участки ДНК и поэтому синтезируются разные виды м-РНК».
2. На уровне трансляции.
На ранних стадиях эмбрионального развития весь белковый синтез обеспечивается матрицами, созданными в яйцеклетке до оплодотворения под управлением ее генома. Синтез и-РНК не происходит, меняется характер синтеза белка. У разных животных синтез включается по-разному. У амфибий синтез и-РНК после 10 деления, синтез т-РНК на стадии бластулы. У человека синтез и-РНК после 2го деления. Не все молекулы и-РНК, находящиеся в яйцеклетке одновременно используются для синтеза полипептидов, белков. Часть из них некоторое время молчит.
Известно, что во время развития организма закладка органов происходит одновременно.
Гетерохрония – закономерность, предполагающая неодновременное развитие.
Процесс дифференцировки клеток связан с депрессией определенных клеток. В процессе гаструляции депрессия генов зависит от влияния неодинаковой цитоплазмы в эмбриональных клетках. В органогенезе основное значение у межклеточных взаимодействий. Позже регуляция активности генов осуществляется через гормональные связи.
В зародыше разные участки влияют друг на друга.
Функцию индукционного сигнала выполняют гормоны местного действия, которые стимулируют рост. Дифференцировку-, служат факторами хемотаксиса, тормозят рост.
Каждая клетка продуцирует гормон местного действия – кейлон, который тормозит вступление клеток в синтетическую фазу митоза и временно тормозит митотическую активность клеток этой ткани и вместе с антикейлоном направляет клетки по пути дифференцировки.
Морфогенез – образование формы, принятие новой формы. Образование формы чаще всего происходит в результате дифференциального роста. В основе морфогенеза лежит организованное движение клеток и групп клеток. В результате перемещения клетки попадают в новую среду. Процесс происходит во времени и пространстве.
Дифференцированные клетки не могут существовать самостоятельно, кооперируются с другими клетками, образуя ткани и органы. В образовании органов важно поведение клеток, которое зависит от клеточных мембран.
Клеточная мембрана играет роль в осуществлении
-клеточных контактов
-адгезии
-агрегации.
Межклеточный контакт – подвижные клетки приходят в контакт и расходятся, не теряя подвижности.
Адгезия – пришедшие в контакт клетки длительное время прижаты друг к другу.
Агрегация – между адгезированными клетками возникают специальные соединительнотканные или сосудистые структуры, т.е. происходит формирование простых клеточных агрегатов тканей или органов.
Для формирования органа необходимо присутствие в определенном количестве всех клеток, обладающих общим органным свойством.
Эксперимент с дезагрегированными клетками амфибий.(Опыт Шпемана). Взяты 3 ткани – эпидермис нервной пластинки, участок нервных валиков, клетки эктодермы кишечника. Клетки дезагрегированы случайным образом и смешаны. Клетки начинают постепенно рассортировываться. Причем процесс сортировки продолжается до тех пор, пока не образуются 3 ткани: сверху слой эпидермальной ткани, затем нервная трубка и внизу - скопление эндодермальных клеток.
Сегрегации клеток – избирательной сортировки.
Смешивали клетки глазных зачатков и хряща. Раковые клетки не способны к сегрегации и неотделимы от нормальных. Остальные клетки подвержены сегрегации.
В ядрах дифференцированных клеток большинство генов находится в репрессивном состоянии, число же активно работающих генов различно в различных тканях и органах на разных стадиях развития. Все структурные гены эукариотов можно условно разделить на три типа:
1. Гены, функционирующие во всех клетках организма. К ним принадлежат гены, кодирующие ферменты энергетического обмена, ответственные за синтез важнейших макромолекул и образование общих для всех клеток структур.
2. Гены, функционирующие только в тканях одного типа. Это гены, определяющие синтез миозина в мышцах, коллагена - во всех опорных тканях и т.д.
3. Гены, необходимые для выполнения клетками специализированных узких функций (синтез гемоглобина в эритроцитах, разных гормонов в эндокринных железах, трипсина и амилазы и др. ферментов в пищеварительном тракте, белка хрусталика и др.).
Развитие зародыша протекает при непрерывном взаимодействии наследственных и внешних факторов. В процессе таких взаимоотношений формируется фенотип, фактически отражающий результат реализации наследственной программы в конкретных условиях средыВ настоящее время человек во все периоды своей жизни подвергается воздействию химических, физических, биологических и психологических факторов.
Экспериментальное изучение развития животных привело к представлению о так называемых критических периодах в развитии организмов. Под этим термином понимают периоды, когда зародыш наиболее чувствителен к повреждающему действию разнообразных факторов, которые могут нарушить нормальное развитие, т.е. это периоды наименьшей устойчивости зародыша к факторам внешней среды. Организм в разные периоды своей жизни неодинаково чувствителен к температуре, в другой - к хим. агентам и т.д. В критические периоды у зародыша сильно меняется метаболизм, резко усиливается дыхание, меняется содержание РНК, падает темп роста. Различают критические периоды, общие для всего организма и критические периоды в развитии отдельных органов. Критические периоды совпадают с активной морфологической дифференцировкой, с переходом от одного периода развития к другому. Изучение критических периодов в эмбриогенезе показывает необходимость охраны материнского организма от вредных факторов, особенно в первые недели беременности.
Критические периоды развития.
Критический период – период, который связан с изменением обмена веществ (переключение генома).
В онтогенезе человека выделяют:
1. развитие половых клеток
2. оплодотворение
3.имплантация (7-8 неделя)
4. развитие осевых органов и формирование плаценты(3-8 недели)
5. стадия роста головного мозга (15-20 недели).
6. формирование основных функциональных систем организма и дифференцировка полового аппарата(10-14 недели).
7. рождение(0-10 дней)
8. период грудного возраста – максимальная интенсивность роста, функционирование системы энергопродукции и др.
9. дошкольный (6-9 лет)
10. пубертатный - для девочек 12. для мальчиков 13 лет.
11. окончание репродуктивного периода, у женщин – 55, у мужчин – 60 лет.
В критические периоды развития проявляются мутации, поэтому надо быть внимательным к этим периодам.
Наследственные пороки (уродства) вызваны изменениями у родителей в ходе гаметогенеза в генотипе.
В развитии организма большое значение имеют иммунная, эндокринная и нервная системы.
Иммунная система очищает организм от мутирующих генотипов.
Воздействие на организм матери во время беременности различных химических, физических, биологических агентов может привести к нарушению развития эмбриона и рождению урода или внутриутробной смерти плода. Тератогенным действием могут обладать хинин, алкоголь, кофеин, различные токсические вещества, а также простейшие (токсоплазма), вирусы (вирус краснухи). Тератогенным действием могут обладать некоторые лекарства (талидомид), все виды ионизирующего излучения. Эти факторы говорят о необходимости охраны здоровья беременной, осторожного назначения лекарств, физиотерапевтических процедур.
Форма и функции органов и тканей развивающего организма непрерывно взаимосвязаны и морфологические явления имеют свою физиологическую сторону.. Сложная система связей, т.е. корреляция, обусловливает развитие организма как целого. И. И. Шмальгаузен выделил геномные, морфологические и эргонтические корреляции.
Корреляции в онтогенезе:
ГЕНОМНЫЕ корреляции могут осуществляться, по-видимому, непосредственно веками, через какие-то биохимические процессы, совершающиеся в клетках, в которых реализуется изменение. Это зависимости одного или нескольких связанных генов - плейотропное действие гена, пенетрантность, множественный аллелизм.
МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ корреляции - это взаимозависимости между двумя или более морфогенетическими процессами (хорда-мезодерма), развитие нервной системы из эктодермы, преобразование эктодермы в наружную часть роговицы под влиянием хрусталика глаза.
ЭРГОНТИЧЕСКИЕ (функциональные) корреляции - это корреляции между частями, обусловленные функциональными зависимостями между ними (зависимость между развитием нервных центров, нервов и развитием периферических органов, зависимость между развитием мышц, нервов, кровеносных сосудов мышц).
Различные типы корреляции характерны для различных этапов онтогенеза. В онтогенезе в результате процессов дифференциации происходят новые и новые корреляции. Это приводит к дальнейшим дифференцировкам. Движущие силы индивидуального развития создаются по мере дифференцировки зародыша в результате взаимодействия продуктов этой дифференцировки. В результате этих взаимодействий организм развивается на всех стадиях как одно согласованное целое.