На всіх цих стадіях розвитку у багатоклітинних тварин геном зазвичай не функціонує. На знімках: розвиток медузи Aequorea від першого поділу зиготи до бластули (фото з сайту raven.zoology.washington.edu)
Всупереч розхожій думці про те, що індивідуальний розвиток є реалізація закладеної в геном е «програми», ранні стадії ембріонального розвитку тварин йдуть при відключеному геном е. Аж до стадії бластули або навіть гаструли зародок синтезує всі необхідні йому білки на основі матричних РНК, отриманих від матері. Коли гени зародка нарешті починають працювати, материнські РНК знищуються. Механізми і біологічний сенс цих явищ залишаються багато в чому загадковими.
Прийнято вважати, що індивідуальний розвиток (онтогенез) - це поступова «реалізація» тієї генетичної інформації, яка укладена в геном е заплідненої яйцеклітини (зиготи) і яка в підсумку остаточно «втілюється» у будові дорослого організму. Всі розуміють, що шлях від генотипу до фенотип у важкий і звивистий, але лише деякі еволюціоністи всерйоз намагаються пояснити ключові закономірності еволюції особливостями тих складних процесів самоорганізації, які складають суть онтогенез а (аж надто важка задача). Тому зазвичай проблему намагаються спростити, звівши все до питання про те, яким чином ті чи інші зміни генотипу (наприклад, випадкові мутації) можуть відбитися на процесі розвитку зародка.
Згідно з традиційними поглядами, геном розглядається як активний початок (в ньому все спочатку «закодовано», він «керує» розвитком). Розвивається зародок, навпаки, вважається чимось на зразок пасивного «результату» діяльності геном а. Справа дещо ускладнюється тією обставиною, що сам геном в процесі онтогенез а явно перебуває під контролем: в різних клітинах ембріона одні гени включаються, інші вимикаються в суворій послідовності, яка визначається, зокрема, хімічними сигналами, якими обмінюються між собою клітини і тканини зародка. Хто ким керує, стає не зовсім ясно. Деякі теор етики з цього приводу навіть заявляють, що геном - це не «програма розвитку зародка», а скоріше якийсь набір інструментів, якими зародок користується (або не користується) на свій розсуд.
Для управління власними генами зародок використовує безліч різних механізмів: це і регуляція транскрипції (зчитування генів) за допомогою малих РНК і спеціальних регуляторних білків - транскрипційних факторів (знамениті HOX-гени теж кодують транскрипційні фактори), і особливі «епігенетичні» механізми (див. З . А. Назаренко. Епігенетична регуляція активності генів і її еволюція), в тому числі метилування генів за допомогою спеціальних ферментів ДНК-метилтрансферази і ацетилювання гістонів - білків, на які «намотані» мовляв кули ДНК. На відміну від звичайних регуляторів-перемикачів, «епігенетичні» часто передаються у спадок від батьківської клітини до дочірнім, тобто їх положення (вкл. / Викл.) Може зберігатися незмінним в ряду поколінь клітин, які діляться.
Ще одна обставина, яка робить сумнівним теза про повну і однозначною зумовленості онтогенез а геном му зиготи, полягає в тому, що у переважної більшості багатоклітинних тварин на ранніх стадіях розвитку геном взагалі не функціонує. Він просто-напросто відключений, все гени мовчать і матричні РНК ( «зчитуються» з генів матриці для синтезу білка) не виробляються.
Типова гаструла багатоклітинного тварини. A - ектодерма (зовнішній зародковий листок), B - бластоцель (первинна порожнина тіла), C - первинна кишка, D - ентодерми (внутрішній зародковий листок), E - бластопор (первинний рот). Фото: Dr. Anna E. Ross, Christian Brothers University, TN (з сайту coris.noaa.gov)
Зародок тим часом зазнає складні перетворення. Яйцеклітина починає дробитися, число клітин ембріона зростає в геометричній прогресії: 2, 4, 8, 16, 32. Нарешті формується одношаровий куля з клітин (бластула). Клітини, що знаходяться на одному з полюсів бластули, мігрують всередину, даючи початок другого зародкового листка (ентодермі), з якої пізніше розвинеться кишечник. На цій стадії двошаровий зародок називається гаструлою. Тільки на цьому етапі у багатьох тварин починають нарешті включатися гени, успадковані від тата з мамою. У інших це відбувається трохи раніше - на стадії бластули. І тільки ссавці - група унікальна у багатьох відношеннях - включають свої гени ще раніше (наприклад, миша робить це на стадії двох клітин).
Відповідь на перше питання більш-менш ясне. Яйцеклітина містить велику кількість матричних РНК, успадкованих від материнського організму. Ці мРНК зчитуються з материнських генів завчасно, в процесі дозрівання яйцеклітини. Саме вони забезпечують синтез білків, необхідних для ранніх стадій онтогенез а. У певний момент материнські мРНК починають знищуватися. Це відбувається як раз тоді, коли зародок починає сам виробляти мРНК, тобто включає свої гени. Цей досить швидкий процес заміни зародком материнських мРНК на свої власні називається maternal-zygotic transition (MZT).
Менш зрозуміле питання про те, що рухає процесом MZT. Передбачається три можливих механізму:- У міру зростання числа клітин в зародку починає не вистачати тих речовин (що б вони з себе представляли), які не дозволяють генам зародка включитися. Ранні стадії ембріогенезу тварин не випадково називають «дробленням»: зигота саме дробиться, клітини ембріона після кожного ділення стають все дрібніше, оскільки між клітинними розподілами відсутня стадія росту клітин. Загальна кількість цитоплазми не росте, тоді як кількість клітинних ядер, а отже і ДНК, збільшується в геометричній прогресії. Якщо припустити, що яйцеклітина заздалегідь запаслася якимись інгібіторами транскрипції, то кількість цих гіпотетичних інгібіторів, що припадають на кожну клітину, має швидко спадати, і в кінці кінців їх залишається так мало, що вони вже не можуть стримувати транскрипцію.
- Не виключено, що в зиготі спочатку має місце цілеспрямоване блокування деяких ключових генів, робота яких ініціює транскрипцію. Так, показано, що штучне введення в ембріон потужних активаторів транскрипції (наприклад, так званого ТАТА-зв'язуючого білка, TBP) може викликати передчасне часткове включення ембріонального геном а.
- Нарешті, сама по собі швидка низка клітинних поділів може заважати транскрипції. Адже кожному поділу має передувати подвоєння ДНК (реплікація). В ході дроблення реплікація повинна відбуватися, по суті справи, безперервно. Тим часом відомо, що реплікація може заважати транскрипції, а під час клітинного поділу (мітозу) може відбуватися обрив і знищення тих мРНК, синтез яких ще не закінчився. Може бути, клітини ембріона просто фізично не встигають транскрибувати свої гени? Штучне уповільнення процесу дроблення дійсно може викликати передчасне включення ембріонального геном а. До речі, у ссавців дроблення протікає порівняно повільно, не цим пояснюється раннє включення генів зародка?
Втім, жодна з цих теор ий не пояснює всієї сукупності наявних фактів. Наприклад, вони не в змозі пояснити, чому ембріональні гени включаються поступово, в строго визначеному порядку, а поодинокі гени можуть бути включені вже на самих ранніх стадіях дроблення.
Другим суттєвим аспектом MZT є знищення материнських мРНК. Тут, як з'ясувалося, все передбачено заздалегідь: материнські мРНК позначені особливою послідовністю нуклеотидів, розташованої на нетрансльовані (тобто не кодує білок) «хвостику» цих молекул. Серед перших генів, які ембріон включає в процесі MZT, знаходяться гени особливих білків і маленьких РНК, які розпізнають цю послідовність, прикріплюються до неї і тим самим ініціюють знищення материнських мРНК.
До повного розуміння всіх цих процесів науці ще дуже далеко, але справа рухається. Коли основні механізми генної регуляції в ході раннього онтогенез а будуть розшифровані, біологи зможуть впритул зайнятися таким принциповим питанням, а саме: навіщо все це треба? чому багатоклітинні тварини не довіряють своєму геном у контроль над ранніми стадіями розвитку, а потім в якийсь момент раптом «перемикаються» з материнських транскриптов на свої власні?
Між іншим, ця проблема має не тільки теор етіческого, а й практичне значення. Труднощі, з якими стикаються роботи з клонування тварин, багато в чому визначаються тим, що ми ще надто мало знаємо про роботу генів в ході раннього розвитку. Клонування тварин здійснюється шляхом пересадки ядра з соматичної (нестатевий) клітини однієї тварини в яйцеклітину іншого. Однак для нормального розвитку необхідно, щоб гени зародка спочатку мовчали, а вони в донорському ядрі цілком активні. Цитоплазма яйцеклітини повинна якимось чином «перепрограмувати» ядро, вимкнути геном. а потім в потрібний момент знову включити його. Поки ми не знаємо, як їй в цьому допомогти, великих успіхів в клонуванні очікувати важко.
Обговорення Ще не було обговорень.
евристика ймовірності
Сьогодні існують методи, що дозволяють навіть в разі мінімального життєвого досвіду оцінювати, наскільки ймовірно, що вам брешуть партнери і близькі, наскільки впевнено можна допускати залежність між явищами, в тому числі, здавалося б, зовсім не пов'язаними: Евристика ймовірності.