Взаимодействие ядерных и цитоплазматических генов в детерминации морфогенетических процессов у эукариот

Так в исследованиях Э.К Хуснутдиновой и соавторов выявлены основные расовые и популяционно-специфические типы мтДНК среди народов Волго-Уральского региона. Многокопийность мтДНК делает их удобным объектом при анализе старого биологического материала, в котором ядерная ДНК, как правило, деградирована. В частности, анализ мтДНК был использован при идентификации «Екатеринбургских останков», предположительно принадлежащих последнему русскому императору Николаю II и членам его семьи. [3], [13], [32].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 4

Генотипическая предетерминация, как взаимодействие ядерных и цитоплазматических генов в детерминации морфогенетических признаков у  животных

 

Предетерминацией называется предопределение свойств организмов в последующих поколениях. В ряде случаев наследование признаков связано с особенностями цитоплазмы, возникающими в процессе индивидуального развития организма либо под влиянием факторов внешней среды (онтогенетическая или фенотипическая предетерминация), либо под влиянием генотипа (генотипическая предетерминация) [3].

Генотипическая предетерминация  цитоплазмы или материнский эффект цитоплазмы заключается во влиянии генотипа матери на характер потомства первого поколения, передаваемый через свойства цитоплазмы яйцеклеток. В результате потомство развивается н значительной степени и соответствии с генотипом матери и независимо от особенностей собственного генотипа [6],[10].

В чем причины материнского типа наследования, когда он не связан с проявлением генов митохондриальной ДНК?

Как известно, при формировании ооцитов в них накапливаются рибосомы, а также молекулы мРНК и различные структурные белки и ферменты. Все эти запасенные молекулы необходимы в тот период времени, пока не функционирует собственная белок-синтезируюшая система в делящейся зиготе. У позвоночных до стадии гаструлы синтез белка происходит с материнских мРНК, а затем начинается экспрессия собственных генов зародыша. У дрозофилы из питающих клеток в ооцит попадают различные первичные продукты материнских генов. К генам с материнским эффектом относятся гены, контролирующие переднезаднюю полярность зародыша. К ним относятся bicoid (bed), nanos (nos), pumilio (pum), trunk (trk) и др. [7], [33]. Первичные продукты этих генов (РНК или белка) распределяются с различной концентрацией по длине яйца. Мутации генов с материнским эффектом, нарушая сегментарную структуру личинок дрозофилы, действуют как летали.

Яркий пример – наследование направления завитка раковины у пресноводных гермафродитных моллюсков Limnea [3],[29],[32]. Большинство из них – перекрестно оплодотворяющиеся формы, но некоторые из них способны к самооплодотворению. У этих моллюсков встречаются два типа закручивания раковины: против часовой стрелки (левозакрученные) и по ходу часовой стрелки (правозакрученные). Направление закручивания раковины определяется одной парой аллелей: правозакрученность D доминирует над левозакрученностью d. При реципрокных скрещиваниях гибриды F1, имеющие один и тот же генотип Dd, различаются по фенотипу. В скрещивании ♀ DD × ♂ dd все гибридные особи имеют материнский тип – правозакрученные раковины. В скрещивании ♀ dd × ♂ DD потомство также имеет материнский тип завитка, то есть левозакрученную раковину. От самооплодотворения гетерозиготных форм F1 (Dd)  в обоих скрещиваниях все потомки F2 обладают правозакрученной раковиной, хотя гибриды F1 (как и материнские формы) различались по фенотипу. Когда было исследовано потомство от каждой особи F2 в отдельности, то выяснилось, что 1/4 семей имели левый завиток, а 3/4 – правый.

Результаты опытов можно отобразить в виде схемы:  

 

Вариант 1.  

 

P:	♀ DD	x	♂ dd
	право		лево
F1:		Dd
		право
	самооплодотворение
F2:	DD	Dd	Dd	dd
	право	право	право	право
	самооплодотворение
F3:	DD	1 DD : 2 Dd: 1 dd	1 DD : 2 Dd: 1 dd	dd
	право	право	право	лево

 

 

Вариант 2.  

 

P:	♀ dd	x	♂ DD
	лево		право
F1:		Dd
		лево
	самооплодотворение
F2:	DD	Dd	Dd	dd
	право	право	право	право
	самооплодотворение
F3:	DD	1 DD : 2 Dd: 1 dd	1 DD : 2 Dd: 1 dd	dd
	право	право	право	лево

 

 

Схема4.1 - Наследование завитка раковины у пресноводных гермафродитных моллюсков Limnea

 

Таким образом, простое менделевское расщепление по данной паре признаков 3 : 1 выявилось не в F2, а только в F3. При этом типе наследования фенотип потомков соответствует генотипу матери, а не генотипу зигот, из которых они развиваются. Данный признак предопределяется генотипом материнского организма в цитоплазме яйца в процессе его развития. Рассмотренный тип наследования и является в собственном смысле материнским. Направление завитка раковины определяется характером спирального дробления оплодотворенного яйца, то есть расположением бластомеров по спирали вправо или влево, что, в свою очередь, зависит от ориентации веретена при втором делении дробления.

В данном случае свойства цитоплазмы детерминированы действием хромосомных генов, а не элементами самой цитоплазмы, то есть здесь действует механизм хромосомного наследования, который изменяет цитоплазму яйцеклетки еще до оплодотворения.[4],[11].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 5

Наследование через инфекцию как взаимодействие ядерных и цитоплазматических генов в детерминации морфогенетических признаков у  животных

 

В начале XX в. Бовери предложил, что рак обусловлен нарушениями  в ядре клетки. Вскоре Де Фриз обосновал мутационную теорию рака, в которой подчеркивалась роль генных и хромосомных соматических мутаций в этиологии рака. В середине XX в. российский вирусолог Л. А. Зильбер сформулировал вирусо-генетическую теорию, согласно которой генетический материал онкогенных вирусов встраивается в хромосому клетки. [28], [31].

В 1980-1990-е гг. мутационная  и вирусо-генетическая теории развития опухолей были объединены [15], [32]. Согласно синтетической генетической теории причиной рака являются самые разнообразные повреждения в генах, отвечающих за деление и дифференцировку клеток. Выявлено три группы таких генов.

1 группа – онкогены. В состав генома входят гены, активирующие деление клеток  на ранних этапах эмбриогенеза  – протоонкогены. У сформировавшегося  организма эти гены находятся в функционально неактивном состоянии либо очень слабоактивны. Однако под воздействием внешних факторов (канцерогенов) или спонтанной перестройки структуры регулирующих участков ДНК (например, за счет инсерционного мутагенеза – вставки мобильных генетических элементов) экспрессия этих генов резко усиливается, и протоонкогены превращаются в онкогены.

2 группа – гены-супрессоры  клеточных делений. В норме  эти гены нормально функционируют,  и их продукты ограничивают  число клеточных делений. Однако под влиянием перечисленных факторов гены-супрессоры выключаются, и клетки начинают неограниченно делиться. 

3 группа – гены, контролирующие  упорядоченность структуры ДНК,  например, гены репарации ДНК.  Нарушения их функциональной  активности приводит к повреждениям регуляторных последовательностей [11], [34].

У мышей имеется линия  с наследственной предрасположенностью к развитию рака молочной железы, которая  передается по материнской линии  и только при выкармливании потомства. Если к матерям-кормилицам из раковых линий подсадить мышат из нераковой линии, то такие мышата также становятся предрасположенными к раку молочной железы. Если мышат из раковой линии с момента рождения вскармливают нормальные кормилицы, то мышата остаются здоровыми. Таким образом, опухоли в данном случае вызываются инфекцией через молоко матери. Этот инфекционный агент был назван фактором молока. Установлено, что он имеет вирусную природу [18].

 

ГЛАВА 6

Наследование через эндосимбионтов как взаимодействие ядерных и цитоплазматических генов в детерминации морфогенетических признаков у  животных

 

У инфузорий Paramecium aurelia известны линии, которые содержат в цитоплазме и выделяют в среду специфические частицы, называемые каппа-частицами. Сами носители каппа-частиц («убийцы») от них не страдают, но парамеции из других линий (чувствительные) под их действием погибают. Каппа-частицы представляют собой бактерии, являющиеся по отношению к парамеции эндосимбионтами. Они содержат своеобразную белковую ленту, на которой находятся фаги – симбионты бактерий. Таким образом, здесь имеет место своеобразный тройной симбиоз: инфузория – бактерия – фаг. При попадании каппа-частиц в пищеварительную вакуоль чувствительной инфузории белковая лента бактерии разворачивается. В результате жизнедеятельности фагов вырабатываются вещества, являющиеся причиной гибели инфузорий. Сохранение каппа-частиц в цитоплазме и выделение их инфузорией-«убийцей» контролируется доминантным геном К, его рецессивная аллель k не способствует их сохранению [3], [24].

У данного вида инфузорий существует бесполое размножение и две формы полового процесса: конъюгация и автогамия. При бесполом размножении инфузории-«убийцы» постоянно дают однотипный клон со свойствами «убийц». При скрещивании (конъюгации) двух клеток – «убийцы» с генотипом KK и чувствительной клетки с генотипом kk – образуются «убийцы»–гетерозиготы Kk. Вследствие автогамии вновь образуются гомозиготные клетки KK и kk, у которых способность к сохранению каппа-частиц определяется следующим образом.

Вариант 1. Кратковременная конъюгация [21].

Происходил обмен микронуклеусами, но цитоплазмой эксконъюганты не успевают обменяться, и каппа-частицы  не попадают в цитоплазму чувствительного  партнера и остаются только в исходной клетке. В результате автогамии у  гетерозигот Kk наблюдается  расщепление по генотипу в соотношении – 1 KK : 1kk. Половина клеток с генотипом KK (происходящая от клона KK) будет содержать каппа-частицы, и в дальнейшем эти клетки дадут начало клону «убийц». Другая половина клеток с генотипом KK (происходящая от клона kk) не будет содержать каппа-частицы и в дальнейшем эти клетки дадут начало клону, нечувствительному к каппа-частицам, но не «убийцам». Половина клеток с генотипом kk (происходящая от клона KK) будет содержать каппа-частицы, но в цитоплазме этих клеток каппа-частицы не размножаются и в ряду делений постепенно «разбавляются», впоследствии исчезая. Другая половина клеток с генотипом kk (происходящая от клона kk) исходно не содержит каппа-частицы. Таким образом, в данном случае наблюдается расщепление – 1 часть KK «убийцы» : 1 часть KK «не-убийцы» : 2 части kk чувствительные.

Вариант 2. Длительная конъюгация [20] [24].

Происходит обмен микронуклеусами  и цитоплазмой. Клетка из клона «убийц»  исходно содержит каппа-частицы, а  клетка из чувствительного клона получает цитоплазму с каппа-частицами от клетки клона «убийц». В результате автогамии у гетерозигот Kk наблюдается  расщепление по генотипу в соотношении – 1 часть KK («убийцы») : 1 часть kk (чувствительные). Каппа-частицы будут размножаться в цитоплазме инфузории с генотипом KK, в дальнейшем эти инфузории дадут клон «убийц». В цитоплазме чувствительной клетки (kk), каппа-частицы не размножаются и в ряду делений постепенно исчезают.

Итак, в цитоплазме иногда обнаруживаются эндосимбионты, которые могут быть передатчиками ряда свойств по материнской линии. Но эти симбионты по существу не являются неотъемлемыми элементами живой клетки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В ходе проделанной работы были установлено, что генетическая система эукариот состоит из двух подсистем: нуклеотипа и цитотипа.

Эти две системы, занимающие разные компартменты клетки, имеют различную весовую категорию. Бесспорно, главную роль играет ядро и по количеству генов и по их значимости для функционирования клетки и организма. Однако без митохондриальной и хлоропластной ДНК, которые принимают участие наряду с ядерными генами в кодировании белков и ферментов, обеспечивающих получение энергетической молекулы АТФ, биохимическая фабрика клетки функционировать не может. Белок-синтезируюшая система митохондрий и хлоропластов обладает определенной степенью автономности, поскольку в мтДНК и хлДНК имеются гены рРНК, тРНК и гены немногих рибосомных белков. В цитоплазматических органеллах имеются собственные рибосомы, однако большинство рибосомных белков и вес факторы трансляции кодируются ядерными генами. Белки, участвующие в биосинтезе АТФ находятся под двойным контролем — хромосомных и цитоплазматических генов. Мутации как ядерных, так и хлоропластных и митохондриальных генов, нарушающих функционирование цитоплазматических органелл, приводят к снижению энергетического обеспечения клеток и, как следствие, к проявлению мутантного фенотипа.