Розвиток як поступове розгортання генетичної програми

Розвиток організму супроводжується двома процесами: клітинною проліферацією (від лат. proles — нащадок, потомок і phero — несу) — розростання тканин унаслідок багаторазового поділу клітин та диференціацією (від лат. differentia — відмінність) — зміна неспеціалізованих клітин або тканин, в результаті якого вони набувають морфофункціональних відмінностей і починають виконувати специфічні функції.

Розвиток багатоклітинного організму розпочинається з утворення зиготи – клітини, яка виникає в процесі злиття статевих клітин (яйцеклітини та сперматозоона). Після запліднення ядро сперматозоона (пронуклеус) опиняється в цитоплазмі яйцеклітини, зливається з її ядром, відтворюючи таким чином характерний для даного виду диплоїдний набір хромосом. У більшості організмів відразу після запліднення зигота розпочинає серію мітотичних поділів (дроблення зиготи), у результаті яких утворюється велика кількість дрібних клітин – бластомерів. Розвиваючись, кожна група бластомерів утворює функціонально спеціалізовані клітини з притаманною лише їм морфологією та фізіологічними особливостями.

Властивість клітини реалізувати генетичну інформацію і давати початок усім типам тканин і цілому організму, називається тотипотентністю. Вона притаманна зиготі, а також бластомерам, які утворилися в перших чотирьох поділах зиготи. При подальших поділах тотипотентність клітин зменшується, вони втрачають здатність змінювати напрям свого розвитку під впливом оточення і стають детермінованими. Детермінована клітина, продовжуючи свій розвиток у певному напрямі набуває певних морфо-функціональних відмінностей. Така остаточно спеціалізована клітина називається диференційованою.

Детермінація та диференціація клітин пов’язані з поступовою зміною активності генів у процесі розвитку організму: певні групи генів починають активно експресуватися в одних клітинах і переходять у репресований стан у інших. Така диференціація експресії генів виникає вже на ранніх етапах розвитку зиготи внаслідок неоднорідності цитоплазми яйцеклітини, а саме нерівномірного розподілу цитоплазматичних детермінант (певні молекули мРНК та їхні білкові продукти, які синтезуються й накопичуються в яйцеклітині ще процесі овогенезу). Гени цих цитоплазматичних детермінант називають генами з материнським ефектом. Ядра бластомерів, які утворюються в результаті дроблення зиготи, опиняються в різному цитоплазматичному оточенні, що зумовлює вибіркову транскрипцію генів. Таким чином, бластомери, які знаходяться у відповідних частинах зародку, зумовлюють розвиток органів і тканин, притаманних для даної частини організму.

Генні продукти, які починають синтезуватися в окремих групах еластомерів (експресія власного генотипу), спричиняють ще значніші відмінності в цитоплазматичному оточенні ядер клітин, що у свою чергу призводить до активації інших специфічних генів. В основі диференціальної активації генів лежить каскадний принцип, відповідно до якого речовини, які синтезуються на попередній стадії диференціації, дерепресують (активують) гени наступної стадії.

Процес послідовної активації генів можна спостерігати на гігантських хромосомах личинок двокрилих. Під час ме­таморфозу на різних ділянках хромосом утворюються пуфи — характерні потовщення в місцях інтенсивного синтезу іРНК, які виникають внаслідок деспіралізації відповідних ділянок ДНК. Час і місце утворення пуфів залежать від стадії розвитку і тому за ними можна визначити, на якій стадії онтогенезу знаходиться личинка.

Реалізація ознаки на молекулярному рівні проходить ряд етапів: транскрипція —» процесінг і транспорт РНК —» трансляція —» посттрансляційна модифікація. На кожному з цих рівнів здійснюється комплекс прямих або опосередкованих впливів з боку інших генів (генів-модифікаторів і цитоплазматичних білкових факторів).

Таким чином, формування різних клітин і органів відбувається на основі послідовного утворення різних білків, зумовленого послідовним включенням у дію певних ділянок ДНК (генів).

У процесі розвитку при постійній структурі ДНК відбувається послідовна транскрипція різних генів, завдяки чому змінюється склад іРНК та білків, тобто біохімічна диференціація клітин є причиною морфологічної диференціації.

Отже, в кожному типові спеціалізованих клітин вибірково реалізується лише частина генетичної інформації і синтезуються специфічні білки, які і визначають морфо-функціональні особливості клітин. При нормальному розвитку гени стають активними один за одним у певній послідовності, і процес онтогенезу становить собою поступове розгортання генетичної програми.