Джелдубаева Э.Р. Биология индивидуального развития. Курс лекций
Подождите немного. Документ загружается.
171
интеллектуальных возможностей ребенка приходится на воспитательный
процесс и на людей, его осуществляющих: родителей и воспитателей
Главный фактор, детерминирующий любой фенотипический признак, -
это генотип. Генотип организма определяется в момент оплодотворения, но
степень последующей экспрессии этого генетического потенциала в
значительной мере зависит от внешних факторов, воздействующих на
организм во время его развития. Так, например, использованный Менделем
сорт гороха с длинным стеблем обычно достигал высоты 180 см. Однако для
этого ему необходимы были соответствующие условия - освещение,
снабжение водой и хорошая почва. При отсутствии оптимальных условий
(при наличии лимитирующих факторов) ген высокого стебля не мог в
полной мере проявить свое действие. Эффект взаимодействия генотипа и
факторов среды продемонстрировал датский генетик Иогансен. В ряде эк-
спериментов на карликовой фасоли он выбирал из каждого поколения
самоопылявшихся растений самые тяжелые и самые легкие семена и
высаживал их для получения следующего поколения. Повторяя эти
эксперименты на протяжении нескольких лет, он обнаружил, что в пределах
«тяжелой» или «легкой» селекционной линии семена мало различались по
среднему весу, тогда как средний вес семян из разных линий сильно
различался. Это позволяет считать, что на фенотипическое проявление при-
знака оказывают влияние как наследственность, так и среда. На основании
этих результатов можно определить непрерывную фенотипическую изменчи-
вость как «кумулятивный эффект варьирующих факторов среды,
воздействующих на вариабельный генотип». Кроме того, эти результаты
показывают, что степень наследуемости данного признака определяется в
первую очередь генотипом. Что касается развития таких чисто человеческих
качеств, как индивидуальность, темперамент и интеллект, то, судя по
имеющимся данным, они зависят как от наследственных, так и от средовых
факторов, которые, взаимодействуя в различной степени у разных ин-
дивидуумов, влияют на окончательное выражение признака. Именно эти
различия в тех и других факторах создают фенотипические различия между
индивидуумами.
10.2. СВЯЗЬ ЭМБРИОНА С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ И МАТЕРИНСКИМ
ОРГАНИЗМОМ: ЭМАНСИПАЦИЯ ЯИЦ, ЖИВОРОЖДЕНИЕ
В ходе эволюции происходила эмансипация организмов от внешней
среды, а также создавались механизмы, отгараживающие развивающие
организмы от внешне среды (оболочки яиц животных). Часть веществ
необходимых для развития, эмбрион получал из внешней среды, часть – от
родительского организма. Например, яица амфибий снабжены
органическими и минеральными веществами, но воду и кислорд они
воспринимают извне.
172
Новый этап «эмансипации яиц» от внешней среды наступил с
появлением наземных животных (рептилий). Пример эмансипации у рыб от
условий внешней среды является живорождение, которое возможно только
при внутреннем оплодотворении. Среди живородящих выделяют три типа
животных:
Яйцерождение (акуловые) – при внутреннем оплодотворении, яица имеют
первичную, белковую и третичную оболочки, рождаются наружу;
Яйцеживорождение – оплодотворенное яйцо покрыто нежной третичной
оболочкой, в яйцеводе или матке осуществляется развитие, дыхание за
счет матки, питание за счет желтка яица;
Собственное живорождение – оплодотворенное яйцо опускается в матку,
при этом дыхание и частично питание осуществляется за счет
материнского организма.
Эмбриональное развитие млекопитающих занимает своеобразное
место. Яйца их не имеют в достаточном количестве ни органические, ни
неорганических веществ, и находяться в полной зависимости от
материнского организма. Имеется плацента, заменяющая желток.
10.3. НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Наследственность – присущее всем организмам свойство повторять
вряду поколений одинаковые признаки и особенности развития; обусловлено
передачей в процессе размножения от одного поколения к другому
материальных структур клетки, содержащих программы развития из них
новых особей. Тем самым наследственность обеспечивает преемственность
морфологической, физиологической и биохимической организации живых
существ, характера их индивидуального развития, или онтогенеза. Как
общебиологическое явление наследственность - важнейшее условие
существования дифференцированных форм жизни, признаков организмов,
хотя оно нарушается изменчивостью- возникновением различий между
организмами. Затрагивая самые разнообразные признаки на всех этапах
онтогенеза организмов, наследственность проявляется в закономерностях
наследования признаков, т. е. передачи их от родителей потомкам.
Иногда термин наследственность относят к передаче от одного
поколения другому инфекционных начал (т. н. инфекционная
наследственность) или навыков обучения, образования, традиций (т. н.
социальная, или сигнальная наследственность).
Попытки объяснения явлений наследственности, относящиеся к
глубокой древности (Гиппократ, Аристотель и др.), представляют лишь
исторический интерес.
Только вскрытие сущности полового размножения позволило уточнить
понятие наследственности и связать ее с определенными частями клетки. К
середине 19 в. благодаря многочисленным опытам по гибридизации растений
173
(Й. Г. Кельрейтер и др.) накапливаются данные о закономерностях
наследственности.
В 1865 году Г. Мендель в ясной математической форме сообщил
результаты своих экспериментов по гибридизации гороха. Эти сообщения
позднее получили название законов Менделя и легли в основу учения о
наследственности - менделизма. почти одновременно были сделаны попытки
умозрительно понять сущность наследственности. Ч. Дарвин (1868 г.)
предложил “временную гипотезу пангенезиса”, согласно которой от всех
клеток организма отделяются их зачатки-геммулы, которые, двигаясь с током
крови, оседают в половых клетках и образованиях, служащих для бесполого
размножения (почки и др.). При развитии организма геммулы превращаются
в клетки того же типа, из которых они образовались. Данное положение было
плодотворным и привело к современным представлениям о корпускулярной
наследственности.
Наиболее детализированную спекулятивную теорию
наследственности предложил А. Вейсман (1892). Он признавал наличие в
половых клетках носителя наследственности - зародышевой плазмы.
Видимые образования клеточного ядра-хромосомы - Вейсман считал
высшими единицами зародышевой плазмы-идантами. Иданты состоят из ид,
располагающихся в хромосоме в виде зерен в линейном порядке. Иды
состоят из детерминат, определяющих при развитии особи сорт клеток, и
биофор, обусловливающих отдельные свойства клеток. Ида заключает в себе
все детерминаты, нужные для построения тела особи данного вида.
Зародышевая плазма содержится лишь в половых клетках; соматические, или
клетки тела, лишены ее. Чтобы объяснить это коренное различие, Вейсман
предполагал, что в процессе дробления оплодотворенного яйца основной
запас зародышевой плазмы (а значит, и детерминат) попадает в одну из
первых клеток дробления, которая становится родоначальной клеткой так
называемого зародышевого пути. В остальные клетки зародыша в процессе
“неравнонаследственных делений” попадает лишь часть детерминат;
наконец, в клетках останутся детерминаты одного сорта, определяющие
характер и свойства именно этих клеток. Существенное свойство
зародышевой плазмы - ее большое постоянство. Теория Вейсмана оказалась
ошибочной во многих деталях. Однако его идея о роли хромосом и о
линейном расположении в них элементарных единиц наследственности
оказалась верной и предвосхитила хромосомную теорию наследственности.
Логический вывод из теории Вейсмана-отрицание наследования
приобретенных признаков. Во всех умозрительных теориях
наследственности можно обнаружить отдельные элементы, нашедшие в
дальнейшем подтверждение и более полное развитие в сложившейся в начале
20 в. генетике. Важнейшие из них:
а) выделение в организме отдельных признаков или свойств,
наследование которых может быть проанализировано соответствующими
методами;
174
б) детерминация этих свойств особыми дискретными единицами
наследственности, локализованными в структурах клетки (ядра) (Дарвин
называл их геммулами, Де Фриз-пангенами, Вейсман-детерминантами). В
современной генетике общепринятым стал предложенный В. Иогансеном
(1909) термин ген. Ген – элементарная единица наследственности,
представляющая отрезок молекулы ДНК (у некоторых вирусов – РНК).
Каждый ген определяет строение одного из белков живой клетки и тем
самым участвует в формировании признака или свойств организма.
Один из создателей биометрии - Ф. Гальтон применил разработанные им
методы учета корреляции и регрессии для установления связи между
родителями и потомками. Он сформулировал следующие законы
наследственности (1889):
регрессии, или возврата к предкам
анцестральной наследственности, то естьдоли наследственности
предков в наследственности потомков.
Законы носят статистический характер, они применимы лишь к
совокупностям организмов и не раскрывают сущности и причин
наследственности, что могло быть достигнуто только с помощью
экспериментального изучения наследственности разными методами и прежде
всего гибридологическим анализом, основы которого были заложены еще
Менделем. Так были установлены закономерности наследования
качественных признаков: моногибридное- различие между скрещиваемыми
формами зависит лишь от одной пары генов, дигибридное- от двух ,
полигибридное- от многих. При анализе наследования количественных
признаков отсутствовала четкая картина расщепления, что давало повод
выделять особую, так называемую слитную наследственность и объяснять ее
смещением наследственных плазм скрещиваемых форм.
Развитие цитологии привело к постановке вопроса о материальных
основах наследственности. Впервые мысль о роли ядра как носителя
наследственности была сформулирована О. Гертвигом (1884) и Э.
Страсбургером(1884) на основании изучения процесса оплодотворения. Т.
Бовери (1887) установил индивидуальность хромосом и развил гипотезу о их
качественном различии. Он же, а также Э. ван Бенедет (1883) установили
уменьшение количества хромосом вдвое при образовании половых клеток в
мейозе. Американский ученый У. Сеттон (1902) дал цитологическое
объяснение закону Менделя о независимом наследовании признаков. Однако
подлинное обоснование хромосомной теории наследственности было дано в
работах Т. Моргана и его школы (начиная с 1911), в которых было показано
точное соответствие между генетическими и цитологическими данными. В
опытах на дрозофиле было установлено нарушение независимого
распределения признаков-их сцепленное наследование. Это явление было
объяснено сцеплением генов, то есть нахождением генов, определяющих эти
признаки, в одной определенной паре хромосом. Изучение частоты
175
рекомбинаций между сцеплеными генами (в результате кроссинговера)
позволило составить карты расположения генов в хромосомах.
Генетические карты хромосом - схемы относительного расположения
сцепленных между собой наследственных факторов — генов. Генетические
карты хромосом отображают реально существующий линейный порядок
размещения генов в хромосомах и важны как в теоретических исследованиях,
так и при проведении селекционной работы, т. к. позволяют сознательно
подбирать пары признаков при скрещиваниях, а также предсказывать
особенности наследования и проявления различных признаков у изучаемых
организмов.
Американский генетик Т. X. Морган показал, однако, что сцепление
генов, расположенных в одной хромосоме, у диплоидных организмов не
абсолютное; в некоторых случаях перед образованием половых клеток между
однотипными, или гомологичными, хромосомами происходит обмен
соответствующими участками; этот процесс носит назв. перекреста, или
кроссинговера.
Итак, выделим основные положения хромосомной теории
наследственности:
1. Гены располагаются в хромосомах, различные хромосомы содержат
неодинаковое чис ло генов, набор генов каждой из негомологичных
хромосом уникален.
2. Гены в хромосоме расположены линейно, каждый ген занимает в
хромосоме определенный локус (место).
3. Гены , расположенные в одной хромосоме, образуют группу
сцепления и вместе (сцеплено) передаются потомкам, число групп сцепления
равно гаплоидному набору хромосом.
4. Сцепление не абсолютно, так как в профазе мейоза может
происходить кроссинговер и гены, находящиеся в одной хромосоме,
разобщаются.
Сила сцепления зависит от расстояния между генами в хромосоме: чем
больше
Нехромосомная теория наследственности. Единицы
цитоплазматической (нехромосомной) наследственности отличаются от
хромосомных тем, что они не расходятся при мейозе. Поэтому потомство при
нехромосомной наследственности воспроизводит признаки только одного из
родителей (чаще матери ). Таким образом , различают ядерную
наследственность, связанную с передачей наследственных признаков,
находящихся в хромосомах ядра (иногда ее называют хромосомной
наследственностью ), и внеядерную наследственность, зависящую от
передачи самовоспроизводящихся структур цитоплазмы. Ядерная
наследственность реализуется и при вегетативном размножении , но не
сопровождается перераспределением генов, что наблюдается при половом
176
размножении, а обеспечивает константную передачу признаков из поколения
в поколение, нарушаемую только соматическими мутациями.
Под контролем наследственности находится и онтогенез, начинающийся
с оплодотворения яйца и осуществляющийся в конкретных условиях среды.
Отсюда различие между совокупностью генов, получаемых организмом от
родителей, —генотипом и комплексом признаков организма на всех стадиях
его развития — фенотипом. Роль генотипа и среды в формировании
фенотипа может быть различна.
10.4. КЛОНИРОВАНИЕ
Клон — совокупность клеток или организмов, генетически идентичных
одной родоначальной клетке.
Клонирование — метод создания клонов путем переноса генетического
материала из одной (донорской) клетки в энуклиированную ♀. По всей
видимости, следует различать перенос ядра эмбриональной клетки и перенос
ядра соматической клетки взрослого организма.
Энуклеация — методы, включающие полное удаление ядерного
материала из ♀.
Шестьдесят лет назад немецкий эмбриолог, лауреат Нобелевской премии
Ганс Шпеман впервые поставил вопрос о целостности и идентичности
генома в течение всей жизни организма. Он же предложил эксперимент по
переносу ядра какой-нибудь дифференцированной клетки в ♀ с
предварительно разрушенным собственным ядром.
Совместно с Дришем он впервые показал, что ядра ранних эмбрионов
морских ежей и тритонов тотипотентны, т.е. способны обеспечивать
развитие любых типов клеток.
Пересадка ядер у млекопитающих впервые была предпринята на мышах
в 1983 г. Более 90% реконструированных зигот мыши, получивших
пронуклеусы от других зигот, успешно достигали стадии бластоцисты.
Однако когда переносили ядра из 4-, 8-клеточных эмбрионов или ядра
внутренней клеточной массы в энуклиированные ♀, ни одна зигота не
достигала стадии бластоцисты.
Опыты по клонированию других видов млекопитающих методом
переноса ядер эмбриональных клеток имели определенный успех, и были
получены клоны овцы, коровы, кролика, свиньи, козы. Причем первые
клонированные овцы родились после переноса ядер 8—16-клеточных
эмбрионов. Потомство у коров и овец было получено также после переноса
ядер тотипотентных клеток короткоживущей клеточной культуры,
полученной из ранних преимплантационных эмбрионов.
В 1997 г. Рослинский институт совместно с биотехнологической
компанией PPL Therapeutics объявили о клонировании 5 овец с помощью
переноса ядер клеток фибробластов плода, в которые предварительно были
введены искусственно созданные генетические конструкции. Две
177
полученные таким образом трансгенные овцы несли ген фактора
свертываемости крови IX человека. Предполагается, что данный
высокоценный белок будет экспрессироваться с молоком овец. Таким
образом, интеграция чужеродной ДНК в геном фибробластов не нарушила
«генетическую инструкцию», которая контролирует эмбриональное развитие
овец.
Оригонский региональный исследовательский центр по изучению
приматов сообщил о клонировании двух обезьян при использовании ядер
клеток эмбриона на стадии дифференцировки.
Американская биотехнологическая компания ABS Global Inc. сообщила
о рождении в феврале 1997 г. бычка, полученного с помощью технологии
клонирования и с использованием ядер первичных стволовых клеток 30-
дневного эмбриона.
Все приведенные выше работы были выполнены с помощью переноса
ядер эмбриональных недифференцированных или частично
дифференцированных клеток плодов и эмбрионов и считалось, что получить
клон с использованием ядра полностью дифференцированной клетки
взрослого организма невозможно.
Наибольший резонанс общественности, в том числе и научной, вызвала
работа Уилмута с коллегами, появившаяся в февральском номере Nature за
1997 г. Это единственная на сегодняшний день опубликованная научная
статья, посвященная получению живого потомства после переноса ядра,
взятого из соматической клетки взрослого животного.
Вкратце результаты этой работы таковы. Были получены три новые
клеточные популяции из клеток 9-дневных преимплантационых эмбрионов,
26-дневных плодов и клеток молочной железы 6-летней овцы. Ядра из
данных клеток переносили в предварительно энуклиированные
неоплодотворенные ооциты овцы. С помощью электропорации
стимулировали слияние кариопласта с цитоплазмой и активацию ооцита.
Реконструированные таким образом ооциты культивировали in vivo до
стадии морула/бластоциста и переносили суррогатным овцам —
реципиентам. Из 834 удачно реконструированных ооцитов было получено 8
живых ягнят, причем из 277 ооцитов, в которые переносили ядра клеток
взрослого животного, получена только одна — знаменитая Долли.
Своей работой Уилмут с коллегами продемонстрировали, что ядра
клеток молочной железы взрослой овцы могут быть при определенных
условиях репрограммированы цитоплазмой ооцита и дать развитие новому
организму. Полученные данные заставили по-новому посмотреть на процесс
клеточной дифференциации. Этот процесс, как оказалось, не носит
необратимый характер. Совершенно ясно, что цитоплазматические факторы
способны инициировать развитие нового организма на основе генетического
материала ядра взрослой полностью дифференцированной клетки. Таким
образом, биологические часы могут быть повернуты вспять, и развитие
организма может начаться из генетического материала взрослой
178
дифференцированной клетки, что полностью противоречит ранее
общепринятой биологической догме.
Возможные области применения технологии клонирования. Техника
клонирования в первую очередь сулит большие перспективы для
животноводства. В принципе от любого животного, обладающего ценными
продуктивными качествами, можно получить многочисленные генетически
идентичные копии, обладающие теми же признаками.
Важной областью применения клонирования будет создание и
размножение клонов трансгенных сельскохозяйственных животных (овец,
коров, свиней).
Получение трансгенных животных с помощью клонирования имеет ряд
преимуществ перед пронуклеарной микроинъекцией — рутинного метода,
применяемого в настоящее время. Во-первых, это возможность получать
несколько генетически идентичных животных из одной и той же клеточной
линии и определенного пола. Во-вторых, в 1,5—2,5 раза сокращается время,
необходимое для создания стада трансгенных животных с определенными
заданными качествами.
Однако, по мнению ряда ученых, клонирование, по всей видимости,
никогда не будет широко применяться в животноводстве по экономическим
соображениям. Кроме того, селекция всегда основывалась на генетическом
разнообразии видов, клонирование же фиксирует и сужает это разнообразие.
Еще одна из возможных областей применения данной технологии —
клонирование редких и исчезающих видов диких животных. Например, такие
виды животных, как лошадь Пржевальского, суматринский носорог или
другие редкие виды животных, ткани которых хранятся в криобанке центра,
могут быть копированы с помощью данной технологии. Клонирование также
может служить полезным инструментом для воспроизводства тех видов
животных, которые никогда не размножаются в неволе, например,
гигантского броненосца.
Еще одна область возможного применения технологии клонирования —
создание трансгенных животных — доноров органов для
ксенотрансплантации, у которых инактивированы антигены, ответственные
за иммуноотторжение. Уже проводятся исследования в этой области на
свиньях, которые рассматриваются в качестве возможных кандидатов для
трансплантации их органов у человека.
С помощью технологии клонирования могут быть разработаны новые
подходы к диагностике и лечению серьезных наследственных заболеваний
человека. Применение технологии клонирования в научно-
исследовательских работах может ускорить понимание таких проблем, как
рак, формирование организма и др. Появление Долли заставило по-новому
взглянуть и на проблему старения, ведь ей самой только 20 мес, а ее ДНК,
взятой из донорской клетки, более 8 лет.
Клонирование человека. При гормональной стимуляции женщин в
среднем получают 10 зрелых ооцитов. Если эффективность клонирования
человека будет схожей с экспериментом Уилмута, то для получения одного
179
клонированного ребенка необходимо будет провести почти 100 циклов
гормональной стимуляции и 30 переносов эмбрионов. Такое огромное
количество ооцитов, необходимое для получения одного клона, делает
клонирование на данном этапе трудно выполнимым. Однако можно
предположить, что улучшение со временем этой технологии значительно
повысит эффективность клонирования. К тому же в мире существует
большое число клиник, занимающихся лечением бесплодия и практикующих
различные виды микроманипуляций — ИКСИ, биопсию полярного тельца и
бластомера, удаление цитоплазматических фрагментов и др. Обладая этими
навыками, эмбриолог может довольно быстро освоить технологию переноса
ядер. Таким образом, с технической точки зрения клонирование человека
выглядит вполне выполнимым проектом.
Один из самых дискутируемых вопросов, связанных с перспективой
клонирования человека: Насколько клоны будут похожи на своего родителя?
Клоны никогда не будут полностью идентичны своим прародителям. Даже
Долли является не точной копией овцы, клетки которой использовали для
клонирования, так как она росла и развивалась совсем в другом окружении, в
матке другой суррогатной овцы. Долли не унаследовала «свои» гены
митохондриального ДНК, она несет митохондриальный геном ооцита
реципиента.
Клонированного ребенка, вероятно, можно будет назвать «запоздалым»
генетическим близнецом своего родителя.
В США, где в настоящее время нет закона, запрещающего
клонирование, президент Клинтон запретил любое федеральное
финансирование исследовательских программ по клонированию человека и
обратился к Национальной совещательной комиссии по биоэтике с просьбой
дать рекомендации по данному вопросу. Комиссия заключила, что должен
пройти определенный период (3—5 лет), в течение которого не должны
предприниматься попытки создания детей с использованием метода
клонирования — переноса ядер соматических клеток. Комиссия также
рекомендовала 1) продолжить существующий мораторий на использование
федерального финансирования любых попыток создания детей с помощью
клонирования; 2) обратиться ко всем фирмам, клиницистам, исследователям
и профессиональным обществам, работающим в частных и нефедерально
финансируемых секторах, с призывом присоединиться к федеральному
мораторию. Она заявила, что профессиональным и научным обществам
следует понять, что любые попытки создания ребенка с помощью переноса
ядер соматических клеток и имплантации в материнский организм
возникающего после этого эмбриона в настоящее время будет
безответственным, неэтичным и непрофессиональным актом.
В настоящее время морально неприемлемы как в федеральных, так и в
частных клиниках и исследовательских центрах любые попытки создания
детей методом клонирования. Имеющаяся научная информация указывает на
то, что данный метод нельзя считать абсолютно безопасным для человека.
180
По ряду причин этических, нравственных, религиозных клонирование
человека недопустимо в настоящее время. Но самая главная причина
заключается в том, что данный метод нельзя считать абсолютно безопасным
в настоящий момент. Так, не совсем ясно, как скажутся на клонах влияние
генетического импринтинга, старение организма и клетки, а также
возможные мутации в ядрах клеток-доноров.