XII. ГЕНЕТИЧНИ ОСНОВИ НА ИНДИВИДУАЛНОТО РАЗВИТИЕ

Разделът от генетиката, който изучава индивидуалното развитие от оплождането на яйцеклетката до неговия физически край се нарича онтогенетика.Основната и задача е разкриване на механизмите на генетичен контрол на клетъчната диференциация.

Процесът на развитие на организмите протича на основата на клетъчната диференциация. В резултат на това възникват голям брой различаващи се по структура и функция специализирани клетки формиращи отделните тъкани и органи.

Генетична регулация на клетъчната диференциация

Оплодената яйцеклетка (зиготата) е изходна форма на всички специализирани клетки в организма. Тя съдържа пълния набор генетична информация и в процеса на диференциацията различните видове клетки придобиват нови свойства като същевременно губят голяма част от възможностите на изходната зигота. Зиготата е тотипотентна, защото от нея произхождат всички типове клетки в организма.
Основният въпрос е как от оплодената яйцеклетка с един единствен генотип при зрелия организъм възникват множество клетъчни фенотипове. Две са основните теории за генетичните механизми на клетъчната диференциация:

1. неравномерното разпределение на наследствените структури при последователните клетъчни деления стоят в основата на появата на структурно и функционално различни клетки. В резултат на това в ядрата на едни клетки се губят части от наследствените структури, а в други клетки други наследствени структури от генома на изходната зигота.
2. диференциацията е резултат от изменения в цитоплазмата, които предизвикват различния в функцията на ядрените гени. В потвърждение на тази теория е равномерното разпределение на хромозомите в дъщерните клетки при митозата. Хромозомният набор на всички соматични клетки на даден организъм е идентичен с този на изходната зигота. Опитно е доказано вече, че ядрото на всяка диференцирана соматична клетка съдържа всички необходими гени за развитието на нов организъм, както оплодената яйцеклетка.Изводът е, че при клетъчната диференциация не се губи генетична информация.

В специализираните клетки се съдържа целия набор генетична информация както при зиготата, но голяма част от гените се намират в неактивно състояние. Тези гени не се подлагат на транскрипция.
Процесът на диференциацията на клетките и появата на различни специализирани клетки се определя от активността на гените в тях. Във всяка диференцирана клетка са активни само малка част от съдържащите се в нея гени (до 10%). Всички останали гени са инхибирани. Специализираните клетки се различават по характерни биохимични процеси, катализирани от определени процеси. Силно варира и съдържанието на белтъчини в различните типове клетки и през различните етапи на диференциация. Наличието на дадена белтъчини в специализираната клетка е показател на експресията на съответния ген в нея.

Пример: генът, контролиращ биосинтезата на инсулина, функционира само в ендокринните клетки на панкреаса и е инхибиран в другите специализирани клетки.

Генетична детерминация на диференцираните клетки

Включването на определени гени, в резултат на което една клетка се превръща в специализирана клетка се нарича детерминация. Активирането на гените осигуряващи специализацията на клетките потискат трайно експресията на всички останали гени, които биха насочили диференциацията към друг тип специализирана клетка.

Компетентна клетка - клетка, която под въздействието на определени условия на средата може да се превърне в друг тип специализирана клетка.

Детерминирана (комитирана) клетка – клетка, която по никакъв начин не може да се превърне в друг тип специализирана клетка независимо какво е въздействието на средата. Детерминираната клетка може да се диференцира само в конкретна специализирана клетка.

Клетките по време на ембрионалното развитие на компетентни и могат да реагират на въздействието на околната среда. В процеса на диференциацията на клетката се повишава степента на нейната детерминация. Следователно детерминацията протича по етапи.

Две категории гени регулират процесите на детерминация: Гени, които функционират във всички клетки и регулират метаболитните процеси и гени, които регулират биосинтезата на специфични белтъчини, които осигуряват диференциацията на клетките. Включването на втората група гени в дадена компетентна клетка я превръщат в детерминирана. Решаващо значение за активирането на едни и репресирането на други гени в дъщерните клетки има цитоплазмата. През ранните стадии на развитие на зародиша при митозата разпределението на хромозомите в дъщерните клетки е напълно еднакво, но в цитоплазмата на се разпределя равномерно нито по количество, нито по качество. Именно за това детерминираността на различните клетъчни линии се свързва с постоянството на цитоплазмата в продължение на редици последователни поколения клетки. Възникналите след делението различия между дъщерните клетки се обясняват с влиянието на цитоплазмата. Върху експресията на гените в дадена клетка влияят някой хормони, инхибитори или други вещества. Те могат да доведат до промени в диференциацията на дадена клетка.

Генетична хомеостаза

Хомеостазата е свойството на организма да регулира вътрешната си среда и да я поддържа в стабилно и постоянно състояние, независимо от влиянието на постоянно изменящите се условия на средата. Тя е компонент на фенотипа и е резултат от взаимодействието на гените в процеса на индивидуалното развитие на организма при съответни условия на средата. Генотипът е този, който осигурява съхраняването на хомеостазата и формирането на видово-специфичните особености на организмите. Реакцията на отделните организми през периода на индивидуалното им развитие към измененията в условията на средата в рамките на нормата на реакцията се детерминира от генотипа.

Регулация на хомеостазата на генотипа

1. Тъй като генотипа осигурява стабилността на хомеостазата при организмите е необходимо да има и стабилност на функцията на самия генотип. Стабилността на генотипа се осигурява от – матричния принцип, който е в основата на репликацията на ДНК и на механизмите на нейната репарация. По този начин наследствената информация се предава от поколение на поколение без изменения.
2. Матричния принцип на регулация на биосинтезата на белтъчините в клетката чрез транскрипцията и транслацията е главния механизъм на хомеостазата на генотипа и осигурява неговата стабилност.
3. Диплоидното състояние на наследствените структури в соматичните клетки. То поддържа стабилността на функцията на генотипа, защото диплоидните организми са по-жизнеспособни отколкото хаплоидните. Наличието на два локуса във всяка една хомоложна хромозома осигурява стабилност на генетичната хомеостаза.
4. Доминантното и рецесивното състояние на алелите на един и същи ген. Алелите детерминиращи дивия тип признаци доминират по отношение на алелите по-младите мутантни признаци.
5. Специализацията на гените в генома на структурни и регулаторни
6. Нуклеопротеидната организация на генетичния материал при висшите организми във вид на хромозоми осигурява висока структурно-функционална стабилност на генотипа.

Генетична регулация на хомеостазата на организма

Хомеостазата на целия организъм през периода на индивидуалното развитие е в пряка връзка с хомеостазата на генотипа. Механизмите на регулацията на хомеостазата на генотипа са в основата на хомеостазата на организма като цяло. Генетичната регулация на хомеостазата на организма се проявява в две форми:

1. Елементарни прояви. Те се анализират чрез методите на биохимията и молекулярната биология и водят до откриването и анализирането на генетичните механизми, контролиращи всеки фактор на хомеостазата. Пример: съсирването на кръвта при животните и човека. Установено е, че промените в структурата на гените са причина за нарушения в хомеостазата на организма свързани с отклонения на съсирването на кръвта.

   Мутациите на гените, които кодират отделните етапи на изграждането на имунитета са причина за възникването на имунодефицитни състояния. Генните мутации предизвикващи наследствени заболявания на ендокринните жлези водят до силни отклонение в индивидуалното развитие поради нарушения на хомеостазата.

2. Системни прояви на хомеостазата - детерминират се от голям брой гени и много силно се повлияват от условията на околната среда. Такива са телесната температура, кръвното налягане, наследствената устойчивост към заболявания, наследствено предразположение към заболявания. Всички те зависят от генотипа и от условията на средата. При висока наследствена устойчивост и слабо влияние на средата хомеостазата на организма се запазва и животните не боледуват.
   Заключение: Системните прояви на хомеостазата се регулират от баланса на гените при организма. Това е основния генетичен механизъм при поддържането на хомеостазата на гените.

Генетична хомеостаза на популацията

Това е свойството на популацията да поддържа генетично равновесие при такова съотношение на гените, което е най-благоприятно за адаптирането на индивидите към условията на околната среда. Хетерозиготността е основния механизъм за поддържането на генетичната хомеостаза. Хетерозиготните организми са по-жизнеспособни от хомозиготите и имат по-добри адаптивни възможности и по-голям шанс да оцелеят и оставят потомство. Хетерозиготността осигурява балансиран полиморфизъм в популацията , който помага за нейната пластичност и приспособеност към условията на средата. Изкуственият отбор води до изменения на съотношението на гените и генотиповете в резултат на което се нарушава генетичната хомеостаза на популацията. В следствие на това се наблюдава понижаване на жизнеспособността на организмите и намаляване на адаптационната им способност.