по книге «Эволюция онтогенеза» (Озернюк, Исаева, 2016; KMK Scientific Press).
Это второй пост по данной монографии (первая публикация была о принципе модулярности, см. Пост 17). Как отмечено в первом посте, в книге собрана большая фактология по «молекулярной эпигенетике» и «ранним программам развития» («под эпигенетикой понимают совокупность регуляторных механизмов, которые не закодированы непосредственно в геноме» — с. 111 в книге, см. также отдельный пост 14 на эту тему). Ниже приводится подборка наиболее важных фактов и формулировок первичных обобщений.
[Примечание: (1) интерпретация фактов в плане понимания эволюции морфогенеза может быть иной, чем дается авторами, поскольку это зависит от того «образа мира», т.е. способа интеграции суммы предыдущих знаний, через которые человек смотрит на новую фактологию (см. Шишкин: «Теория эволюции и научное мышление»; Палеонтол. Журнал 2010, N6 – — т.е. об интерпретации речь здесь не идет. (2) подсветка в тексте моя].
(c. 105 — Сети генных взаимодействий). Путь от гена к признаку в огромной степени связан также с эпигенетической регуляцией генной экспрессии, и генные регуляторные сети иногда понимаются широко — как сеть взаимодействий продуктов генной активности: мРНК, некодирующих РНК и белков. У эукариотических организмов между транскрипцией и трансляцией функционирует несколько регуляторных этапов: на уровне нуклеосом, модификации белков хроматина, транспорта мРНК, процессинга и сплайсинга мРНК. На каждом из этих уровней возможна своя комбинаторика. Например, комбинаторика экзонов и интронов в ходе альтернативного сплайсинга мРНК позволяет получить с одной пре-мРНК множество вариантов белка (цит…..).
(c. 102) Значительная часть транскриптов многоклеточных животных претерпевает процессинг с образованием некодирующих РНК, в состав которых входят микроРНК; первичные транскрипты микроРНК обычно образуют более одного функционального продукта (цит….). Сотни микроРНК вовлечены в сложную регуляторную сеть, контролирующую развитие организма многоклеточных животных. (c.104) Малые регуляторные РНК играют существенную роль в регуляции экспрессии Hoх-генов.
(с.111) (Эпигенетические) механизмы участвуют в регуляции важнейших морфогенетических событий: формировании осей полярности зародыша, межклеточных и индукционных взаимодействиях, дифференцировке и трансдифференцировке, репрограммировании соматических клеток, апоптозе. Значительная часть эпигенетических механизмов контроля связана с подавлением (сайленсингом) экспрессии генов (универсальный механизм эпигенетического контроля, который предохраняет организм от чужеродных ДНК: транспозонов и вирусов).[с. 114 -62 ; основные инструменты молекулярно-эпигенетического контроля над экспрессией сайтов ДНК: метилирование ДНК, модификации гистонов, РНК-интерференция — «древний иммунитет молекул»; геномный импринтинг, прионизация белков)].
(с.210)(позиционная информация, морфогенетические поля, эпигенетический ландшафт). «Поведение нормальной клетки в организме управляется сигналами, исходящими от других клеток или неклеточного окружения». (с. 219) Цитоскелет яйца функционирует как интегральный морфогенетический детерминант, направляющий и поддерживающий анизотропию молекулярной информации, распределенной в ооплазме и детерминирующей осевую полярность яйца и будущего организма (цит.. ). (с.221) Создаваемая в ходе оогенеза пространственная организация ооплазмы преформирует у большинства билатеральных животных анимально-вегетативную, а иногда — и дорсо-вентральную ось организма. (с. 222) Ооплазма яйца и зиготы обладает долговременной необратимой эпигенетической памятью, подобной импринтингу (цит… ). Генная экспрессия в процессе оогенеза создает внутриклеточное, кортикальное морфогенетическое поле — внегеномную развертку информации, которая детерминирует пространственно-временной порядок событий раннего развития.
(с. 227) Контроль над экспрессией регуляторных генов в эмбриогенезе не ограничивается каким-либо одним механизмом, включая градиенты морфогенов, сигнальные пути, реорганизацию хроматина, работу удалённых и геноспецифичных промоторов. В процессе гаструляции создаются поля морфогенетических перемещений клеток. Пути миграции клеток при гаструляции (…) и последующих морфогенетических процессах визуализируют морфогенетические векторные поля. (с.228) Значительная часть исследований морфогенетических полей выполнена на примере морфогенеза конечностей насекомых и позвоночных (Wolpert, Hombmch, 1981, 1990; De Robertis, 2008; Рэфф, Кофмен, 1986; Гилберт, 2010; Jockush, Smith, 2015).
(с.229 — о высокой пластичности регуляторных генных сетей). Генные регуляторные системы состоят из больших наборов регуляторных генов; не только различные факторы транскрипции регулируют многие гены, но и каждый ген вовлечен во множество взаимодействий. Простая однозначная связь между генотипом и фенотипом обычно отсутствует. (…) Как правило, экспрессия одного гена или взаимодействия небольшой группы генных продуктов не объясняют морфологических различий. (229-230) Каузальное описание развития требует понимания всей сети генных взаимодействий, …. их влияния на клеточное поведение (пролиферацию, адгезию, апоптоз, секрецию и рецепцию сигнальных молекул и т.д.) и взаимодействия генных сетей с эпигенетической информацией … других частей эмбриона (цит. ..). Это сеть взаимодействий не только генов и генных продуктов, но всех механизмов развития, включая процессы контролируемой самоорганизации.
(с.230) Морфогенетические поля вовлекают не только экспрессию генома, но множество сигнальных связей и взаимодействий, оперирующих на клеточном и тканевом уровне. Такая сложность взаимовлияний генных регуляторных сетей и их продуктов, в сущности, сближает геноцентрический и морфоцентрический подходы. По словам Ю. Оленова, любой пример исследованного процесса убеждает в том, что «гены представляют собой не диктаторов, от которых зависит ход событий, а скорее чиновников, работающих соответственно установившимся традициям» (Оленов, 1967, с. 198).
(с.239) (программы развития). Яйцеклетка как одноклеточный канал связи между поколениями, помимо генома, несет «карту» и «часы» ранних стадий развития, и эта важная информация о будущем развитии организма, вынесена в кортикальный слой ооплазмы. (с.240) Оплодотворенное яйцо дает начало десяткам и сотням различных клеточных типов, которые самоорганизуются с формированием плана строения взрослого организма ( цит….). Начальные различия экспрессии генов зародыша возникают благодаря неравному распределению регуляторных элементов ооплазмы в раннем дроблении (цит. …).
(с.241) Функции мужской и женской гамет многоклеточных животных существенно различаются. (…) Проникновение спермия запускает каскад событий, модифицирующих организацию цитоплазмы яйцеклетки, прежде всего ее кортикального слоя (цит…..). Вхождение спермия в ооплазму инициирует активацию метаболизма яйца. (…) У большинства животных проникновение спермия ведет к завершению мейоза оплодотворяемого ооцита. (244) … спермий проникает в ооцит, не завершивший делений созревания, т.е. происходит переход от ооцита к зиготе (цит…) (с.242) У различных организмов показано перераспределение митохондрий и эндоплазматической сети; этим изменениям локализации органоидов способствует распространение волны ионов кальция, определяемое местом вхождения спермия (цит. …). (у амфибий реорганизацию ооплазмы направляет вносимая спермием центриоль). (с.243) Таким образом, ооплазма яйца и зиготы обладает долговременной необратимой эпигенетической памятью, подобной импринтингу.
(с.243) Превращение оплодотворенного ооцита в тотипотентную зиготу, а впоследствии в зародыш — одна из наиболее сложных клеточных трансформаций в онтогенезе. Эта трансформация происходит практически при отсутствии транскрипции и зависит от информационных РНК, накопленных ооцитом в ходе оогенеза. Преобразование ооплазмы вслед за контактом и слиянием гамет активирует белковый синтез на материнских информационных РНК, трансляция которых до этого была подавлена (цит…). Быстрое увеличение числа клеток после оплодотворения у большинства животных обеспечивается ускоренным прохождением синхронных митотических циклов, когда общее количество цитоплазмы остается постоянным при экспоненциальном возрастании числа ядер и количества ДНК. (с. 244) Переход от ооцита к зиготе вовлекает множество изменений, включая перестройку внутриклеточной организации, … (на начальных стадиях развития эмбриональный геном репрессируется). (…) во время материнско-зиготического перехода инициируется эмбриональная транскрипция и деградируют многие материнские РНК… (что регулируется многими механизмами). (…) Для эмбрионов млекопитающих характерна очень ранняя активация зиготической транскрипции.
(эмбриогенез) (с. 246) Раннее развитие Metazoa весьма вариабельно и среди представителей разных таксонов, и в пределах одного типа животных (Nielsen, 2012). (251) Тот или иной тип дробления определяется главным образом глобальной цитоархитектоникой яйца …. . Цитоархитектоника ооплазмы определяет локализацию и активность множества мРНК, факторов транскрипции, компонентов сигнальных систем и других морфогенетически активных молекул … и включает опорно-двигательную систему цитоскелета, от которой зависит паттерн делений дробления. (с. 252) Сведения о генах, детерминирующих паттерн дробления, практически отсутствуют. (с.255) На дробящихся зародышах иглокожих экспериментально показано, что формирование бластулы — не просто итог дробления, но активный процесс морфогенеза, который правомерно именовать бластуляцией.
(с.262) У позвоночных животных разнообразие гаструляции меньше по сравнению с беспозвоночными и зависит главным образом от количества и распределения желтка (на этой стадии только и начинают активироваться Hox-гены различных кластеров). (с. 263) Биение ресничек гензеновского узелка, временно возникающего на стадии гаструлы, играет у позвоночных животных ключевую роль в появлении асимметрии расположения внутренних органов. (..) .. период гаструляции характеризуется клеточной подвижностью, … перемещениями отдельных клеток и эпителиальных слоев с образованием второго и третьего зародышевых листков и включением подпрограмм региональной спецификации.
(*дальнейшее развитие; прямое и непрямое)
(с. 265) Найдено немало примеров эволюционного перехода от личиночного развития к прямому, даже в переделах одного рода (цит….). У животных с первичной личинкой происходит смена программы развития в ходе метаморфоза. (с. 269) У высших представителей различных ветвей животного мира (головоногих моллюсков, членистоногих и позвоночных) первичные личинки исчезли, развитие стало прямым либо появились вторичные личинки (цит…). [*Появление вторичной личинки, в том числе у хордовых, путем вставки в онтогенез трактуется авторами как свидетельство модулярности развития (Jenner, 2000, 2001)].
(с. 315) Развивающаяся клеточная система способна к морфогенезу разными путями, демонстрируя эквифинальность развития. Изменение начальных условий морфогенеза in vitro влечет за собой изменение самоорганизации системы эмбриональных клеток. (…) В индивидуальном развитии и эволюции животных важна роль подвижности клеток и всего организма. Клетка и в многоклеточном организме сохраняет черты индивидуальной структуры, способной к поисковой активности и коллективной самоорганизации. «Клетка — сложное существо, обладающее индивидуальным очень непростым поведением» (Самойлов, Васильев, 2009, с. 239). Морфогенез животных, начиная со стадии гаструляции, осуществляется путем активного взаимодействия и миграции отдельных клеток или эпителиальных пластов. В ходе развития осуществляется активное поисковое движение клеток, например, клеток нервного гребня позвоночных (цит….). В клеточных культурах наглядно выражено поисковое движение клеток (цит…), контактная ориентация клеток (цит…), контактное ингибирование движения клеток (цит…) Поисковое движение и взаимодействие клеток проявляются как координированное «социальное» поведение, ведущее к образованию клеточных ансамблей и генерации упорядоченных морфологических паттернов (цит…).
(с. 317) Половое размножение животных и растений относительно консервативно, тогда как при бесполом размножении ….. нет единообразия (цит…). (Формирование организма животных оказывается многовариантным — половой процесс, партеногенез, полиэмбриония, разнообразные типы почкования и деления особи). (с.320) В жизненном цикле животных и растений происходит последовательное переключение программ развития.
(*стволовые клетки) (с.277) При экспериментальном клонировании позвоночных животных развитие организма возможно только при пересадке ядра соматической клетки в ооплазму яйцеклетки, что обусловлено сложностью создаваемой в ходе оогенеза поляризованной архитектоники с гетерогенным распределением информационных РНК, других макромолекул …. и органоидов. (с. 278) Клетки женской половой линии традиционно, начиная с книг А. Вейсмана (Weismann, 1883,1892), принято рассматривать как единственные клетки, способные формировать новый организм животного; непрерывная линия таких половых клеток переходит от поколения к поколению, оказываясь бессмертной, в отличие от соматических клеток организма. (с. 279) (при непрямом развитии) органы и системы взрослого организма возникают не из дифференцированных клеток личиночных органов, а из плюрипотентных клеток, … «откладываемых про запас» в ходе жизни личинки (цит. …). (основная часть личинки отбрасывается и погибает ). (с. 280) Таким образом, стволовые клетки Metazoa представляют собой клеточный резерв, запасенный для будущего развития или восстановительных процессов. (293) Регулятивное развитие, типичное для хордовых и большинства Deuterostomia, коррелирует с «избыточностью» клеточного материала …… и относительно высоким уровнем апоптоза (цит…). (…) У позвоночных важный онтогенетический …. резерв морфогенеза составляют плюрипотентные стволовые клетки нервного гребня, а также стволовые клетки эктодермальных плакод. (с.296) Фундаментальным отличием растений от животных была признана их способность (растений) к поддержанию тоти/плюрипотентных стволовых клеток в течение всей жизни (цит…).
О влияние метафоричности языка на осмысленность построений.
(с.211) Р. Шелдрейк (Sheldrake, 1981) счел употребление терминов «генетическая информация» и «позиционная информация» иллюзорным использованием жаргона теории информации, а сами эти термины — не несущими никакого конкретного смысла, однако их притягательность и распространенность можно объяснить именно абстрактностью и обобщенностью.
Эволюция как эпигенетический процесс 