Файл: Учреждение образования полесский государственный университет в. Т. Чещевик молекулярные основы.pdf

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 1
УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
ПОЛЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
В.Т. ЧЕЩЕВИК
Молекулярные основы
онтогенеза
специальность
1-31 01 01 Биология (по направлениям)
Пояснительная записка
Конспект лекций
Литература
Вопросы к экзамену
Учебная программа дисциплины
Пинск
ПолесГУ
2019

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 2
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Учебно-методический комплекс ”Молекулярные основы онтогенеза“ представляет собой целостную совокупность разновидностей учебных материалов, необходимых для проведения всех видов занятий по данной дисциплине, являющейся базовой дисциплиной специального цикла образовательной программы для подготовки студентов I ступени высшего образования по специальности 1-31 01 01 Биология (по направлениям).
Цель дисциплины – формирование у студентов знаний о молекулярно- клеточных механизмах формирования из оплодотворенной яйцеклетки многоклеточного организма, состоящего из разнообразных типов специализированных клеток, механизмах регуляции пролиферации клеток, их дифференцировки и морфогенеза – образование надклеточных структур, включая избирательные межклеточные взаимодействия и миграцию клеток, образование тканей и надтканевых систем.
Основными задачами курса являются:
- сформировать современное представление о достижениях экспериментальной биологии развития на базе молекулярно-биологических исследований;
- исследовать возникающие на различных этапах индивидуального развития организма взаимосвязи в экспрессии различных генов;
- обеспечить понимание студентом прикладных аспектов использования знаний о молекулярных механизмах индивидуального развития организма в своей профессиональной деятельности.
В разделе ”Введение“ рассмотрены предмет и задачи молекулярной биологии онтогенеза, терминологическая база дисциплины, методы, используемые в изучении молекулярных аспектов развития, основные модельные объекты и организмы.
В разделе
”Дифференциальная
экспрессия
генов
как
основа
индивидуального развития организма“ рассмотрены основные механизмы избирательной экспрессии генов во времени и пространстве, уровни регуляции, транскрипционные факторы.
В разделе ”Избирательные взаимодействия клеток“ рассмотрены вопросы межклеточного сигналинга с участием ауто-, юкста- и паракринных факторов, роль межклеточного матрикса, адгезионных молекул клеточной поверхности и щелевых контактов в онтогенезе, миграция клеток в период эмбрионального развития.

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 3
В разделе ”Молекулярные основы гаметогенеза и оплодотворения“ охарактеризованы основные пути и молекулярно-биологические механизмы гаметогенеза, оплодотворения и детерминации пола.
В разделе ”Ооплазматическая сегрегация как фактор, определяющий
судьбу зародыша на ранних стадиях развития“ охарактеризована роль ооплазматической полярности для формирования общего плана строения организма, особенности клеточного цикла в период дробления.
В разделе ”Молекулярные механизмы контроля раннего развития
дрозофилы“ описаны молекулярно-биологические механизмы и сигнальные каскады формирования передне-задней и дорсо-вентральной осей у зародыша дрозофилы, роль градиентов сигнальных белков.
В разделе ”Становление общего плана строения в раннем развитии
позвоночных животных“ рассмотрены вопросы молекулярно-биологических механизмов гаструляции позвоночных животных, становление передне-задней и дорсо-вентральной осей, понятия организатора и эмбриональной индукции.
В разделе ”Нейрогенез“ охарактеризованы молекулярно-биологические механизмы формирования центральной и периферической нервной системы, отдельных типов нервных клеток, дорсовентральной и передне-задней спецификации нервной трубки.
В разделе ”Мезодерма и ее производные“ рассмотрены механизмы эпителиально-мезенхимной трансформации и миграции клеток при формировании тканей и органов мезодермального происхождения, молекулярные механизмы сомитогенеза, миогенеза, кардиогенеза, нефрогенеза.
В разделе ”Органогенез“ представлены механизмы закладки и развития конечностей у высших позвоночных животных.
В разделе ”Молекулярные основы апоптоза и старения“ отражены вопросы апоптоза и некроза, пути индукции и сигнальные каскады, представлены современные теории старения организма, рассматриваемые с молекулярно-биологических позиций.
В разделе ”Роль нейроэндокринной регуляции в онтогенезе“ рассмотрены механизмы действия основных классов гормонов, участвующих в регуляции жизнедеятельности организма и адаптации его к условиям окружающей среды, медиаторы, факторы роста, цитокины.

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 4
ЛЕКЦИИ
1. Введение в дисциплину ”Молекулярные основы онтогенеза“
1. Предмет и задачи дисциплины.
2. Определение онтогенеза и его основные характеристики.
3. Методы исследования молекулярных механизмов индивидуального развития организма. Модельные объекты.
2. Регуляция активности генов на уровне инициации транскрипции
1. Цис-элементы промоторов и трансрегуляторные факторы транскрипции.
Общие и специальные транскрипционные факторы.
2. ДНК-белковые и белок-белковые взаимодействия. Гиперчувствительные сайты ДНК.
3. Доменная структура факторов транскрипции, важных для раннего развития животных: гомеобокс (helix - turn - helix), bacis HLH.
4. Роль метилирования ДНК в регуляции экспрессии генов. Влияние 5- азацитидина на дифференцировку клеток in vitro.
3. Регуляция активности генов на посттранскрипционном и
претрансляционном уровне
1. Процесс созревания РНК: кэпирование, полиаденилирование, сплайсинг.
2. Регуляция транспорта из ядра в цитоплазму. Хранение запасенной мРНК в цитоплазме (гены «материнского эффекта»).
4. Избирательные взаимодействия клеток
1. Межклеточный сигналинг и трансдукция сигналов при взаимодействии клеток друг с другом и с внеклеточным матриксом.
2. Адгезионные молекулы клеточной поверхности и щелевые контакты.
3. Избирательные взаимодействия клеток с внеклеточным матриксом и молекулы субстратной адгезии.
4. Миграция клеток как результат избирательных взаимодействий.

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 5
5. Молекулярные основы гаметогенеза
1. Общая характеристика гаметогенеза.
2. Сперматогенез.
3. Оогенез. Метафазный блок мейоза.
6. Молекулярные основы оплодотворения и определения пола
1. Оплодотворение и его биологические значение.
2. Детерминация пола у дрозофилы.
3. Детерминация пола у Млекопитающих.
7. Ооплазматическая сегрегация как фактор, определяющий судьбу
зародыша на ранних стадиях развития
1. Понятие ооплазматической сегрегации и ее роль в формировании общего плана строения организма.
2. Биологическая функция дробления. Точка перехода на средней бластуле и гипотеза истощения репрессора.
3. Особенности клеточного цикла в период дробления. Роль MPF-фактора и циклинов.
8. Молекулярные механизмы контроля раннего развития дрозофилы.
Пространственная организация эмбриона
1. Жизненный цикл дрозофилы.
2. Формирование передне-задней оси зародыша дрозофилы. Градиенты белков
Bicoid и Nanos, гены терминальных структур.
3. Формирование дорсо-вентральной оси зародыша дрозофилы.
9.
Молекулярные механизмы контроля раннего развития дрозофилы.
Регуляция сегментации
1. Гены сегментации (gap-гены, pair-rule-гены и segment-polarity-гены) и парасегменты.
2. Гомеозисные гены, гомеобоксы. Кластерная организация гомеозисных генов.

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 6
10. Гаструляция и эмбриональная индукция
1. Представление о гаструляции как о морфогенетических перемещениях клеток и клеточных пластов.
2. Гаструляция у млекопитающих.
3. Сущность явления и история открытия эмбриональной индукции и организатора.
11. Пространственная организация эмбриона позвоночных животных
1. Становление дорсо-вентральной оси зародыша амфибий. Роль белковых факторов Wnt и TGFβ в становлении дорсо-вентральной оси зародыша амфибий. Центр Ньюкупа.
2. Становление лево-правой асимметрии.
12. Молекулярно-биологические механизмы нейрогенеза
1. Нейруляция.
2. Молекулярные механизмы спецификации нейроэктодермы.
3. Молекулярные механизмы дорсо-вентральной спецификации нервной трубки.
4. Молекулярные механизмы передне-задней спецификации нервной трубки.
Дифференцировка нейроэпителиальных клеток на нейральные и глиальные клетки.
13. Молекулярно-биологические механизмы развития нервного гребня
1. Нервный гребень: образование, производные.
2. Молекулярные механизмы миграции клеток нервного гребня.
14. Молекулярно-биологические механизмы формирования
и
развития мезодермы у позвоночных
1. Общая характеристика и развитие мезодермы.
2. Эпителиально-мезенхимные взаимодействия и миграция клеток при формировании мезодермы.

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 7
15. Молекулярно-биологические механизмы сомитогенеза у
позвоночных
1. Общая характеристика сомитогенеза.
2. «Молекулярные часы» сомитогенеза.
16. Миогенез, формирование почки и сердца в эмбриональный период
развития
1. Молекулярные механизмы миогенеза.
2. Механизм формирования почки.
3. Молекулярные механизмы закладки и образования сердца.
17. Органогенез
1. Развитие конечностей у высших позвоночных.
2. Морфогенетическое поле конечности. Гомеозисные гены, принимающие участие в формировании передне-задней оси конечности. Роль фактора роста фибробластов FGF10.
3. Почка конечности. Области формирования трехмерной структуры конечности. Роль апоптоза.
18. Молекулярные основы апоптоза
1. Сущность явления апоптоза – программируемой клеточной гибели, отличия апоптоза и некроза.
2. Механизмы активации процесса (рецептор-опосредованный и митохондриальный пути развития клеточной гибели), основные участники процесса.
3. Роль апоптоза в развитии и в физиологических процессах во взрослом организме.
19. Современные теории старения организма
1. Теория соматических мутаций.
2. Теория накопления измененных белков.
3. Митохондриальная теория.
4. Теломерная теория.

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 8 5. Эпигенетическая теория.
6. Теория системных и сетевых механизмов.
20. Гормоны и гормоноподобные соединения в онтогенезе
1. Основные классы гормонов.
2. Механизмы действия гормонов.
3. Нейромедиаторы.
4. Цитокины.
5. Факторы роста.

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 9
ТЕМА 1
ВВЕДЕНИЕ В ДИСЦИПЛИНУ ”МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ
ОНТОГЕНЕЗА“
1. Предмет и задачи дисциплины.
2. Определение онтогенеза и его основные характеристики.
3. Методы исследования молекулярных механизмов индивидуального
развития организма. Модельные объекты.
1.
Предмет и задачи дисциплины
Изучением молекулярных механизмов онтогенеза занимается наука генетика развития. Данная наука возникла на стыке эмбриологии, биохимии, молекулярной биологии, генетики, цитологии, генной инженерии.
Предмет дисциплины: молекулярно-клеточные механизмы, лежащие в основе индивидуального развития организма; пролиферация клеток, их дифференцировка и морфогенез; формирование тканей, надтканевых систем и многоклеточного организма из оплодотворенной яйцеклетки; механизмы контроля и поддержания стабильной целостности многоклеточного организма и его взаимоотношений с окружающей средой в период онтогенеза.
Задача дисциплины – сформировать представление об индивидуальном развитии организма на базе молекулярно-биологических исследований.
Этапы становления генетики развития:
1. Описательный (начало ХХ века): гистологическое сравнение и выявление стадий, на которых возникают различия в развитии нормальных и мутантных эмбрионов.
2. Экспериментальный (30-40-е годы ХХ века): выявление закономерностей генетического контроля индивидуального развития организма.
3. Биохимический (40-60-е годы ХХ века): установление роли избирательного накопления РНК и белков в развитии эмбриона и выявление дифференциальной активности генов на различных стадиях онтогенеза и в разных тканях.
4. Молекулярно-генетический (с 60-х годов ХХ века и по настоящее время): открытие генетических регуляторных систем, контролирующих экспрессию генов на различных стадиях онтогенеза.
Принципы генетики развития:
1. Принцип дифференциальной активности генов как основы регионализации

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 10 развития организма.
2. Принцип ведущей роли ядерно-цитоплазматических отношений в регионализации эмбриона.
3. Взаимодействие генов в процессе онтогенеза.
2.
Определение онтогенеза и его основные характеристики
Онтогенез (от греч. on (ontos) — сущее + генез (Э. Геккель, 1866) – индивидуальное развитие организма, совокупность последовательных морфологических, физиологических и биохимических преобразований, претерпеваемых организмом от момента его зарождения до конца жизни.
Онтогенез включает две группы процессов: морфогенез и репродукцию. В результате морфогенеза формируется репродуктивно зрелая особь. Онтогенез включает рост (увеличение массы тела, его размеров) и дифференцировку, заключающуюся в возникновении различий между однородными клетками и тканями, их изменения в ходе развития, приводящие к специализации.
У животных и растений, размножающихся половым путем, зарождение нового организма осуществляется в процессе оплодотворения, а онтогенез начинается с оплодотворенной яйцеклетки, или зиготы. У организмов, которым свойственно бесполое размножение, онтогенез начинается с образования нового организма путем деления материнского тела или специализированной клетки, почкования, а также из корневища, клубня, луковицы и т. п.
В ходе онтогенеза каждый организм закономерно проходит последовательные фазы развития:

зародышевый (эмбриональный, или пренатальный)

послезародышевый (постэмбриональный, или постнатальный)

период развития взрослого организма.
Онтогенез характеризуется устойчивостью – гомеорезом, который представляет собой процесс реализации генетической программы строения, развития и функционирования организма. В основе онтогенеза лежит сложный процесс реализации на разных стадиях развития организма наследственной информации, заложенной в каждой из его клеток в виде генов. Большинство генов (структурные гены) кодируют первичную структуру белков.
Генетическая программа онтогенеза осуществляется под влиянием многих факторов: условия внешней среды, межклеточные и межтканевые взаимодействия, гуморально-гормональные и нервные регуляции и т. д. и выражается во взаимосвязанных процессах размножения клеток, их роста и дифференцировки. В процессе взаимодействия особей с окружающей средой