Явище химерності організмів як прояв генетичної мінливості

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Химера -- тваринний або рослинний організм, що сполучує в собі клітини, тканини, органи чи частини тіла різних організмів. В основі утворення химери лежить об'єднання клітин, що виникли з різних зигот. Часто химерично побудованими є не цілі організми, а лише їхні окремі органи.

Химери здебільшого утворюються штучним шляхом -- при трансплантаціях чи зрощуваннях, але іноді трапляються і в природних умовах, очевидно, як результат вегетативних мутацій.

Існують різні типи химерихму: лабораторний, трансплантацінний, мікрохимеризм.Актуальною дана тема тому що будь-які мутації в організмі вимагають детального вивчення.

1. Химеризм

1.1 Рослинний химеризм, його типи

Вегетативні мутації можуть відбуватися в конусі наростання рослин. При цьому частина тканини, яка розвивається з шару, в якому утворилася мутантна клітина, стане також мутантною, і на рослині буде розвиватися пагін, що містить клітини з різними генотипами. Такі пагони або рослини, які одночасно несуть не змінені і мутаційно змінені тканини, називаються химерами.

Химери можуть виникати не тільки як мутації, але і в результаті щеплення, і тоді така рослина буде складатися з тканин, що належать різним організмам. Їх називають прищеплювальними химерами.

Розрізняють три типи химер :

1) периклінальні, у яких внутрішні тканини оточені одним або декількома шарами клітин, що мають інший генотип;

2) секторіальні, що містять мутантну тканину або тканину іншої рослини у вигляді повного сектора від епідермісу до серцевини;

3) мериклінальні, які мають окремі шари мутантної тканини тільки в одному секторі.

Одна з найбільш відомих прищеплювальних химер - рокитник Адама (Cytisus adami). Її виявив в 1825 р садівник Адам під Парижем в результаті щеплення очок рокитника червоного (Cytisus purpureus) на рокитник звичайний (Laburnum vulgare). З одного прищепленого вічка утворилася гілка, яка поєднувала в собі ознаки обох видів. Зокрема, квітки, що розвиваються на ній, мали брудно-червоне забарвлення, проміжне між жовтим забарвленням квіток рокитника звичайного і червоною -- рокитника червоного. Клони, отримані шляхом вегетативного размноження цієї гілки, були розмножені і поширилися в ботанічних садах Західної Європи під назвою рокитник Адама.

Ця рослина являє собою звичайну периклінальну химеру, у якій клітини епідермісу належать рокитнику червоному, а клітини паренхіми -- рокитнику звичайному. Незважаючи на те, що тканини зазначених двох видів протягом десятиліть були об'єднані в одній особині, коли брунька розвивалася з внутрішнього шару або коли бічний пагін походив із зовнішнього шару, утворювалися в чистому вигляді гілки відповідно або червоного, або звичайного рокитника. У тих рідкісних випадках, коли рокитник Адама давав насіння, з них виростали типові рослини рокитника звичайного. Ніяких слідів рокитника червоного в насіннєвому поколінні не спостерігали. Цей і всі інші відомі випадки розмноження химер насінням показують, що химерність при статевому розмноженні ніколи не успадковується.

Рис. 1.1. Рокитник Адама (Cytisus adami)

Цікава робота з вивчення химер у картоплі була проведена Т. В. Асєєвою. Вона встановила, що дуже багато старих сортів картоплі є химерними рослинами. Вегетативні мутації, в результаті яких утворюються химери картоплі, частіше зачіпають зовнішній шар конусу наростання, з якого розвивається епідерміс. Тому, встановити химерну природу таких сортів неважко. Для цього перед посадкою у бульби видаляють усі вічка, і нові бруньки у нього закладаються у більш глибоких немутантних тканинах другого шару конуса наростання. З них виростають рослини, клітини яких не порушені мутаційною зміною.

1.2 Методи створення химер

Існують три методи створення химер в лабораторії:

1. агрегаційні - Був запропонований практично одночасно і незалежно один від одного Тарковським у Варшаві і Мінц в Філадельфії (1961-1962 рр.).

З матки вагітних самок-докторів витягають зародки, які досягли стадії 8 бластомерів. Бластомери, отримані від двох тварин з різними генотипами (наприклад, від мишей з білою чорним забарвленням шерсті) поміщають в умови, що сприяють їх агрегації і утворення 16-ти клітинного зародка. Такі складові зародки розвиваються in vitro до стадії бластоцисти, після чого їх вводять в матку названої матері, у якої попередньо викликають помилкову вагітність шляхом введення відповідних гормонів. В результаті виходять аллофенние мишенята. Коли у мишеняти з'являється шерсть, забарвлення у нього виявляється не білою або чорною, як у батьків, а змішаної, чергуються з чорними і білими плямами або смугами. Це доводить, що тканини тварин-химер мозаїчні, тобто складаються з "білих" і "чорних" клітин.

Внутрішні тканини таких тварин, природно, також мозаїчні, хоча це проявляється не так очевидно, як у випадку забарвлення шерсті. Відмінності можуть стосуватися білків, що виконують ферментативну функцію: вони можуть каталізувати одні і ті ж реакції у мишей-батьків, потребуватиме одних і тих же кофакторами, але при цьому бути не ідентичними, хоча і подібними. Такі білки називаються ізоферментами, і їх можна розділити за допомогою електрофорезу. Агрегаційні химери можна отримувати не тільки між двома ембріонами, але і між різними числом ізольованих бластомерів або окремими частинами ембріонів. Маса химерних ембріонів не більш звичайної і схильна до дії механізмів ембріональної регуляції. Перевага методу - не вимагає втручання мікрохірургічної техніки, тому широко використовується в ембріогенетіке.

1. ін'єкційний - Був розроблений Р. Гарднером в 1968 р.

Використовуються ембріони на стадії бластоцисти. Бластоцисту фіксують і, використовуючи мікроманіпулятори, вводять шляхом ін'єкції клітини внутрішньоклітинної маси бластоцисти донорів в бластоцель ембріона - рецепиента. Цим методом можна ін'єктувати не тільки внутрішньоклітинну масу ранніх ембріонів, але і більш диференційовані клітини.

Ін'єкційний метод знайшов застосування при отриманні міжвидових химер. Перші міжвидові химери були отримані між двома найближчими видами мишей, які зазвичай не схрещуються: M. muskulus і M. caroli. Причому було відзначено, що химерні ембріони, отримані ін'єкційним методом, нормально розвивалися тільки при пересадці їх в матку того виду, чия бластоциста була використана в якості реципієнта. Наприклад, в бластоцисту M. muskulus вводили внутрішньоклітинну масу ембріона M. caroli. Отримані химери имплантировались в матку M. muskulus і благополучно розвивалися там, а в організмі M. caroli гинули через два тижні.

Міжвидові химерні зародки між мишею і щуром шляхом агрегації були отримані тільки в 70-х роках. Перші химерні тварини були отримані тільки в 1973 році Р. Гарднером і М. Джонсоном. Успіх цих експериментів дозволив приступити в 80-х роках до створення химерних сільськогосподарських тварин. З'ясувалося, що агрегаційні метод неприйнятний для отримання химер великої рогатої худоби. Химер телят Bos indicus + Bos taurus вдалося отримати тільки ін'єкційним методом.

Рис. 1.2. Бик Bos indicus + Bos taurus

У 1984 році були отримані міжвидові химери між вівцею та козою - овцекози, причому практично одночасно в Англії і ФРН. Використовувалися обидва методи. Статевим шляхом вівці і кози не схрещуються, так як мають різний набір хромосом: коза 2n = 60, вівця 2n = 54. У ФРН в 1985 році були отримані химерні телята після агрегації половинок 32-клітинних ембріонів від корів швіцької (бурого) і голштино - фризької порід. У фенотипі химер поєднувалися обидві масті - бура і чорно - строката.

Химерні тварини залишають поза передачею нащадкам генетичну мозаїчність. У них відбувається розщеплення, як у гетерозигот, тому цінні генетичні комбінації порушуються. Але протягом 1 покоління господарсько цінні ознаки підтримуються, тому можна, наприклад, поєднувати як молочну, так і м'ясну продуктивність.

Химерни досить часто зустрічається і у рослин. Як правило, вона існує в прихованому вигляді, що не проявляючись фенотипически. Однак пластидних мутації дозволяють побачити її безпосередньо на рослині. Найчастіше спонтанна химерного спостерігається у гетерозиготних рослин. Різні клітинні типи чітко розділені в просторі, утворюючи окремі шари при розподілі апікальних меристем. Прикладом видимої мутації мітохондрій та освіти химерного рослини є ряболисті або поява секторів тканини іншого кольору.

3. Механізм злиття клітин.

Для індукції злиття клітин використовуються речовини різної природи. Іони Са2+, Поліетиленгліколь, лизолецитин, моноолеат гліцерину, вірус Сендай.

Лізолецитин - поверхнево-активна речовина ліпідної природи, продукт деградації лецитину шляхом обробки останнього фосфолипазой А. Лізолецитин пошкоджує мембрани і токсичний для живих систем.

Рис. 1.3. Структурна формула лізолецитину

Цитотоксичний ефект цієї речовини можна зменшити знижуючи його концентрацію або додаючи під час обробки альбумін.

Моноолеат гліцерину також з'єднання ліпідної природи, але його шкідливу дію менш виражено, а частота злиття клітин при застосуванні цієї речовини зростає в 4-7 разів у порівнянні зі спонтанним процесом. До іншим аглютинує агентам, здатність яких викликати злиття клітин, була досліджена спеціально, відносяться лектини рослин і антитіла.

Перевага вірусу Сендай як зливає агента полягає в повній відсутності цитотоксичного ефекту. Вірус перед вживанням інактивують, опромінюючи ультрафіолетовою лампою протягом 5 хвилин, при цьому він втрачає здатність до розмноження, але зберігає здатність зливати клітини. Вірус Сенді має два недоліки:

- Необхідність нарощувати, титрувати, концентрувати і инактивировать вірус;

- Клітини рослин і грибів не мають рецепторів до цього вірусу, тому він непридатний для їх гібридизації.

Перший етап злиття - зближення мембран сусідніх клітин і встановлення між ними тісного контакту. Мембрани повинні бути наближені один до одного на відстань в декілька ангстрем так, щоб між ними стали можливі взаємодії, подібні гідрофобним зв'язкам. Викликають подібне зближення агенти, що індукують агглютинацию клітин. Міксовіруси, наприклад, вірус Сендай, поряд з іншими вірусами, які обумовлюють злиття, перш за все викликають аглютинацію клітин, тобто досить тісне їх зближення, необхідне для успішного подальшого злиття.

Поліетиленгліколь також викликає агрегацію клітин, хоча механізм дії його невідомий. Можливо, завдяки тому, що у водному розчині ПЕГ несе невеликий негативний заряд, молекули цього розміру достатньо великі, щоб між клітинами виникали електростатичні зв'язку. Підтвердженням цієї гіпотези є посилення аглютинації клітин, що викликається ПЕГ: двовалентні іони, мабуть, утворюють містки між ПЕГ і негативно зарядженими вуглеводами, які перебувають на клітинної поверхні. Згідно з іншою гіпотезою, протопласти зливаються в результаті дегідратації. Поглинання води індукує утворення пір на поверхні мембрани і відбувається перетікання внутрішньоклітинного матеріалу. Після злиття ділянки з порами зберігаються деякий час. Існує два припущення, що пояснюють виникнення пір:

1. При високій концентрації ПЕГ (20 - 30%) вся вільна вода поглинається їм, викликаючи розриви в мембрані;

2. ПЕГ зменшує полярність води, що викликає перерозподіл полярних і гідрофобних компонентів мембрани, що стабілізують ліпідні шари.

З особливим успіхом для цих цілей використовується ПЕГ з молекулярною вагою від 1500 до 7500.

2. Види химеризму

2.1 Мікрохимеризм

лізолецитин химера тваринний рослинний

Мікрохимери -- організми з незначною часткою «чужих» клітин в організмі. Передбачається існування кількох можливих варіантів мікрохімерізма: фетальний (міграція клітин плоду в організм матері), материнський (міграція материнських клітин в організм плоду), мікрохімерізма близнюків (обмін клітинами між близнюками), перехід з кровотоку матері в організм плоду клітин від попередніх вагітностей, обмін клітинами між подружжям, трансплантаційний мікрохимеризм (як правило, в результаті гемотрансфузій).

Деякі вважають, що вагітність призводить до імуносупресії з розвитком толерантності до клітин плоду, тобто до мікрохімеріз-му (рис. 2.1.). Перехід алогенних фетальних клітин в материнський кровотік називається фетальний мікрохімерізма. Виявлення фетальних клітин в материнських тканинах протягом тривалого часу після вагітності реєструється значно частіше, ніж міграція материнських клітин в кровотік плоду (материнський мікрохімерізма). При нормальному перебігу вагітності фетальний мікрохімерізма вперше визначається на 4-6-му тижні гестації , а кількість фетальних клітин і фетальної ДНК в крові матері збільшується з терміном гестації і особливо під час пологів. Фе-фундаментальні клітини можуть персистувати потім в організмі жінки протягом десятиліть після завершення вагітності І кров плода, і плацента містять стовбурові клітини і клітини-попередники. Плацента є багатим джерелом фетальних гематопоетичних стовбурових клітин. Плацентарні кровотечі, природні або ятрогенні пошкодження ворсинок трофобласта є важливими причинами клітинного обміну плода і матері.

Альтернативне джерело мікрохімерних клітин - обмін клітинами між близнюками, які також персистируют в дорослому житті. Вперше мікрохімерізма був описаний у близнюків в 1957 і 1959 г. Інше джерело - переливання крові. Тривале персистування донорських клітин визначається у пацієнтів з множинними гемотрансфузіями після травм.

Гіпотетично мікрохімерние клітини повинні бути недиференційованими, оскільки здатні циркулювати в організмі і заселяти різні органи, експресувати антигени, характерні для відповідних тканин. Внаслідок цього передбачається, що мікрохімерние клітини є стовбуровими. Їх назвали асоційованими з вагітністю клітинами-попередниками.

Трансплацентарний міграція фетальних клітин цитотрофобласту природна для нормального розвитку плаценти і плода, і їх (фетальних клітин) наявність в період вагітності виконує важливу функцію в індукції імунологічної енергії і / або толерантності у плода і матері [16]. Фетальні і плацентарні аномалії, такі як фетальная анеуплодія, прееклампсія і переривання вагітності призводять до збільшення кількості фетальних клітин різних типів в крові матері, і це може підвищувати ймовірність їх постійної присутності в тканинах жінки.

Рис. 2.1. Схематична діаграма вагітної з передачею фетальних клітин (чорних) матері і материнських клітин (червоних) плоду. Материнські стовбурові клітини - зелені, стовбурові клітини плоду - сині

Відомо, що в період вагітності материнська кров містить різні типи фетальних клітин, включаючи трофобласта, еритробласти з ядром, тромбоцити, В- і Т-лімфоцити, моноцити, природні кілери і деякі типи клітин-попередників стовбурових клітин.

Фетальні мезенхімальні стовбурові клітини можуть диференціюватися в Остеогенні, хондро-генному, миогенной і адіпогенних напрямках. Вони визначаються в низьких концентраціях в I триместр в печінці, кістковому мозку , а також в крові матері після вагітності. Крім цього, фетальні химерні клітини експресують маркери ендотеліальної диференціювання , що наштовхує на думку про їхню участь в материнському неоангіогенез в період вагітності. Таким чином, фетальні химерні стовбурові клітини / клітини-попередники можуть брати активну участь у відновленні пошкоджених тканин. З еволюційної точки зору це явище може бути інтерпретоване як допомога плода в захисті благополуччя матері в період і після вагітності. Патологічне значення мікрохімерних клітин полягає в їх можливу участь в ініціюванні та тяжких перебігу аутоімунних поразок різноманітних органів і тканин.

2.2 Трансплантаційний химеризм

Недавні дані свідчать про те, що пасивні лейкоцити мігрують після трансплантації органів і створюють стійкий химер, який необхідний для тривалої виживання алотрансплантату. Тут ми описуємо, як цей гематолімфопоетичний химеризм забезпечує важливу структуру для інтерпретації посттрансплантаційних явищ та для початку терапевтично орієнтованих досліджень трансплантації.

Зв'язок між кістковим мозком і трансплантацією органів була забезпечена при виявленні мікрохимеризму за допомогою чутливих методів імуноцитохімічної та полімеразної ланцюгової реакції в тканинах або крові 30 реципієнтів нирок людини або печінки, які вивчалися від 2,5 до 30 років після операції. Донорські клітини були багатолінійними, але парадоксально, багато хто були дендритовими клітинами (DCs), потужною антигенною клітиною. Окремі зразки у пацієнтів часто не містять донорських лейкоцитів, які воскують і погіршуються. Однак, дисеміновані донорні клітини, включаючи ДК, або альтернативну донорну ДНК, постійно демонструються, якщо грудни, що мають довготривалі трансплантати, ретельно вивчаються.

Поряд з периферичною міграцією донорних клітин із успішно трансплантованого трансплантата, відбувається приплив лейкоцитів-хазяїнів, які не викликають пошкодження трансплантата. Таким чином, як аллотрансплантат, так і реципієнт стають генетичними композитами Стан дзеркального зображення існує після трансплантації кісткового мозку , що підтверджується демонстрацією залишкової залишкової кількості лейкоцитів господаря в основному у всіх стабільних реципієнтів костного мозку людини, які раніше вважали повний донор-клітинний химеризм.

Ці відкриття забезпечили важливу основу для кращого розуміння прийому аллотрансплантату, для аналізу проблем управління та терапевтично орієнтованих досліджень трансплантації. У новому контексті цієї двосторонньої парадигми донорові лейкоцити в реципієнтах органів являють собою невеликий член антагоністичного, але взаємно ослабленого або скасованого плеча проти трансплантата (HVG) та трансплантатного противника (GVH), кожен з яких може викликати специфічну нереактивність (толерантність) в інших. Видалення рук господаря цитаоблігаціям перед кістковим мозком, але не до трансплантації органів, змінює баланс при взаємній взаємодії і, таким чином, відповідає за нерівності двох різних видів трансплантації.

Ефект динамічного «нульфіцирування» обох рук робить очевидним, чому реципієнти нирок іноді можуть зупинити імуносупресію, не втрачаючи своїх аллотрансплантатів. Це також пояснює погану прогностичну цінність антигену лейкоцитів людини для трансплантації органів, рідкість захворювання на ГВХ після прищеплення імунологічно активних органів, таких як кишечник і печінка, і характерний цикл імунологічного кризису та розрізнення, спочатку спостерігається в реципієнтах нирок, що було найбільш практично контрольовано серійними змінами функції аллотрансплантації органів.

Парадигма двостороння визначає успіх і невдачу після трансплантації по-іншому, ніж раніше. Успіх означає, що введено химерність, яка може або не може бути залежною від імуносупресії. Помилка позначає терапевтично неконтрольоване посилення HVG або GVH. Патологічні дані про обидва процеси часто зустрічаються при невдалих випадках печінки або трансплантації кишечника, але остаточним результатом є переважно відкидання або захворювання ГВХ. У реципієнтів нирок, які піддаються невеликому навантаженню пасажирських лейкоцитів, висновки в реципієнта та аллотрансплантат, по суті, завжди інтерпретуються в контексті відхилення.

2.3 Лабораторні химери

Історія химерних зародків почалася з бичків доктора Рэя Оуэна і каченят доктора Пітера Браяна Медавара, завдяки чому вдалося розробити механізм химеризації.

Оуен першим звернув увагу, що у телят-близнюків у організмі прекрасно існують клітки з різнорідним генетичним матеріалом, і причина цього - з'єднання кровоносних судин. Медавар спершу вирощував випиленими в скарлупі "вікнами" курячими яйцями, потім ставили експерименти з введення культурних кліток качок у курячі зародки, потім почали з'єднувати кровоносні системи новонароджених каченят і, нарешті, зформулювали термін "іммунологічна толерантність" - готовність організму приймати чужі клітки. Він першим підсадил зародки мишат однієї чистої клітини порожнини іншої, а потім пересаживав живим химерам лоскути шкіри, щоб продемонструвати: пересажені біоматеріали зберігають властивості рідного організму і при цьому не відступають. Учені Чикаго і Ліверпуля були сконструйовані в лабораторіях химер диких і домашних мишей, вводячи додатковий генетический матеріал в зародки на стадії бластоцитів. Мишата виявилися повністю життєводіяльними: більш активними, ніж домашніми, але менш активними, ніж дикі. В Росії успішно вирощують кури химери - білі леггорни з рижими тастами родайлендов.

Рис. 2.2. Лабораторні химери мишат

Висновки

Химера -- тваринний або рослинний організм, що сполучує в собі клітини, тканини, органи чи частини тіла різних організмів. У рослинному світі розрізняють такі три типи химер:

1) периклінальні, у яких внутрішні тканини оточені одним або декількома шарами клітин, що мають інший генотип;

2) секторіальні, що містять мутантну тканину або тканину іншої рослини у вигляді повного сектора від епідермісу до серцевини;

3) мериклінальні, які мають окремі шари мутантної тканини тільки в одному секторі.

Існують три методи створення химер в лабораторії:агрегаційний ,метод злиття клітин, ін'єкційний.

Мікрохимери -- організми з незначною часткою «чужих» клітин в організмі. Передбачається існування кількох можливих варіантів мікрохімерізма: фетальний ,материнський ,мікрохімерізма близнюків,перехід з кровотоку матері в організм плоду клітин від попередніх вагітностей, обмін клітинами між подружжям, трансплантаційний мікрохимеризм.

Недавні дані свідчать про те, що пасивні лейкоцити мігрують після трансплантації органів і створюють стійкий химер, який необхідний для тривалої виживання алотрансплантату.

Лабораторні - схрещування між собою різних порід тварин одного виду для селекційного виведення нових порід.

Література

1. Васильева, Е.Е. Генетика человека с основами медицинской генетики. Пособие по решению задач: Учебное пособие / Е.Е. Васильева. - СПб.: Лань, 2016. - 96 c.

2. Глухов, М.М. Генетика человека с основами медицинской генетики. Пособие по решению задач: Учебное пособие / Н.Н. Глухов, И.А. Круглов. - СПб.: Лань, 2016. - 96 c.

3. Гнатик, Е.Н. Генетика человека: Былое и грядущее / Е.Н. Гнатик. - М.: Ленанд, 2015 - 280 c.

4. Курчанов, Н.А. Генетика человека с основами общей генетики. Руководство для самоподготовки / Н.А. Курчанов. - СПб.: СпецЛит, 2010. - 63 c.

5. Курчанов, Н.А. Генетика человека с основами общей генетики: Учебное пособие / Н.А. Курчанов. - СПб.: СпецЛит, 2009. - 191 c.

6. Курчанов, Н.А. Генетика человека с основами общей генетики / Н.А. Курчанов. - СПб.: СпецЛит, 2009. - 191 c.

7. Пальцев, М. А. Иммуногенетика человека и биобезопасности. / М.А. Пальцев, Р.М. Хаитов, Л.П. Алексеев. - М.: Медицина, 2009. - 256 c.

8. Рубан, Э.Д. Генетика человека с основами медицинской генетики: Учебник / Э.Д. Рубан. - РН / Д: Феникс, 2013. - 319 c.

9. Хандогина, Е.К. Генетика человека с основами медицинской генетики: Учебник / Е.К. Хандогина, И.Д. Терехова, С.С. Жилина. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 192 c.

Размещено на Allbest.ru