Кариоплазма и Дифференциальная активность генов

Содержание  реферата

1. Кариоплазма
2. Дифференциальная активность генов
   2.1. Дифференциация
   2.2. Объяснение процесса клеточной дифференцировки с точки зрения теории дифференциальной активности генов
   2.3. Первые доказательства в пользу информационной эквивалентности геномов различных дифференцированных клеток. Теории Ханса Дриша и Вильгельма Ру
   2.4. Генетическая тождественность клеток в пределах организма. Работы Вейсмана, Шпемана и других
   2.5. Изменение генетической функции ядра в ходе дифференциации
   2.6. Дифференциальная активность генов в онтогенезе
   2.7. Скорость изменения активности генов в дифференцированных клетках
   2.8. Поведение клеток в культуре тканей
Список литературы

1. Кариоплазма

Клетки всех организмов имеют единый план строения, в котором четко проявляется общность всех процессов жизнедеятельности. Каждая клетка включает в свой состав две неразрывно связанные части: цитоплазму и ядро. Как цитоплазма, так и ядро характеризуются сложностью и строгой упорядоченностью строения, и, в свою очередь, в состав их входит множество разнообразных структурных единиц, выполняющих совершенно определенные функции.
Кариоплазма (ядерный сок, нуклеоплазма) в виде неструктурированной массы окружает хромосомы и ядрышки. Вязкость ядерного сока примерно такая же, как вязкость основного вещества цитоплазмы. Кислотность ядерного сока, определенная путем микроинъекции индикаторов в ядро, оказалась несколько выше, чем у цитоплазмы. Кроме того, в ядерном соке содержатся ферменты, участвующие в синтезе нуклеиновых кислот в ядре, и рибосомы.
Ядерный сок не окрашивается основными красителями, поэтому его называют ахроматиновым веществом, или кариолимфой, в отличие от участков, способных окрашиваться, - хроматина. Кариоплазма - основная внутренняя среда ядра, она занимает все пространство между ядрышком, хроматином, мембранами, всевозможными включениями и другими структурами. Кариоплазма под электронным микроскопом имеет вид гомогенной или мелкозернистой массы с низкой электронной плотностью. В ней во взвешенном состоянии находятся рибосомы, микротельца, глобулины и различные продукты метаболизма.
Кариоплазма характеризуется особыми структурными и функциональными свойствами. Функции кариоплазмы чрезвычайно многообразны, поскольку с ней связаны коллоидные свойства ядра, а также явления роста, синтеза ДНК, различных РНК и белка, передачи раздражения и т. п. Физико-химические свойства кариоплазмы обусловлены ее коллоидным характером. Они определяются наличием в ней множества частиц, в совокупности образующих огромную поверхность взаимодействия со средой, что обеспечивает прохождение разнообразных физико-химических процессов.
Благодаря силе поверхностного натяжения, возникающей на микроскопическом комочке кариоплазмы, осуществляется процесс адсорбции - концентрации одного вещества на поверхности другого. В зависимости от увеличения, даваемого микроскопом, кариоплазма представляется гомогенной или зернистой, гранулированной. Размер гранул близок к размеру макромолекул. Вязкость кариоплазмы, измеряемая сантипаузами, может существенно изменяться под действием внешних или внутренних факторов (за единицу измерения принята вязкость воды при температуре 20 град.). Вязкость кариоплазмы, измеряемая сантипуазами, может существенно изменяться под действием внешних или внутренних факторов (за единицу измерения принята вязкость воды при температуре 20 град.). Вязкость кариоплазмы растительной клетки достигает 3-4 сП. В частности, она зависит от температуры и концентрации: гипотонические растворы вызывают ее понижение, гипертонические - повышение. В процессе митотического деления клетки ее вязкость непрерывно возрастает.
Кариоплазма - наименее плотная часть ядра, в то время как мембранные системы имеют более плотную структуру. Плотность кариоплазмы колеблется в пределах от 1,025 до 1,055. Химический состав ее крайне сложен и представлен органическими и неорганическими веществами. Основные органические вещества - это белки, углеводы, дезоксирибонуклеиновые и рибонуклеиновые кислоты, жироподобные вещества (липиды).
Из простых белков (протеинов) в кариоплазме содержатся гистоны, протамины, альбумины и глобулины, а из протеидов - липопротеиды, глюкопротеиды и нуклеопротеиды. Большая часть белков относится к глобулярным, меньшая - к фибриллярным структурам. Белки глобулярной формы, способные превращаться в фибриллярные, называются структурными.
Для исследования ультраструктуры ядра используют метод, основанный на гомогенизации ткани или разрушении ядерных стенок и последующем разделении субъядерных структур (фракционирование). В ней основными являются ферменты, принимающие участие в процессах активизации аминокислот при синтезе белка. К этой же фракции относятся ферменты, катализирующие многие реакции, нуждающиеся в энергии АТФ.
Из неорганических веществ в кариоплазме обычно содержится большое количество воды (80-85 %), играющей важную роль в жизнедеятельности как ядра, так и клетки. Вода кариоплазмы может находиться в свободном состоянии (в виде растворителя) и быть связанной водородными связями с полярными группами белковых молекул.
Другие неорганические вещества кариоплазмы содержатся в виде солей, ионов или в соединении с белками, аминокислотами, углеводами и липидами. Наибольшее значение в построении кариоплазмы имеют элементы - кальций, фосфор, калий и сера. На кариоплазму приходится примерно 20 % массы ядра. Кроме широко распространенных элементов (С, О, Н, N, К, Са, Mg, Р, S, Fe, Na, Cl), в клетках некоторых организмов встречаются Li, Ва, Cu, Zn, Si, F, Сг, Br, J, Ag. Несмотря на то что многие из них содержатся в очень небольших количествах, они необходимы для правильного функционирования ядра и клетки.
Предполагается, что ионы металлов выполняют роль кофакторов ядерных ферментов, факторов проницаемости и переноса веществ через мембрану и оболочку, комплексообразователей неорганического компонента самой кариоплазмы, поддерживающего определенную ионную силу жидкой фазы. Однако функция каждого из этих металлов строго специфична. Этим объясняется значение микроэлементов в жизнедеятельности организмов.

2. Дифференциальная активность генов

2.1. Дифференциация

При половом размножении многоклеточные животные и растения развиваются из одной клетки - зиготы; в случае вегетативного размножения, - как правило, из группы довольно однородных клеток. В процессе же развития из одной клетки или группы однородных клеток формируется сложный организм, состоящий из большого числа разнородных клеток. У млекопитающих насчитывают около ста различных клеточных типов, которые в той или иной степени стойко сохраняют свои признаки.
Возникновение из однородных клеток в течение индивидуального развития большого разнообразия клеточных форм, отличающихся по строению и функции, представляет процесс дифференциации. Появляющиеся в процессе дифференциации различия сохраняются клетками при размножении, т. е. оказываются наследственно закрепленными. Дифференциация - образование в процессе развития из однородных клеток разнообразных по морфологическим признакам и функциям клеток, тканей и органов. Дифференциация является одной из основ онтогенетического развития организма. Осуществляется она в период интерфазы и является реализацией генетической информации, идущей от ДНК ядра.
Биохимически дифференциация проявляется в синтезе специфических для клеток данной ткани белков. Дифференциация основана на разновременном вступлении генов в детерминацию онтогенеза (генов вступление ступенчатое), т. е. на дифференциальной транскрипции генов, функционирующих в разные фазы онтогенеза и синтезирующих соответствующие молекулы и-РНК.
Генотипы клеток различных дифференцированных тканей особи идентичны (они соответствуют генотипу исходной зиготы), однако в них функционируют разные гены. В настоящее время процесс клеточной дифференцировки объясняется с позиций теории дифференциальной активности генов, которая является одной из наиболее плодотворных и обобщающих теорий, сложившихся в биологической науке в ХХ в. Согласно этой теории, специализация клеток является результатом действия соответствующих групп генов, характерных для каждого типа клеток.
Последующий морфогенез в большей степени зависит от сложных взаимодействий между тканями, чем морфогенез на ранних стадиях развития. Следует отметить также, что начало клеточной дифференцировки, имеющей место в раннем развитии, представляет уникальные возможности для исследования процесса регуляции на уровне генома в клетках животных.
Для раннего развития характерно возникновение функциональных различий между клетками и появление пространственно разграниченных специфичных группировок дифференцированных типов клеток там, где они прежде отсутствовали. Эти процессы должны в основном зависеть от становления мозаичного характера генетической активности в ядрах дифференцирующихся клеток, в результате чего возникает вопрос о регуляции действия генов.

2.2. Объяснение процесса клеточной дифференцировки с точки зрения дифференциальной активности генов

Чтобы принять предположение о том, что процесс дифференцировки является результатом дифференциальной активности генов, необходимы некоторые предпосылки. Прежде всего можно сказать, что в настоящее время хорошо известна взаимосвязь на молекулярном уровне между геномной ДНК и структурой различных белков клетки.
Характерные свойства клеток зависят от функциональных и структурных особенностей находящихся в них белков. В то же время, чтобы эти свойства клеток могли проявиться, необходима реализация генетической информации, в которой закодирована структура белков. Таким образом, дифференцировка, в конечном счете, зависит от транскрипции содержащейся в геноме информации.

2.3. Первые доказательства в пользу информационной эквивалентности геномов различных дифференцированных клеток. теории Ханса Дриша и Вильгельма Ру

Второй предпосылкой теории дифференциальной активности генов является предположение о том, что у многоклеточных организмов ядро каждой живой клетки содержит тот же самый геном, что и ядро зиготы. Факты, подтверждающие данное предположение, стали накапливаться уже с 1892 г., когда Дриш провел эксперименты с целью проверить правильность подобной точки зрения. Дриш, а вслед за ним и другие эмбриологи-экспериментаторы показали, что по крайней мере на самых ранних стадиях развития (на стадиях дробления) можно перемещать ядра из одних клеток в другие, не вызывая при этом нарушений в развитии. Поскольку ядра, определяющие в норме развитие энтодермальных клеток, могут также индуцировать развитие мезодермы и наоборот, то очевидно, что эти ядра должны содержать все гены, необходимые для развития как энтодермы, так и мезодермы.
Полученные данные показывают, что каждое ядро на стадии дробления содержит все гены зиготы. В этих опытах изменяли нормальный процесс распределения ядер по разным секторам цитоплазмы при дроблении яйца, кратковременно надавливая на него стеклянной пластинкой, которую затем удаляли. И Дриш, и его последователи считали, что подобные эксперименты являются прямой проверкой теории о разнокачественности ядер при дроблении, выдвинутой Вильгельмом Ру в 1883 г. Эта гипотеза в известном смысле - прямая противоположность существующей ныне теории дифференциальной активности генов.
Ру предполагал, что дифференцировка клеточных функций - это результат расхождения в разные клеточные ядра качественно различных генов. Согласно этой теории, каждая клетка содержит в своем ядре только те гены, которые необходимы для программирования характерных для нее функций. Специализация в развитии - это, таким образом, результат постепенного формирования мозаики клеток, содержащих различные части генома.
Несмотря на то что эти эксперименты Дриша и его последователей расценивались как доказательство того, что упомянутая теория Ру неверна, можно было, однако, утверждать, что эти опыты показывают равнозначность геномов в начальный период развития, довольно далеко отстоящий от начала действительной дифференцировки клеток и даже от начала видимого контроля над морфогенезом со стороны этих ядер. Однако разнообразные эксперименты, предпринятые позднее, наводили на мысль, что даже высокодифференцированные клетки содержат полный геном, равноценный геному ядра зиготы.
Очень рано стало известно, что в норме все клетки организма содержат одинаковое число хромосом. Существенную роль в этом сыграли исследования политенных хромосом насекомых, у которых удалось выявить основные черты поперечной структуры в хромосомах клеток разных типов. Кроме того, хромосомные аномалии, связанные с мутациями, вызывающими структурные изменения в одной ткани, можно обнаружить и в хромосомах клеток другой ткани.
Хорошо известным примером является ген Bar у Drosophila, влияющий на развитие глаза. Бриджес показал, что у мух, мутантных по этому гену, видна дупликация определенного участка в политенных хромосомах клеток слюнных желез, хотя очевидно, что клетки слюнных желез не могут быть ответственны за особенности морфогенеза глаза мухи. Другие примеры касаются структуры крыльев этого объекта; и в этом случае внутрихромосомные аномалии также выявляются цитологически в ядрах клеток слюнных желез. Следовательно, дифференцированные клетки одной ткани, по-видимому, содержат генетическую информацию, которая определяет характерные особенности других тканей.

2.4. Генетическая тождественность клеток в пределах организма. работы вейсмана, гердона, шпемана и других

Возникает вопрос: каков механизм поддержания стабильности дифференцированного состояния; почему клетки, детерминированные в определенном направлении, сколько бы раз они ни делились, сохраняют свою специфичность? Вейсман полагал, что в основе детерминации лежат неравнонаследственные деления. Носителем полной генетической информации, т. е. детерминантов (генов) всех признаков взрослого организма, является оплодотворенная яйцеклетка.
Тканевые клетки получают набор генов, соответствующих их структуре и функциям. Это означает, что в нервных клетках нет генов гемоглобина, а в клетках печени - генов, кодирующих белки мышц. В качестве подтверждения своей гипотезы Вейсман использовал данные по диминуции хроматина у лошадиной аскариды. Он полагал, что диминуция - это как раз тот процесс, при котором тканевые клетки освобождаются от лишнего генетического материала.
Эта гипотеза оказалась ошибочной. Диминуционные деления (их обычно одно или два) происходят в раннем эмбриогенезе (3-7 делений дробления), т. е. тогда, когда тканеспецифические гены еще не начинают функционировать. Собственно говоря, диминуция - это первый акт детерминации, разделяющий зародышевые половые и соматические клетки. Все типы тканевых клеток развиваются после диминуционных делений. Нельзя не отметить, что диминуция наблюдается у ничтожного числа из ныне известных видов животных.
Данные цитогенетики показывают, что у видов, у которых диминуция отсутствует, кариотипы всех тканевых клеток одинаковы; цитофотометрия свидетельствует о том, что клетки различной дифференцировки по содержанию ДНК не различаются; наконец, данные молекулярной гибридизации нуклеиновых кислот указывают на идентичность спектра нуклеотидных последовательностей в клетках разных тканей.
Следовательно, гены гемоглобина присутствуют не только в эритроидных клетках, где они активно функционируют, но и в клетках мозга, печени, почек и других тканей. Таким образом дифференциация происходит на основе неизменного в количественном отношении генома, сохраняющего полный спектр всех своих компонентов. Однако допускается, что в процессе дифференцировки отдельные гены избирательно повреждаются и в данных тканевых клетках уже никогда не будут функционировать. В таком случае в клетках кишечного эпителия гены гемоглобина не работают не потому, что они там отсутствуют, а вследствие повреждения их структуры или выпадения незначительных по размерам последовательностей, регулирующих транскрипцию.
Экспериментальные данные, опровергнувшие и эту точку зрения на механизм дифференциации, были получены в начале 60-х гг. Неоплодотворенные яйцеклетки облучали большой дозой ультрафиолета, которая инактивировала ядра, но практически не повреждала цитоплазму. С помощью микрохирургической техники в такие энуклеированные яйцеклетки пересаживались ядра из дифференцированных клеток - эпителия кишечника головастика. В некоторых случаях удалось получить полностью нормальных плодовитых взрослых особей. Если для опыта брали ядра одной особи, то все развившиеся животные представляли собой клон, т. е. были сходны между собой так, как и однояйцевые близнецы человека.
Из опытов можно сделать два вывода:

- во-первых, в процессе детерминации и дифференцировки не происходит необратимых повреждений генома;
- во-вторых, перенесение ядра тканевой клетки в неоплодотворенное яйцо, по крайней мере в некоторых случаях, приводит к полному возврату дифференцированного состояния и детерминации.

Другие примеры частичной обратимости дифференцированного состояния могут быть показаны с помощью гибридизации соматических клеток in vitro. В настоящее время техника подобных экспериментов достаточно высока, поэтому довольно легко можно получить гибриды между клетками даже далеких видов с разными типами молекулярной организации генома, например между клетками птиц и млекопитающих. Однако в природе едва ли существуют условия, при которых резко нарушается стабильность дифференцированного состояния, а тем более происходит передетерминация.
Таким образом, поскольку детерминация и дифференцировка не связаны с количественными или качественными изменениями генома (в абсолютном большинстве случаев), принято считать, что эти процессы основаны на эпигеномной наследственности. Сущность ее состоит в постоянном воспроизведении в ряду поколений соматических клеток такой надмолекулярной организации хромосом, которая позволяет функционировать в каждом типе клеток строго определенным наборам генов.
Экспериментальные исследования ранних стадий развития амфибий также показали однородность ядер, образующихся при дроблении. Например, Шпеман (1928) перетягивал после оплодотворения яйцеклетку так, что только в одной половине оказывалось ядро (в этой половине шли деления), другая же, безъядерная половина не дробилась. Между обеими частями яйцеклетки оставался узкий мостик цитоплазмы. После 4-гo деления, когда было уже 16 ядер, одно из них попало в безъядерную часть, и она после этого начинала дробиться, из нее образовывалась полноценная личинка.
Сходные опыты на яйцеклетках стрекоз показали, что ядро зиготы в процессе первых делений не утрачивает способности давать начало целому организму. Выяснению потенций ядра на более поздних стадиях развития способствовала методика пересадки ядер. Ядро яйцеклетки в момент второго деления созревания удалялось стеклянной иглой и на его место стеклянной пипеткой переносилось диплоидное ядро, взятое из клеток более поздних стадий развития.
При использовании ядер из клеток поздней бластулы наблюдалось нормальное развитие большинства яйцеклеток, тоже до стадии бластулы, и в значительном проценте случаев - образование полноценных личинок. Ряду авторов удалось получить развитие нормальных взрослых особей из энуклеированных яйцеклеток амфибий, в которые были пересажены ядра из клеток нейрулы, глазного бокала, кишечника головастиков и почки. Однако во всех опытах наблюдался определенный процент яйцеклеток, которые после пересадки ядер развивались только до стадии бластулы или же из них развивались аномальные личинки.
Для анализа причин этого явления из одной бластулы были пересажены ядра в ряд яйцеклеток, среди которых одни дали полноценное развитие личинок, другие - аномальное, а третьи развивались только до стадии бластулы. Пересаживая от них ядра, можно было убедиться, что способность ядер обеспечивать развитие яйцеклетки до определенной стадии сохраняется и при серийных пересадках, т. е. этот признак связан с какими-то генетическими факторами.
В дальнейшем оказалось, что ядра клеток, обеспечивающие развитие только до стадии бластулы, отличаются значительными хромосомными нарушениями: несколько меньше они у тех, которые давали аномальных личинок. Эти нарушения, вызванные, вероятно, повреждающим влиянием цитоплазмы яйцеклеток, на пересаженные в них ядра, однако, не препятствуют развитию зародыша до стадии бластулы. У высших растений геном соматических клеток также в основном репрессирован, и эта репрессия поддерживается эпигеномной наследственностью. Однако в этом случае полная дерепрессия генома в культуре растительной ткани наблюдается чаще. Например, из соматических клеток моркови и табака можно получить полноценные фертильные растения.
Механизм становления детерминации пока неизвестен, однако ясно, что у многих животных, напримере у амфибий, первичная детерминация связана с химической неоднородностью различных участков яйцеклетки. Поэтому и детерминация ядер, оказавшихся в ходе дробления в районе вегетативного полюса, будет иной, чем тех, которые попадут в цитоплазму аномального полюса.
В целом описанные выше опыты показали, что ядра соматических клеток обладают не только всей полнотой генетической информации, свойственной данному организму, но и потенциальной способностью обеспечивать нормальное индивидуальное развитие организма. Однако по мере развития деблокирование генетической информации ядер оказывается все более и более трудным, хотя, по-видимому, возможным в любом ядре, содержащем полное количество ДНК. Из этого следует, что в процессе онтогенеза наследственные структуры ядер не претерпевают каких-либо необратимых изменений.

2.5. Изменение генетической функции ядра в ходе дифференциации

В настоящее время доказано, что никогда в ядре не функционирует весь геном. Отдельные гены последовательно, по мере развития, начинают функционировать, т. е. синтезировать соответствующие и-РНК, в то время как функция других генов блокируется. Таким образом приобретение клетками новых признаков и утрата старых в ряду клеточных поколений представляет собой результат эпигенетической изменчивости, которая и обеспечивает дифференциацию клеток. Механизм перестройки работы генетического аппарата в соматических клетках в ходе онтогенеза в настоящее время неизвестен.
Жакобом и Мано было открыто явление индуктивного синтеза ферментов у бактерий. Под действием субстрата в бактериальных клетках начинают функционировать те гены, которые обеспечивают выработку ферментов, необходимых для утилизации субстрата. Например, при действии галактозы бактериальные клетки начинали синтезировать фермент галактозидазу, без которого они не могут использовать галактозу. В связи с этим открытием многие исследователи полагали, что и в основе дифференциации клеток могут лежать сходные процессы.
Однако между индуктивным синтезом у бактерий и процессом дифференциации многоклеточных организмов существует принципиальное различие. Это различие состоит в том, что при индуктивном синтезе у бактерий выработка фермента продолжается все время, пока есть индуцирующий субстрат, и прекращается, как только этот субстрат исчезает. При дифференциации после действия индуктора (иногда довольно кратковременного) начавшийся процесс продолжается в значительной мере уже автономно. Но общие представления о репрессии и индукции вполне могут быть применимы для объяснения явлений клеточной дифференциации.
Показано, в частности, что возникновение различий в образующихся информационных РНК, которые определяют белковый синтез, обусловлены резкими изменениями в функционировании хромосом и ДНК ядра. Так, в политенных хромосомах личинок двукрылых при этом образуются утолщенные диски, вздутия и пуфы. В них хромосомы деспирализуются и идет интенсивный синтез РНК.
В различные периоды жизни личинки повышенную активность обнаруживают различные участки хромосом. Более того, под влиянием гормона линьки - экдизона - образуются два новых пуфа, которые существуют, пока действует гормон. Следовательно, в каждый отдельный период жизни в клетке функционирует только часть ее генетического аппарата, а остальная часть находится в репрессивном состоянии. После определенного отрезка времени начинает функционировать другая группа генов, которая, вероятно, одновременно репрессирует остальной генетический материал.
Репрессия большей части генетического материала и функционирование только небольшой части генов могут в самой общей форме объяснить, как при наличии одинаковых по количеству и структуре молекул ДНК образуются клетки с резкими различиями в белковом синтезе. Но при этом, естественно, встает вопрос о том порядке, в котором начинает функционировать генетический аппарат.
Поскольку онтогенез, понимаемый как развитие особи от яйцеклетки до смерти, слагался исторически, а изменение клеток в процессе онтогенеза есть проявление их наследственности, тo сама дифференциация должна отражать эти исторические черты. В общей форме, видимо, наиболее приемлема теория Т. Моргана, согласно которой сначала ядро воздействует на цитоплазму и, говоря современным языком, программирует белковый синтез, а затем цитоплазма оказывает влияние на ядро, избирательно блокируя ряд генов, которые до этого функционировали.
Цитоплазма, получившая определенную информацию, репрессирует все гены, которые не должны работать в данный момент, или же действует только на гены, которые регулируют активность генотипа в целом.

2.6. Дифференциальная активность генов в онтогенезе

Развитие характеризуется сменой активности различных генов и их постепенным включением в работу при онтогенетическом развитии организма. Направленное влияние генетической информации на процессы развития связано с дифференциальным вступлением генов в детерминацию развития, т. е. со сменой явлений транскрипции разных гeнов. Хотя в дифференцированных клетках весь генный набор сохранен, однако далеко не все гены равно функциональны, т. е. далеко не одинаково транскрибируют свой код.
Процессы развития связаны со взаимодействием цитоплазмы и ядра. Здесь легко представить себе обратные связи, при которых возникают вещества цитоплазмы, - возможно, индукторы и репрессоры, регуляторы транскрибирования генов. Это отчетливо видно из фактов многочисленных мутаций, прерывающих процессы развития особи на разных его этапах. На каждом этапе онтогенеза активны только те гены, функция которых осуществляется именно на этом этапе.
Первоначально включенные гены, контролирующие основные процессы клеточного метаболизма, активны на протяжении всей жизни особи. Действие других генов может инактивироваться после выполнения ими своей функции. Чтобы наглядно представить себе этот процесс, достаточно вспомнить основной биогенетический закон Э. Геккеля, согласно которому в эмбриогенезе каждого вида повторяются основные черты эмбрионального развития его эволюционных предшественников. Ясно, что гены, контролирующие образование зачаточных жаберных щелей и других подобных органов, функционируют в онтогенезе плацентарных млекопитающих лишь ограниченное время.
Четкая упорядоченность в связи со стадиями индивидуального развития установлена для смены функционирования генов гемоглобина у млекопитающих. Подобных примеров можно привести немало, однако, с точки зрения генетики развития, наиболее интересны те случаи, где дифференциальная активность генов может быть прослежена непосредственно по изменению некоторых особенностей хромосом, иногда называемых особенностями хромосомного фенотипа. Наиболее ярким примером такого рода служат пуфы в гигантских политенных хромосомах.
Морфологически пуфы представляют собой вздутия определенных районов хромосом, обусловленные декомпактизацией отдельных дисков и интенсивным синтезом в них PHК. Пуфы, таким образом, можно рассматривать как высокоактивные в функциональном отношении тканеспецифичные и стадиеспецифичные гены. Установлена роль гормонов (в частности экдизона - гормона окукливания в индукции пуфов), а также роль белков, синтезированных ранними пуфами, в индукции поздних пуфов.
Иными словами, стероидные гормоны и белки - вероятно, не единственные факторы, ответственные за переключение генов в онтогенезе, а следовательно, и за смену фаз индивидуального развития организма. Особенно велика роль стероидных гормонов в регуляции генной активности у животных. Известно, что гормоны синтезируются в специализированных клетках желез внутренней секреции и циркулируют по всему организму.
Однако отдельные гормоны активируют гены не во всех клетках, а только в клетках-мишенях, содержащих специальные рецепторные белки, с которыми специфически связываются молекулы гормона. Это связывание происходит в цитоплазме, а затем образовавшийся комплекс проникает в ядро, где он взаимодействует с определенными негистоновыми белками хромосом. В отсутствие гормонов эти белки блокируют либо промоторные, либо иные, пока неизвестные регуляторные участки определенных генов.
Комплекс «гормон-рецепторный белок» снимает блокирующее действие негистонового белка-репрессора, следствием чего являются транскрипция данного гена, созревание и-РНК, транспорт ее в цитоплазму и синтез белка.

2.7. Скорость изменения активности генов в дифференцированных клетках

К временным аспектам регуляции клеточных функций со стороны генов, нами еще не рассмотренных, относится также скорость, с которой клетки многоклеточных организмов реагируют на активирующие (или дерепрессирующие) внешние сигналы. Сейчас хорошо известно, что индуцибельные бактериальные системы почти мгновенно реагируют на соответствующие индуктивные стимулы. Например, у В. subtilis индуцированный синтез м-РНК для гистидазы начинается менее чем через 2 мин после введения гистидина. У Е. coli м-РНК, необходимая для синтеза р-галактозидазы, синтезируется уже через 2-2,5 мин после введения индуктора.
Эти примеры отнюдь не единственные; в последнее время для бактерий описано много других индуктивных ферментных систем, характеризующихся сходными временными взаимоотношениями. По данным последних исследований, лаг-период примерно равен времени, необходимому для синтеза одной молекулы м-РНК. Имеющиеся в нашем распоряжении данные позволяют считать, что и у многоклеточных организмов геномы быстро реагируют на соответствующие стимулы внешней среды. Наиболее четко это показано в работах по изучению влияния гормонов на активность генов в клетках разных типов у млекопитающих.
В опытах по противоточному разделению РНК печени при экстрагировании после введения кортизона уже через 5 мин в спектре РНК были обнаружены значительные изменения. Следует отметить, что какая-то часть этого времени затрачивается на достижение гормоном участков генома, ответственных за синтез РНК. Сходные результаты были получены при применении самых разнообразных гормонов, таких, например, как тестостерон (на введение которого клетки печени самца и самки реагировали по-разному), а также нестероидных гормонов - тироксина и инсулина.
Гамильтон показали, что уже через две минуты после обработки эстрогеном удельная активность ядерной РНК клеток матки возрастает на 40 %. Геном реагирует на введение гормона почти немедленно. А если учесть время, которое необходимо для проникновения гормона в клетку, то можно высчитать, что реакция генома на введение гормонов реализуется всего лишь в течение нескольких секунд.
Следует отметить, что быстрая реакция генома может осуществляться, по-видимому, и в растительных клетках. Так, например, Ройчутхари и др. сообщили, что интенсивность синтеза РНК в ядрах изолированного эндосперма кокосового ореха уже через несколько минут после воздействия гиббереллином, ауксином или кинетином значительно повышается.
Исследования по влиянию солнечного освещения на адаптированные к темноте листья капусты, также отметили быструю реакцию генома на изменение условий внешней среды. После продолжительного пребывания в темноте в клетках листа содержатся в основном моносомы, и синтез белка протекает с относительно низкой интенсивностью. Уже через 4 мин после начала освещения в клетках появляются новые матричные РНК и вслед за этим резко увеличивается число полисом.
Сходные реакции описаны в настоящее время для ряда других растений, и лишь в нескольких случаях они протекают значительно дольше. Согласно приведенным выше данным, геномы многоклеточных животных способны реагировать на соответствующие стимулы, поступающие из внешней среды с такой же скоростью, что и бактериальные геномы, т. е. в пределах от нескольких секунд до 1-2 мин.
Таким образом, в системах геномной регуляции многоклеточных организмов наблюдается временная асимметрия в том смысле, что изменение клеточной функции в результате активации генов происходит значительно быстрее, чем в результате их репрессии, хотя на уровне генома реакции репрессии и активации, вызванные внешними стимулами, например гормонами, протекают с одинаковой скоростью. Такая асимметрия обусловлена тем, что популяции матричной РНК в клетках многоклеточных животных распадаются и исчезают намного медленнее, чем синтезируются новые матричные молекулы РНК после активации новых генов.
Не следует, однако, думать, что клетки высших животных не способны быстро изменять характер своей активности; для этой цели они обладают набором весьма тонких механизмов. Дело лишь в том, что непосредственная геномная регуляция клеточных функций осуществляется намного быстрее в тех случаях, когда активируются репрессированные ранее гены, а не наоборот. Бактерии в этом отношении резко отличаются от клеток многоклеточных животных, поскольку время, необходимое для репрессии генома или его активации, у них примерно одинаково, что обусловлено исключительно высокой скоростью распада матричных молекул РНК.
Для многих бактериальных систем сейчас уже твердо доказано, что индукция и репрессия генов протекают в них с одинаковой скоростью.

2.8. Поведение клеток в культуре тканей

Анализ особенностей действия генов оказался возможным при изучении клеток в условиях культуры тканей. Современная методика позволяет в условиях твердых или жидких сред вводить группы клеток или отдельные клетки и обеспечивать их размножение. В некоторых случаях перевиваемые культуры клеток живут неограниченно долго. Получение колонии из отдельных клеток позволяет экспериментировать с клетками человека и других животных на уровне методик работы с микроорганизмами.
На этой основе развились современные исследования по изучению частот естественного и индуцированного мутагенеза по отдельным генам в клетках человека. Характерной чертой поведения дифференцированных клеток при их введении в культуру ткани служит процесс дедифференцировки. Клетки теряют специализированные функции и превращаются в фибробласты, похожие на клетки из раннего эмбрионального развития. Эти факты свидетельствуют, что, попадая в культуру ткани, в пробирке дифференцированные клетки теряют связь с регулирующей программой, и их гены, обеспечивавшие специализированные функции, «замолкают» в изолированных от организма условиях культуры ткани.
Вместе с тем имеются факты, когда функции генов жестко определяются создавшимися в клетке условиями. В этих случаях введение специализированных клеток в культуру не лишает их способности синтезировать свойственные им вещества. Это касается клеток, синтезирующих коллаген. Клетки из раковых опухолей эндокринных желез продолжают синтезировать гормоны. В некоторых случаях перевод клеток в культуры «запускает» функции генов. Описаны случаи, когда клетки в культуре из нормальных тканей начинали синтезировать инсулин.
Молчащие гены переходят в функциональное состояние под контролем биохимических регуляторов. Это показано на введении ядерных эритроцитов кур в условия культуры клеток человека НеLа. Клетки HeLa снабжают эритроциты кур веществами - дерепрессорами генов. Объем ядра эритроцитов увеличивается, и затем начинается транскрипция и-РНК и синтез белков. В течение клеточного цикла работа генов прерывается на время митоза. Это было доказано при исследовании синхронизированных культур клеток.
Изложенные факты свидетельствуют о многообразных формах регуляции действия генов в разных периодах и условиях индивидуального развития. Задача будущего - пройдя этап отдельных наблюдений, создать теорию регуляции генетической информации в процессах развития особи.

Список литературы

1. Алиханян С. И., Акифьев А. П., Чернин Л. С. Общая генетика. М.: Высшая школа, 1985. 448 с.
2. Атабекова А. И., Устинова Е. И. Цитология растений. М.: Агропромиздат, 1987. 246 с.
3. Гуляев Г. В., Мальченко В. В. Словарь терминов по генетике, цитологии, селекции, семеноводству и семеноведению. -М.: Россельхозиздат, 1983. 240 с.
4. Дубинин Н. П. Общая генетика. М.: Наука, 1976. 572 с.
5. Дэвидсон Э. Действие генов в раннем развитии. М.: Мир, 1972. 344 с.
6. Мюнтцинг А. Генетика. Общая и прикладная. М.: Мир, 1967. 612 с.
7. Паушева З. П. Практикум по цитологии растений. М.: Агропромиздат, 1988. 271 с.
8. Решетников В. Н. Клеточные ядра высших растений. Состав, структура, функции. Минск: Навука i тэхнiка, 1992. 88 с.
9. Трошин А. С., Браун А. Д., Вахтин Ю. Б., Жилкин Л. Н., Суханова К. М. Цитология. М.: Просвещение, 1970. 304 с.