Роль генетичного матеріалу в диференціюванні клітин

В кінці XIX ст. А. Вейсман запропонував механічну модель цитодиференціювання. Він припускав, що при діленні клітин зародка розподіл генетичного матеріалу не відбувається рівномірно. Тільки лінія статевих клітин отримує при діленні і передає нащадкам повний набір хромосом. Лінії же соматичних клітин успадковують лише частина генетичного матеріалу, причому всі вони відрізняються один від одного за кількістю і змістом отриманого матеріалу. Припущення Вейсмана знайшло ряд підтверджень. Так, в ході поділів дроблення у аскариди спостерігається елімінація, тобто втрата, частини хромосом. Це явище отримало назву дімінуція хроматину. Повний набір непошкоджених (інтактних) хромосом зберігається тільки в тому бластомер, який надалі дає початок первинним статевим клітинам. Елімінація цілих хромосом була виявлена ​​у деяких комах, нижчих ракоподібних і навіть одного з представників сумчастих ссавців. У останніх все соматичні клітини містили лише одну статеву хромосому Х, а попередники статевих клітин – дві хромосоми: ХХ або ХY залежно від статі тварини.

Надалі з’ясувалося, що в ході цітодіфференціровкі кількість генетичного матеріалу може не тільки зменшуватися, але й збільшуватися. У деяких комах, молюсків, круглих черв’яків в клітинах слинних залоз, епітелії шлунка і задньої кишки, мальпігієвих судинах і ряді інших тканин виявлені політенія. Такі хромосоми, містять до тисячі і навіть більше копій однієї і тієї ж молекули ДНК, утворюються в результаті багаторазової її реплікації, не супроводжується наступним поділом цих молекул. Явище ампліфікації – багаторазового виборчого копіювання окремих генів, що спостерігається, зокрема, в овогенезі амфібій, також призводить до збільшення кількості генетичного матеріалу в певних клітинах особини (див. П. 2.4.3.4). Однак всі наведені приклади є скоріше винятком, ніж правилом.

Як встановлено до теперішнього часу, збалансованість генотипу по дозам генів – одне з основних умов нормального розвитку особини. Дійсно, формування нових організмів в переважній більшості випадків відбувається з однієї або декількох диплоїдних соматичних клітин, які діляться митозом. Цей механізм поділу забезпечує рівномірний розподіл генетичного матеріалу в дочірніх клітинах і генетичну ідентичність материнської і дочірніх клітин. Отже, всі соматичні клітини, що утворюються в ході розвитку, серед яких і первинні статеві клітини, мають повний набір генетичного матеріалу. (Рідкісні випадки соматичних мутацій враховувати не будемо.) Найбільш прямі докази еквівалентності геномів соматичних клітин отримані методами молекулярної гібридизації нуклеїнових кислот (див. П. 5.2.2.3). Вже понад 20 років тому їх застосування показало, що ДНК всіх типів клітин більшості хребетних тварин мають однакову кількість і однакові типи послідовностей нуклеотидів.

Функціональна повноцінність генетичного матеріалу соматичних клітин була доведена в експериментах Дж. Гердона. Суть дослідів полягала в наступному (див. Рис. 3.2). Ядро яйцеклітини шпорцевой жаби, яке містило два ядерця, піддавали ультрафіолетовому опроміненню, чим викликали його інактивацію. Замість нього в цитоплазму яйцеклітини поміщали ядро ​​з одним ядерцем, взяте з диференційованих клітин шкіри дорослої особини або кишечника пуголовка. У певному відсотку випадків з такої яйцеклітини розвивався нормальний організм, усі клітини якого мали ядро ​​з одним ядерцем. Отриманий результат доводить, що ядро ​​диференційованої клітини містить всю інформацію, необхідну для повноцінного розвитку особини.

Про функціональної повноцінності генетичного матеріалу зрілої соматичної клітини свідчать і виконані до теперішнього часу численні експерименти з клонування рослин, тварин, у тому числі і ссавців. Клонування, в основі якого лежить трансплантація ядер диференційованих соматичних клітин венуклеірованние (позбавлені ядра) ооцити, представило незаперечні докази того, що геном еукаріотичних кліток не зазнає незворотних змін в ході їх диференціювання і може бути репрограммироваться, тобто повернений на рівень функціональної активності, що спостерігається у зиготи. Більш того, показано, що ядра високодиференційованих клітин, таких як В – або Т-лімфоцити, здатні забезпечити повноцінний розвиток особини в східних експериментах, незважаючи на те що деякі їхні гени (імуноглобулінів і Т-рецепторів) зазнають перебудову в ході диференціювання. І хоча залишається неясним, чи здатні зберігати можливість реалізації інформації гени будь-яких типів диференційованих клітин, список володіють такою здатністю клітин досить великий і включає у ссавців в тому числі фібробласти ембріонів і дорослих тварин, епітеліальні клітини молочної залози і яйцевода, В – і Т-лімфоцити, незрілі клітини Сертолі і пролиферирующие нейральні клітини кори головного мозку ембріонів. Отже, причина диференціювання – не зміна кількості або функціональної повноцінності генетичного матеріалу в клітинах, а якісь інші механізми.

В даний час вважають, що виникає в процесі розвитку спеціалізація клітин – результат диференціальної (або виборчої) експресії генів. Ця точка зору веде початок від Т. Моргана, який, спираючись на хромосомну теорію спадковості, припустив, що диференціювання клітин у процесі онтогенезу є результатом послідовних реципрокних (взаємних) впливів цитоплазми і мінливих продуктів активності генів. Різні типи клітин використовують різні гени з однакового набору, присутнього в кожній клітині. Це означає, що в конкретних клітинах активні не всі гени, а тільки частина з них, причому експресія тих чи інших генів відбувається вибірково в залежності від типу клітин, етапу онтогенезу та інших факторів. Результатом такої виборчої експресії стає освіту в різних типах клітин різних наборів білків, які забезпечують протікання в клітинах певних біохімічних реакцій, специфічність їх будови і функції. Так, нервові клітини здатні збуджуватися і передавати це збудження на інші клітини, еритроцити – транспортувати кисень до тканин, м’язові клітини – скорочуватися і тим самим забезпечувати різні прояви руху, фоторецептори – сприймати світловий потік. Виконання цими клітинами специфічних функцій визначається їх будовою, а саме: наявністю відростків у нейронів, по яких передається збудження; двояковогнутой формою еритроцитів, що дозволяє їм проникати у вузькі капіляри і здійснювати газообмін; значною протяжністю м’язових волокон, утворених при злитті декількох клітин-попередників, що робить їх здатними ефективно змінювати свою довжину; формуванням складок мембрани, де розташовується фотопігмент, у паличок і колбочок. Зазначені морфофункціональні відмінності забезпечуються різноманітністю білків: нейрони продукують нейропептиди, еритроцити – гемоглобін, м’язові клітини – актин і міозин, клітини сітківки – опсини. У деяких випадках диференціювання виявляється пов’язаної з синтезом НЕ білків, а інших речовин, наприклад цукрів та їх похідних. Так, міжклітинний речовина хрящової тканини складається з мукополісахаридів – похідних вуглеводів. Проте їх синтез в клітинах-хондробласти неможливий без деяких специфічних ферментів, а останні – це білки. Тому твердження, що в основі переважної більшості клітинних диференціювань лежить синтез специфічних білків, абсолютно справедливо. Слід підкреслити, що цей принцип диффе-ренціровкі є загальним в онтогенезі як тварин, так і рослин, незважаючи на те що між ними існують величезна еволюційна дистанція і суттєві відмінності в характері розвитку.

Гіпотезу виборчої активності генів підтверджують дані, отримані в генетичних і ембріологічних дослідженнях. Один з об’єктів, що дозволяють візуально, за допомогою світлового або електронного мікроскопа вивчати активність окремих генів, – політенія. У них добре видно темнофарбовані області щільної упаковки ДНК, які отримали назву дисків. Між ними розташовані світлі ділянки генетичного матеріалу менш щільною упаковки. Багато окремі диски відповідають окремим генам. Активна транскрипція певних генів в таких хромосомах супроводжується утворенням здуття або пуфів на місці дисків (рис. 8.21). Порівняння різних типів диференційованих клітин по набору тільки що транскрибоване молекул пре-мРНК, виконане методом молекулярної гібридизації молекул РНК з комплементарними їм ДНК, також виявило відмінності в залежності від типу клітин. Було показано, що клітини різних типів, які синтезують відрізняються мРНК і білки, демонструють в одних і тих же хромосомах різну локалізацію пуфів. Крім того, розташування пуфів змінюється в ході онтогенетичного розвитку, що корелює з синтезом певних білків в конкретний проміжок часу (рис. 8.21).


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (2 votes, average: 4.50 out of 5)

Роль генетичного матеріалу в диференціюванні клітин