Дифференциальная активность генов на разных этапах онтогенеза

Дифференцировка клеток — процесс, при котором во время дроб­ления оплодотворенного яйца клетки постепенно начинают отли­чаться одна от другой, что приводит в конечном итоге к формиро­ванию зародыша со многими специализированными тканями. Клет­ки разных тканей одного и того же организма отличаются друг от друга формой, размерами и строением. В то же время клетки одинаковых тканей даже у животных разных видов имеют сход­ство. Это связано с тем, что каждый из типов клеток специали­зирован для выполнения только им свойственных функций. На­пример, нервные клетки приобретают способность передать нервные импульсы, железистые клетки — способность к секре­ции соответствующих веществ и т. д.

Выяснение механизмов дифференцировки клеток —одна из главных задач современной биологии. Поскольку дифференци­ровка необратима, некоторые ученые в конце прошлого века считали, что в ее основе лежит неравное распределение генов в те или иные дифференцирующиеся клетки в ходе последовательных клеточных делений. Это предположение было опровергнуто. В начале нашего века было показано, что каждая соматическая клетка имеет такой же набор хромосом, как и исходная оплодо­творенная яйцеклетка. Доказательством являются специальные опыты по пересадке ядер. Дж. Гёрдон (1962) разрушал ядра яйцеклеток лягушки ультрафиолетовыми лучами и инъецировал в энуклеированные яйцеклетки ядра дифференцированных кле­ток кишечного эпителия плавающего головастика. Небольшой процент таких ядер обеспечивал развитие головастиков и нор­мальных лягушек. Опытами было показано, что ядра кишечных клеток содержат все гены, необходимые для дифференцировки всех типов клеток.

В последующей работе по пересадке ядер Дж Гёрдон показал, что в течение первых десяти клеточных делений при развитии эмбриона лягушки в ядрах не наблюдается синтеза РНК. Клетки в этот период быстро делятся, реплицируют ДНК. Однако в клетках идет синтез белка. Дело в том, что у животных в период роста и созревания яйцеклетки в цитоплазме накапливается большое количество молекул РНК, которые, соединившись с белками-гистонами, образуют гранулы — информосомы.

Информосомы до оплодотворения яйцеклетки находятся в неактивном состоянии. Сразу же после оплодотворения мРНК освобождается от белков-гистонов, поступает в рибосомы цито­плазмы яйцеклетки и начинается синтез определенных белков по программе материнской ДНК. Поэтому начальный период разви­тия зиготы осуществляется под контролем генов материнского организма. С начала стадии гаструляции и в дальнейшем синтез белка осуществляется под влиянием мРНК, образующейся в ядрах клеток эмбриона, т. е. под контролем генов обеих роди­тельских особей. На первых этапах исследований основными экспериментальными объектами были иглокожие (морские ежи) и земноводные (лягушки, саламандры), потому что у них легко получать и оплодотворять яйцеклетки и следить за ходом эмбри­онального развития. Лишь в последние годы разработаны при­емы, при помощи которых появилась возможность изучать ран­ние стадии эмбриогенеза у мышей. На рисунке 39 приведена схема изменения активности генов в раннем эмбриогенезе ля­гушки и мыши.

Одним из примеров дифференциальной активности генов в период органогенеза может служить процесс формирования пуф-фов в гигантских хромосомах дрозофилы. Гигантские хромосомы слюнных желез являются политенными и включают до 1000 нитей. Они имеют по длине определенный рисунок. На хромосо­мах видны диски, которые представляют собой соединение гомо­логичных генов. Было установлено, что на определенных стадиях отдельные диски деспирализуются и принимают форму вздутий, получивших название пуффов. При помощи использования ра-

диоактивного уридина было установлено, что в пуффах происхо­дит интенсивный синтез молекул иРНК. Разные стадии развития личинок сопровождаются активностью определенных пуффов. Это говорит о том, что на разных этапах развития вступают в действие разные гены.

О неодновременной активности различных генов может сви­детельствовать изменение состава белков организма в связи с возрастом. На стадиях раннего эмбрионального развития у чело­века идет образование гемоглобина F, который состоит из двух цепей полипептидов — а и у. Приблизительно с 13 нед эмбрио­нального развитии начинается синтез гемоглобина А, характер­ного для взрослого человека. У гемоглобина А цепь полипептида у заменена на цепь р* несколько иного строения. Цепь а у обоих гемоглобинов одинакова, и ее синтез контролируется одним и тем же геном. У новорожденного гемоглобин F составляет 70— 80 % общего количества. И только к году происходит полная замена гемоглобина F гемоглобином А. По данным В. В. Пиль-ко, Е. К. Меркурьевой и С. Мигле, полная замена гемоглобина F гемоглобином А у телят происходит к ПО—120-дневному воз­расту.

Обнаружены существенные возрастные изменения в количе­стве и составе белков сыворотки крови у телят в эмбриональный период. По данным В. М. Холода, первый период эмбриональ­ного развития характеризуется низким содержанием сывороточ­ных белков (2,62 г%), затем количество их постепенно с возрас­том плода увеличивается и к 9 мес достигает 4,44 г%. Отноше­ние альбуминов к глобулинам возрастает с 0,40 у 2-месячного плода до 1,21 к моменту рождения. В постэмбриональный пери­од также наблюдаются изменения белкового спектра сыворотки крови. По данным А. С. Гурьяновой, у телок бурой латвийской порода содержание общего белка сыворотки крови с 3- до 18-месячного возраста увеличилось с 6,12 до 7,54 %, в том числе глобулинов с 3,03 до 4,24 %.

Некоторые органы и ткани специализируются на синтезе каких-то определенных белков, и количество РНК в них в от­дельные периоды возрастает или снижается. И. Я. Шихов изучал содержание ДНК и РНК в вымени телок, нетелей и коров. Он обнаружил, что отношение количества РНК к количеству ДНК составляет в среднем у половозрелых телок 0,48, у нетелей и коров в конце стельности 1,0, у коров в начале лактации 2,34 (с большими колебаниями), в конце лактации 1,72. Наблюдалась высокая степень связи (г = 0,71) между содержанием РНК в вымени и удоем коров. Это показывает, что образование РНК усиливается, когда в вымени коров синтезируется много белка при высоких удоях, и снижается при уменьшении удоев.