6. Роль ядра в спадковості. Трансплантація ядер. Клонування.

Ядра мають усі еукаріотичні клітини, за винятком зрілих члеників ситовидних трубок флоеми і зрілих еритроцитів ссавців. З усіх органоїдів ядра найпомітніші, і тому вони були описані першими серед клітинних структур у 1825—1839 pp.

Ядро — інформаційний центр клітини, у якому зосереджена основна частина генетичної інформації у формі ДНК. Воно виконує три основні функції. 1. Зберігає інформацію; 2. Передає її у цитоплазму; 3. Відтворює генетичну інформацію і рівномірно розподіляє її між дочірніми клітинами в процесі їх авторепродукції.

Матеріальний зв'язок між поколіннями у разі статевого розмноження здійснюється гаметами. Зливаючись, вони дають початок зиготі, з якої шляхом мітотичних поділів і диференціації клітин виникає цілісний організм з характерними для нього ознаками. Чоловічі та жіночі гамети істотно відрізняються за формою, розмірами та вмістом цитоплазми, але вони рівнозначні за ядрами. У зрілому сперматозооні ядро, яке розміщене в головці, ущільнене. Коли сперматозоон проникає в яйцеклітину, його ядро розрихлюється і стає подібним до ядра жіночої гамети. Інформаційний (ядерний) внесок у зиготу сперматозоона і яйцеклітини є однаковим (п + n хромосом).

Ядру в явищах спадковості належить вирішальна роль, але абсолютизувати її все ж не слід. Спадковість є властивістю живої системи (клітини, організму), а не її окремого компонента. Морфофункціональна єдність клітини забезпечується взаємодією ядра і цитоплазми. В ядро з цитоплазми надходять речовини регуляторної природи, які впливають на активність генів, а також попередники і ферменти, необхідні для реплікації ДНК, синтезу РНК, побудови хромосом та інших структур. З ядра у цитоплазму надходять продукти генної активності (іРНК), які забезпечують синтез специфічних білків.

Отже, ядро керує всіма білковими синтезами і через них біохімічними, фізіологічними і морфологічними процесами в клітині, а цитоплазма за принципом зворотного зв'язку регулює активність генетичного апарату ядра і забезпечує його матеріалами і енергією. Ядерно-цитоплазматична взаємодія ускладнюється тим, що в ній, крім ядра, беруть участь інші ДНК-вмісні структури — мітохондрії і пластиди.

Докази ядерної детермінації ознак отримані під час дослідів по трансплантації ядер (лат. transplantatio — пересаджування), одержанню андрогенних особин та клонуванню генотипів.

Зручним об'єктом для трансплантації окремих частин і ядер виявилася одноклітинна водорость теплих морів ацетабулярія. Її клітина і ядро мають великі розміри (5 см і 0,1 мм). Молода водорость, яка утворюється з зиготи, спочатку має лише ризоїд і ніжку, на якій пізніше утворюється шляпка. Вона складається з численних мішкоподібних вмістилищ — цист, які існують для розмноження. До утворення цист в ацетабулярії є лише одне ядро, яке розміщене в ризоїді. Два види ацетабулярії — Acetabularia mediterranea і A. wettsteinii — відрізняються за формою шляпки (перший вид має велику парасолькоподібну шляпку). Якщо без'ядерний відрізок ніжки A. mediterranea щепити з ризоїдом A. wettsteinii, компоненти зростуться і відрізок ніжки одного виду (A. mediterranea) регенерує шляпку іншого виду (A. wettsteinii). Це свідчить проте, що контроль за формою шляпки здійснюється ядром.

Якщо з молодої водорості одного виду, яка ще не утворила шляпку, вилучити її власне ядро і перенести в ризоїд ядра іншого виду, то такий ядерно-плазматичний гібрид утворить типову для донора ядра шляпку. Перенесення водну клітину ацетабулярії ядер різних видів призводить до утворення шляпки з проміжною формою.

Переконливим доказом ядерної детермінації окремих ознак є досліди Б. Л. Астаурова з шовкопрядами. Для шовкопряда властиве явище фізіологічної поліспермії — проникнення в яйце під час запліднення багатьох сперматозоонів. У цитоплазмі яйцеклітини головки всіх сперматозоонів перетворюються у чоловічі пронуклеуси. Один з них з'єднується з жіночим ядром, утворюючи ядро зиготи, а інші дегенерують.

Ядро яйця, на відміну від цитоплазми, дуже чутливе до температурних впливів і радіації. Тому температурним шоком і опроміненням можна зруйнувати ядро яйцеклітини,не викликавши необоротних змін у цитоплазмі. Якщо яйцеклітини із зруйнованим ядром запліднити, два чоловічі пронуклеуси зливаються і виникає зигота, яка має цитоплазму материнської форми (ВВ), а ядро (2п) — батьківської (bb). Особини, які розвиваються на основі ядра батьківської форми і цитоплазми яйцеклітини, називають андрогенними (рис. 9). Вони копіюють батьківську форму (донора ядра) за багатьма ознаками, зокрема за статтю і забарвленням гусені. У андрогенних особин виявилася рецесивна ознака білого забарвлення. Це свідчить, що її детермінат знаходиться в ядрі, одержаному від батька.

Руйнуючи таким чином ядра яйцеклітин мандаринового шовкопряда і запліднюючи їх сперматозоонами шовковичного шовкопряда, Б. Л. Астауров одержав потомство, яке копіювало батьківську форму за багатьма ознаками.

Значний інтерес викликає проблема копіювання генотипів у вищих форм. Ідея копіювання полягає в тому, щоб виключити з яйцеклітин їх власні ядра і ввести замість них диплоїдні ядра з бажаним для експериментатора генотипом. Якщо такі гібридні яйцеклітини розвиватимуться, можна буде одержати клон — сукупність організмів, які виникають від одного предка шляхом безстатевого розмноження. Особини певного клону мають однаковий генотип. Користуючись відповідними методами, можна добути з матки ссавців (і навіть людини) незапліднені яйцеклітини і запліднити їх in vitro. Запліднені таким чином яйця імплантуються в матку матері або «нерідної матері» і дають початок ембріону. Цей підхід був використаний у 1981 р. К. Ілменсі і П. Хопе для одержання клонів мишей.

Природним доказом генетичної рівноцінності клітин, що виникають шляхом мітозу, є однояйцеві близнюки. Вони утворюються з однієї зиготи, яка зазнає мітотичного поділу. Утворені клітини відокремлюються і дають початок двом або кільком ембріонам. Отже, тут маємо безстатеве розмноження. Такі близнюки внаслідок ідентичності генетичної програми (ДНК) мають однакові білки, і імунологічної несумісності під час трансплантації тканин і органів у них не спостерігається. Обмін речовин відбувається однотипне, що й забезпечує високу морфологічну подібність їх

Чимало видів рослин, тварин і мікроорганізмів розмножуються безстатевим шляхом за допомогою мітотичного поділу клітин. Сукупність клітин або особин, які виникли від спільного предка шляхом безстатевого розмноження, називають клоном. Прикладами клонів можуть бути: однояйцеві близнюки, окремі колонії мікроорганізмів, сорти рослин, які розмножуються вегетативно. Клони характеризуються високою генетичною стабільністю потомства навіть у разі гетерозиготності вихідного предка.

Більшість сортів плодових і всі сорти картоплі є клонами, тобто вегетативним потомством однієї рослини, відібраної селекціонером. І тому, коли ми щеплюємо Кальвіль сніговий з будь-якою підщепою, дичкою або культурним сортом, то завжди впевнені в тому, що в майбутньому матимемо типові для цього сорту яблука, незважаючи на фізіологічний взаємовплив компонентів.

Слід зауважити, що ріст рослин і тварин зумовлюється мітотичним поділом клітин і їх ростом. Усі клітини певного організму, наприклад людини, належать до одного клону.

Клітина, яка здатна реалізувати генетичну інформацію дати початок усім типам тканин і цілому організму, назиється тотипотентною. Прикладом такої клітини може бути зигота.

Біологів здавна цікавило питання про те, до якого часу в ході диференціації клітин зберігається ця властивість. Розділяючи ранні зародки амфібій на окремі клітини, дослідники переконалися в тому, що клітини певний час залишаються тотипотентними. Природним доказом тотіпотентності клітин раннього зародка є народження ідентичних близнюків у людини (кожна з 2—4 клітин у разі їх спонтанного роз'єднання може дати початок нормальному ембріону). У 8-клітинному зародку кролика можна вбити голкою 7 клітин і лише з однієї одержати нормальну тваринy.

Ще в 1902 р. німецький ботанік Г. Габерланд вперше вловив думку про те, що всі живі рослинні клітини тотирантні. Він вважав, що шматочок рослинної тканини і навіть окрема клітина здатні утворити цілу рослину, але він не зміг цього здійснити, оскільки на той час вчені не знали як культивувати рослинні клітини in vitro і які речовини слід додати до культурального середовища, щоб примусити калусну тканину диференціюватися.

Для вивчення питання тотипотентності клітинних ядер у ході диференціації американські вчені Р. Бріггс і Т. Кінг у 1952 р. розробили метод трансплантації ядер у без'ядерні (енуклейовані) яйцеклітини жаби. При цьому ядро яйцеклітини вилучають тонкою голкою, а скляною мікропіпеткою вносять ядро однієї з клітин раннього зародка. Ядра клітин, взяті із зародка на стадії бластули, у 80 % випадків забезпечували нормальний розвиток. Під час трансплантації ядер з клітин зародка, який перебував на стадії гаструли, нормальний розвиток спостерігався лише в 20 % випадків. Якщо ж використовувались ядра клітин зародка, в якому почав формуватись зачаток центральної нервової системи, то в жодному з випадків не спостерігалось утворення нормальних зародків. Ці факти свідчили про стабільну інактивацію багатьох генів у ході диференціації клітин, адже цитоплазма яйця не змогла активувати ті гени, які забезпечують нормальний розвиток.

Цікаві досліди з трансплантації ядер у південно-африканської жаби (Xenopus laevis) провів англійський дослідник Д. Гордон. В енуклейовані (шляхом опромінення ультрафіолетом) яйцеклітини він переніс ядра, які були взяті з епітелію кишок пуголовка. З'ясувалося, що 1% яицеклітин з пересадженими ядрами розвивалися нормально і дали початок статевозрілим особинам

Цей дослід засвідчив, що високоспеціалізована клітина Хenopusмістить усі гени, потрібні для проходження онтогенезу. Прояв генів пересадженого ядра змінюється; цитоплазма яйця репрограмує діяльність ядра, переводить з диференційованого в початковий стан.

Можливість репрограмування ядра цитоплазмою була ще раз експериментально доведена Е. Робертисом та Д. Гордоном. Вони вводили в овоцити тритона безліч ядер клітин нирок південноафриканської жаби. Застосовуючи двомірну хроматографію в гелі та мічені амінокислоти, дослідники показали, що в овоцитах тритона синтезуються білки, характерні для овоциту жаби. Ці білки не синтезувалися в клітинах нирок. Разом з цим специфічні для нирок гени не проявляли своєї активності.

Рослинні клітини здатні до повторної диференціації. Будь-яка жива рослинна клітина може реалізувати генетичну інформацію і дати початок усім типам тканин і цілому рослинному організму.

Цю думку, висловлену вперше Г. Габерландтом, було підтверджено Ф. Стюардом в 1950р. Він ізолював маленький шматок флоеми кореня моркви і вмістив його в рідке культуральне середовище у колбу, яка оберталася. В середовищі була сахароза, фізіологічно необхідні елементи і окремі вітаміни. Однак для росту і диференціації потрібні були ще якісь речовини. Ф. Стюард виявив їх у кокосовому молоці. Під час його додавання клітини, які відокремлювалися від ростучої клітинної маси, після перенесення їх на агаризоване середовище ділилися і в окремих випадках утворювали пагони. Цей експеримент засвідчив, що флоемні клітини містять всю генетичну інформацію, потрібну для розвитку типової рослини цього виду. За наявності відповідних сигналів, які надходять з навколишнього середовища, у ізольованих клітинах «включаються» гени, які не екс-пресувалися в клітинах флоеми.

У культурі ізольованих клітин і тканин можна одержати цілу рослину з клітин пелюстки квітки, пиляка, мікроспори, в'язальця пиляка, флоеми, паренхімних клітин бульби картоплі, серцевини стебла тощо. Тотипотентність є цікавою властивістю рослинних клітин.

Високоспеціалізовані тканини і клітини різних органів рослини під час вміщення їх на штучне поживне середовище, яке містить мінеральні солі, цукри, а також речовини регуляторної природи, зазнають дедиференціації (втрачають свою спеціалізацію) і починаюсь анархічно і неорганізовано розмножуватися. Внаслідок цього виникає так звана калусна тканина. Калус становить собою масу недиференційованих клітин, які утворюються під час поранення і культивування in vitro. Обов'язковою умовою дедиференціації клітин і перетворення їх у калусну тканину є наявність у поживному середовищі фітогормонів (кінетину і ауксину), які відіграють важливу роль у процесі онтогенезу. У культурі калусних тканин при відповідному співвідношенні регуляторних речовин може бути експериментально реалізована потенція всіх типів морфогенезу. При цьому можуть виникати сформовані заново корені, пагони, листки і квітки. Калусна клітина може дати початок соматичному зародку (ембріоїду), який перетворюється потім у цілу рослину, яка здатна цвісти і давати потомство. Цей процес називають соматичним ембріогенезом.

Отже, калусні клітини за своїми потенціями проходження нормального онтогенезу еквівалентні зиготі. Калусна тканина може виникати з будь-якої клітини, яка не втратила ядро і цитоплазму. Звідси ми робимо висновок про те, що всі рослинні клітини тотипотентні і кожна з них може ти будь-якою іншою рослинною клітиною під час наступної диференціації.

Однак умови, які викликають диференціацію калусних тканин і призводять до утворення ембріоїдів, відомі ще не для всіх видів рослин. Проте ці невдачі не є спростуванням тотипотентності рослинних клітин. Вони свідчать лише про те, що ми ще не знаємо умов, потрібних для індукції сомачного ембріогенезу даного виду.

Здатність до соматичного ембріогенезу властива також губкам, кишковопорожнинним і червам.

Клітини ссавців культивуються важко, а примусити їх диференціюватися ще важче, оскільки вони високоспеціалізовані. Рівень складності, який був досягнутий внаслідок диференціації, буває таким високим, наприклад у нейронів, що перешкоджає навіть росту і поділу клітин. Хоча в ядрах диференційованих клітин зберігається генетичний матеріал, більша його частина залишається репресованою і активувати його, здебільшого, не вдається.

Наприкінці ХХ ст. спеціалістти Рослінського інституту (Шотландія) повідомили про вівцю Доллі, що з’явилася на світ завдяки трансплантації ядер. Доктор Кемпбел з клітин грудної залози вагітної 6-річної вівці добували ядра і переміщували їх в енуклейовані яйцеклітини інших овець. Було проведено 400 таких маніпуляцій і лише в 1 випадку (з 400) народилася Доллі, генотип якої був ідентичний генотипу вівці-донора ядра.