Развитие и клеточная дифференцировка

Вопрос о том, как происходит включение и выключение генов, особенно интересен в связи с изучением развития зародыша. Жизнь каждого индивидуума начинается с оплодотворенного яйца, т.е. с одной-единственной клетки, которая многократно делится.

Вскоре в образовавшейся клеточной массе начинается дифференцировка-между многими ранее однородными клетками возникают различия. Клетки дифференцируются потому, что в них содержатся разные белки. Именно от присутствующих в клетке белков зависит, какие биохимические реакции могут протекать в этой клетке, какие вещества будут легко проходить через ее мембрану, будет ли клетка подвижной или нет и все ее прочие свойства. Проблема дифференцировки сводится к следующему: каким образом клетки, происходящие от одного оплодотворенного яйца, приобретают в процессе дифференцировки разные белки?
Поскольку любой белок является в конечном счете продуктом гена, один из возможных ответов на этот вопрос заключается в том, что клетки в процессе дифференцировки оказываются обладателями разных генов и соответственно разных белков. Однако биологи все больше и больше убеждаются в том, что дело обычно обстоит не так. У большинства видов в клетках взрослых особей содержатся те же самые гены, что и в оплодотворенном яйце.
Познакомимся с одной группой доказательств в пользу такого мнения. Если отрезать от колеуса, герани или виноградной лозы облиственный побег и поместить его в воду или в сырую почву, то он пустит корни и из него ра-

Рис. 15.10. Развитие растения моркови in vitro из нескольких клеток зрелого корня.


зовьется нормальное целое растение. Следовательно, вся генетическая информация, необходимая для образования тканей корня, где-то в этом побеге присутствует; клетки корня с их генами для образования новых тканей корня не нужны. Еще более удивительный опыт можно провести с такими растениями, как морковь или хризантема; в этом случае целое растение можно вырастить на питательной среде в лаборатории всего из нескольких клеток (рис. 15.10). Используемые нами отдельные клетки содержат, следовательно, все гены, необходимые для образования всех разнообразных клеток и органов целого растения. Значительную часть лучших сортов хризантем выращивают теперь на продажу именно таким способом.
Данные, которыми мы в настоящее время располагаем, позволяют считать, что дифференцировка клеток обусловлена тем, что вследствие различий в их цитоплазме их гены включаются или выключаются в разных комбина-




Рис. 15.11. Эксперимент, в котором ядро из клетки кишечника головастика (тти ядра достаточно крупные, поэтому ими легче манипулировать) пересаживают в яйцеклетку. Из яйцеклетки развивается взрослая лягушка.
циях. Это удалось показать при помощи экспериментов с пересадкой ядер из одних клеток в другие. Если, например, ядро из эритроцита лягушки пересадить в цитоплазму яйцеклетки лягушки, то в этом ядре немедленно прекра
тится образование РНК, необходимой для синтеза белков эритроцита ( в частности, для синтеза гемоглобина), и начнется образование РНК, необходимой для ранних стадий зародышевого развития.

Такого рода переключение, очевидно, вызывается чем-то, присутствующим в цитоплазме яйцеклетки. В аналогичных экспериментах ядра из клеток кишечника головастиков пересаживали в яйцеклетки лягушки, и при этом из многих яйцеклеток развивались взрослые лягушки (рис. 15.11).
Дифференцировку можно рассматривать как своего рода каскад реакций. Оплодотворение вызывает в цитоплазме активацию каких-то посредников, а они инициируют клеточное деление, а также включают определенные гены. Некоторые белки, синтезируемые под контролем таких генов (или продукты таких белков), проникают в соседние клетки, активируют здесь другие гены и т.д. Возникает, таким образом, сложная последовательность реакций, каждая из которых зависит от предшествующих.
Включение и выключение генов в процессе дифференцировки изучалось на насекомых. Хромосомная ДНК в период, когда она не транскрибируется, находится в спирализованном состоянии, т.е. ее молекулы туго свернуты. При «включении» ДНК на транскрипцию она раскручивается. РНК-синтезирую- щие ферменты присоединяются к ней и начинают синтезировать РНК. Участки такой активности выявляются в виде своеобразных вздутий хромосом, или «пуфов» (рис. 15.12). В своем развитии насекомое проходит через ряд линек, при каждой из которых оно сбрасывает старый наружный скелет и образует новый. Процессом линьки управляет особый гормон. Если ввести этот гормон линьки личинке насекомого в то время, когда срок линьки еще не наступил, то на его хромосомах начнут появляться и исчезать пуфы в той же последовательности, что и при нормальной линьке. Иными словами, действие гормона состоит в том, что он вызывает транскрипцию определенных генов в определенной последовательности, чего и следовало ожидать, исходя из нашей модели дифференцировки.
Одно из самых убедительных доказательств того, что в процессе развития эукариот разные гены включаются в строго определенной последовательности, получено при изучении дифференцировки поджелудочной железы у мышей. Вещества, специфичные для клеток поджелудочной железы, появляются
Рис. 15.12. Участок хромосомы с пуфом. 1де часть ДНК раскручена для транскрипции. Остальная ДНК в хромосоме туго свернута и потому недоступна для РНК-синтетирующих ферментов.

во время зародышевого развития мыши в строго определенном порядке. При подавлении синтеза РНК дифференцировки не происходит.
Процесс дифференцировки в настоящее время еще недостаточно изучен, но исследования в этой области ведутся очень активно. Пытаются, например, выяснить, не сказывается ли на дифференцировке плода курение, употребление алкоголя, а также прием тех или иных лекарств будущей матерью. Важны эти исследования и в связи с проблемой рака, поскольку при раке клеточная диф- ференцировка как-то нарушается. В целом это крайне интересная и пока еще мало разработанная область биологии, в которой в ближайшие десятилетия следует ожидать многих открытий. 

Еще по теме Развитие и клеточная дифференцировка:

1. 8.2.5. Дифференцировка клеток
2. Онтогенетическая дифференцировка
3. Тотипотентность ядер и их дифференцировка
4. 2.1. КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ
5. 2.2. ТИПЫ КЛЕТОЧНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ
6. Проблема клеточного деления
7. Рост организма путем клеточного деления (митоз)
8. 8.5.2. Проявление старения на молекулярном, субклеточном и клеточном уровнях
9. 4.2. КЛЕТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И ИЗМЕНЧИВОСТИ У ЧЕЛОВЕКА
10. РАЗДЕЛ II КЛЕТОЧНЫЙ И МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ — ОСНОВА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМОВ
11. ГЛАВА 4 КЛЕТОЧНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СВОЙСТВ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И ИЗМЕНЧИВОСТИ У ЧЕЛОВЕКА
12. 82.7. Генетический контроль развития
13. 6. 4. 7. Развитие биосферы
14. Некоторые перспективы развития цитологии
15. Глава 26. ПРОБЛЕМЫ БИОЛОГИИ РАЗВИТИЯ
16. 1.1. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ БИОЛОГИИ