Дифференцировка и детерминация

Раздел генетики, изучающий генетические основы ин­дивидуального развития (онтогенеза), называется феногенетикой.Онтогенез включает увеличение массы орга­низма (рост) и структурно-функциональную дифферен­циацию составляющих его клеток. Понятия «рост» и «развитие» применимы как к одноклеточным, так и к многоклеточным эукариотическим организмам, однако специфика онтогенеза тех и других обусловлена глубо­кими эволюционными отличиями между ними, связанными с возникновением многоклеточности. В данной теме рас­сматриваются в основном вопросы, касающиеся генети­ческой регуляции онтогенеза многоклеточных животных.

Индивидуальное развитие начинается с оплодотворен­ной яйцеклетки. Однако уже организм новорожденного ребенка содержит около 10¹⁴ клеток, а тело взрослого человека состоит из 10¹⁵-10¹⁶ клеток. В результате процес­сов, происходящих в онтогенезе, формируются органы и ткани, выполняющие, как правило, ограниченное число функций. Структура клеток тканей взрослого организма отличается, и весьма заметно, от структуры яйцеклетки и приспособлена к выполнению тканеспецифических фун­кций, возникающих в ходе дифференцировки. Дифференцировка — это процесс формирования структурно-фун­кциональной организации клеток многоклеточных жи­вотных и растений, в результате которого клетки приобре­тают способность к выполнению определенных функций в сложном организме. Дифференцированное состояние в норме стабильно: клетки нервной ткани не превращаются в печеночные или эпителиальные клетки кишечника, и наоборот.

Советский биолог А. А. Заварзин открыл основную тенденцию в эволюции тканевых клеток: по мере услож­нения организации их носителей они все больше и больше становятся частями целого, теряют самостоятельность и в своих проявлениях целиком зависят от надклеточных регуляционных систем: внутри- и межтканевых отноше­ний, гуморальных и нервных факторов. Другими словами, соматические клетки животных эволюционируют как субъединицы целостного организма. Отсюда ясно, что этот принцип был бы нарушен, если бы происходило постоянное превращение одних клеток в другие. В свою очередь, это нарушило бы гомеостатические реакции ор­ганизма и резко снизило бы его устойчивость к внешним факторам. Взаимодействие клеток тканей и надклеточных регуляционных систем основано на компетентности, т. е. восприимчивости клеток к регуляционным влияниям. Фак­тически все основные функции дифференцированных кле­ток контролируются организмом. Этот принцип нарушает­ся в злокачественных опухолях.

Конечная дифференцировка часто связана с утратой способности клеток к размножению – пролиферации. Активная пролифе­рация и функционирование — процессы в норме, как пра­вило, взаимоисключающиеся. Это, вероятно, и служит причиной того, что, например, нервные клетки млеко­питающих делятся последний раз в эмбриональном и раннем постэмбриональном периодах, а клетки нервных ганглиев дрозофилы — в личиночной стадии. При раз­витии взрослого организма формируются комплексы, со­стоящие из многих нервных клеток, выполняющих разные функции, начиная от чувствительного нейрона и кончая двигательным. Если бы нервные клетки постоянно дели­лись во взрослом организме, то поддержание целостности этих комплексов было бы невозможно и это, несомненно, имело бы катастрофические последствия для нервной регуляции.

Итак, дифференцированное состояние проявляется в специфическом «портрете» соматических клеток и их функциональной характеристике. Однако в пролиферирующих тканях клетки дифференцированы в разной сте­пени. Например, в эпителии на вершине ворсинки на­ходятся клетки, достигшие конечной стадии дифференцировки, тогда как клетки в криптах — камбиальных от­делах кишечного эпителия — морфологически сильно от­личаются от клеток вершины ворсинок. Однако из недиф­ференцированных клеток крипт могут возникнуть только эпителиальные клетки кишечника. В этом случае можно утверждать, что клетки крипт детерминированы, т. е. могут развиваться только в каком-либо определенном направлении. Детерминация начинается в раннем эмб­риогенезе и постепенно сужает число возможных превра­щений клеток до одного какого-либо дифференцирован­ного состояния или очень немногих.

В опытах по пересадке ядер на амфибиях, проведенных в 50-е годы, было показано, что полноценное развитие может быть обеспечено только ядрами, взятыми на самых ранних стадиях развития животных. Такие ядра называют­ся тотипотентными, т. е. способными повторить все ста­дии развития организма и дать все типы клеток. Ядра, взятые из сформировавшихся первичных зародышевых тканей, такую способность теряют. Например, эктодермальные ядра, пересаженные в энуклеированную яйце­клетку, приводили к развитию зародыша с дефектной энтодермой, и, напротив, энтодермальные ядра не спо­собны образовывать эктодерму. Позднее было показано (см. ниже), что при определенных экспериментальных условиях тотипотентность ядер клеток даже дифференци­рованных тканей может быть восстановлена, однако важно подчеркнуть, что в норме процессы сужения потенций ядер соматических клеток развиваются необратимо.

Интересные факты, касающиеся детерминации, были получены на дрозофиле. Как известно, многие насекомые, в том числе и дрозофила, развиваются путем полного метаморфоза. Это означает, что на стадии куколки про­исходит лизис личиночных тканей, кроме нервных ганг­лиев, гонад и имагинальных дисков. Из имагинальных дисков путем пролиферации и дифференцировки разви­ваются органы взрослой мухи. Они состоят из дифферен­цированных постмитотических неделящихся клеток. Има-гинальные диски можно выделить из личинки и трансплан­тировать в брюшко взрослых самок. Там под влиянием гормонов реципиента они пролиферируют без дифферен­цировки. Если их возвратить в полость тела личинки незадолго до окукливания, то они дифференцируются в строгом соответствии со своим происхождением. Так, имагинальные диски, определяющие развитие глаз, даже если они пересажены в необычное место, например в брюшную часть тела другой личинки, развиваются в глаза.

2.Эпигеномная наследственность

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 ткане-специфические 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, кариотины 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 эритро-идных 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 (типа ТАТА-бокса), регулирующих транскрипцию.

Экспериментальные данные, опровергнувшие и эту точку зрения на механизм дифференциации, были полу­чены английским ученым Дж. Гердоном в начале 60-х го­дов (рисунок 1) на Xenopus laevis. 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 же, как однояйцевые близнецы чело­века. Из опытов Гердона 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.

Рисунок 1. Клонирование Xenopus laevis - развитие взрослой особи из яйцеклетки, ядро которой заменено ядром из соматической клетки кишечного эпителия головастика:

1 — неоплодотворенное яйцо, 2 — УФ-облучение, 3 — головастик, 4 — кишечник головастика, 5— клетки кишечного эпителия, 6 — микро­пипетка, 7 — ядро эпителиальной клетки, 8 — яйцо-реципиент, 9 — бластула, 10 — неделяшаяся клетка, 11— ненормальный эмбрион, 12— взрос­лая лягушка

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. Если слить эритроциты птиц, ядра которых полностью потеряли генетическую активность, с клетками HeLa (человеческого происхождения), то в полученных гибридных клетках быстро активируются эритроцитарные ядра; в них син­тезируются РНК, ДНК и белки, специфичные для данного вида птиц. 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), то 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.

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, например 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 анимального полюса.