ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ

Полиплоидия и политения. Ряд фактов говорит о том, что в процессе дифференцировки в интенсивно функционирующих соматических клетках может происходить полиплоидизация. Так, в крахмалообразующих клетках некоторых растений, в спе­циализированных клетках харовых водорослей, в клетках пе­чени и кишечного эпителия млекопитающих происходит эндомп-тоз, в результате чего в них имеет место полиплоидия.

Если Полиплоидные ядра у многоклеточных являются скорее исключением, чем правилом, то у простейших они свойственны крупным систематическим категориям. Так, у инфузорий имеет место ядерный дуализм — наличие одновременно двух ядер: ди­плоидного генеративного (микронуклеуса) и полиплоидного ве­гетативного, или соматического (макронуклеуса). Ядерный дуа­лизм — своеобразное «разделение труда» между ответственным за передачу из поколения в поколение наследственной информа­ции диплоидным микронуклеусом, гены которого фенотипически никак не проявляются и находятся в неактивном состоянии, и высокополиплоидным (до 10 000—13 000 п) макронуклеусом, контролирующим всю жизнедеятельность инфузории. Благодаря

312

высокой степени плоидности макронуклеус обладает высокой метаболической активностью, что обеспечивается вырдботкой большого количества генных продуктов. Лентовидная, четковид-ная или разветвленная форма макронуклеусов определяет их большой объем и поверхность. У некоторых инфузорий ветвле­ние макронуклеуса повторяет форму их тела.

В онтогенезе инфузории макронуклеус претерпевает своеоб­разную дифференцнровку. Перед конъюгацией он распадается, а по окончании ее образуется заново из поделившегося диплоид­ного синкариона (продукта слияния двух претерпевших мейоз гаплоидных микронуклеусов). В дальнейшем благодаря эндоми-тотическим делениям плоидность макронуклеуса увеличивается до уровня, характерного для данного вида инфузорий, он при­обретает сложную форму.

Все хромосомы каждого гаплоидного набора макронуклеуса находятся в состоянии постоянной конъюгации концами, и каж­дый такой набор вытянут в виде цепочки. Несмотря на то что макронуклеус при бесполом размножении инфузории делится амитотически, своеобразный характер конъюгации хромосом и высокая плоидность обеспечивают попадание в дочерние ядра нескольких хромосомных наборов, число которых в дальнейшем увеличивается до типичного для вида благодаря эндомитотиче-ским делениям. По этим же причинам макронуклеус способен к регенерации, что крайне важно для одноклеточного организма.

В клетках дифференцированных тканей некоторых видов жи­вотных и растений наблюдаются явления эндомитоза, полите­нии и редукции числа хромосом. Например, в клетках эпителия кишечника комара (Culex pipiens) наблюдается сначала умно­жение числа хромосом, а затем конъюгация гомологичных хро­мосом и их расхождение в митозе без редупликации, вслед­ствие чего закономерно происходит уменьшение их количества вплоть до близкого к диплоидному.

Как уже говорилось, политенное состояние хромосом харак­терно для интенсивно функционирующих ядер слюнных желез, кишечника и мальпигиевых трубок личинок двукрылых. Все эти примеры указывают на несомненную связь состояния и числа хромосом с морфо-физиологической дифференцировкой сомати­ческих клеток организма.

Пуфы и «ламповые щетки». В последние годы открыто явление изменения состояния отдельных участков хромосомы в зависи­мости от стадии развития организма. Прослеживая одни и те же диски гигантских хромосом в клетках слюнных желез личинок двукрылых (хирономуса, дрозофилы), исследователи обнару­жили, что в определенных местах хромосомы на определенной стадии развития личинки на месте некоторых дисков появляются вздутия (пуфы). Хромосомные нити в этих участках деспирали-зованы, т. е. приобретают состояние, характерное для интерфаз-

313

О п е р о н

124.

Изменение места появления вздутий в гигантской хромосоме дрозофилы при нормальном развитии и после пе­ресадки:

/ — гигантская хромосома на стадии пред-куколки; 2 — на стадии куколки; 3 —в яд­ре, пересаженном из предкуколкн в цито­плазму клеток зародыша на стадии до об­разования бластодермы; 4 — в ядре, пере­саженном из предкуколки в цитоплазму клеток зародыша на стадии завершения образования бластодермы.

ного функционирующего ядра. Это состояние непостоянно и об­ратимо. Показано, что характер вздутий меняется в разные периоды жизни личинки, причем каждый диск имеет свое «рас­писание» образования пуфов (рис. 124), а возникновение их свя­зано, как недавно показано, с синтезом РНК. В 1962 г. было установлено, что разновидности РНК, образующиеся в различ­ных пуфах, различаются по составу оснований, как и следовало ожидать, так как они — продукты разных генов. При пересадке ядер из клеток слюнных желез предкуколки в клетки зародыша, находящегося на более ранних этапах развития, изменяется место появления вздутий. Таким образом, на разных этапах раз­вития личинки функционируют различные участки хромосом, а следовательно, и разные гены.

Существуют тесные функциональные отношения между пу­фами и деятельностью желез внутренней секреции. Так, в пе­риод линьки личинок хирономуса (Chironomus) пуфы в опреде­ленных участках /ромосом образуются в строгой последователь­ности. Точно такую же последовательность можно вызвать, инъецируя гормон линьки экдизон личинкам, только что прошед­шим линьку.

К. Секарис и Н. Ланг в 1964 г. установили, что механизм действия гормонов состоит в индукции синтеза определенного типа и-РНК. У личинок в период окукливания в эпидермисе вы­рабатывается фермент декарбоксилаза. Его образование можно вызвать с помощью экдизона. Личинкам каллифоры (Calli-phora) вводился экдизон, затем выделялись из их клеток ядра,

314

 

Ген -       Структурные оператор          гены —* А     б    в --^Н—I------ 1----- 1----- 1----- (— Уромосома

Ген - регулятор Хромосома | | —

белок - фермент

белок - репрессор

^м етадолит **'

а из них и-РНК. Эта и-РНК добавля-                                   125

Схема, иллюстрирующая ра­боту системы регулятор — оперон. Объяснения в тек­сте.

лась к белоксинтезирующей системе рибосом печени. Оказалось, что в при­сутствии такой и-РНК система выра­батывает несвойственный ей фер­мент — декарбоксилазу. В то же

время  и-РНК личинок, не получавших экдизона, не вызывает синтеза этого фермента в рибосомной системе печени.

Свидетельством того, что разные гены функционируют на разных этапах дифференцировки, служат также хромосомы типа «ламповых щеток» в ооцитах некоторых позвоночных (см. гл. 2). Установлено, что петля «ламповых щеток» пред­ставляет деспирализованный участок хромосомы. Поскольку хромосома может функционировать лишь в деспирализованном состоянии, то следует сделать вывод, что петли — активно функ­ционирующие участки. На тритоне (Triturus) показано, что существует ряд: от локусов, образующих гигантские петли, до хромомеров, имеющих очень небольшие петли. Доказательством того, что петля — показатель функционирования гена, служит тот факт, что у гомозиготных форм в идентичных локусах на­блюдаются одинаковые петли, но у гетерозигот в ряде случаев идентичные локусы в гомологичных хромосомах имеют петли разной величины и формы. Таким образом, изучение пуфов и «ламповых щеток» позволило сделать вывод о том, что в один и тот же момент разные гены имеют различную функциональ­ную активность.

Система регулятор — оператор — структурный ген. Система регуляции активности генов во времени была открыта и изучена Ф. Жакобом и Ж. Моно на молекулярном уровне у бактерий (рис. 125). Эта система состоит из генов трех типов: нескольких структурных генов, ответственных за синтез белков-фермен­тов, гена-оператора и гена-регулятора. Ген-оператор и тесно

315

сцепленные с ним и друг с другом структурные гены образуют единицу, названную опероном. В одних случаях (индукция) ген-регулятор вырабатывает белок-репрессор, который присоединя­ется к гену-оператору и «запирает» оперон. Определенный мета­болит по мере накопления в клетке соединяется с белком-репрес-сором и заставляет его отъединиться от гена-оператора: оперон начинает работать. В другом случае (репрессия) белок-репрес­сор в свободном состоянии не способен действовать на ген-опера­тор (оперон работает, белок синтезируется), И только метаболит, присоединяясь к белку-репрессору, заставляет его блокировать оперон (синтез белка прекращается).

Отделение структурных генов от гена-оператора в результате хромосомных перестроек может вывести эти гены из-под кон­троля исходного оператора и связать их с другим опероном. Так, у кишечной палочки была получена деления, которая соединила фрагменты лактозного и пуринового оперонов, причем оператор этого сложного оперона был пуриновый, а структурные гены — лактозные. В результате при добавлении в среду пуринов проис­ходила необычайная репрессия белков лактозной области.

Описанный пример позволяет сделать предположение, что объединение в результате хромосомных перестроек оператора и структурных генов, принадлежащих к разным оперонам, может являться молекулярным механизмом эффекта положения гена (см. гл. 13).

Поскольку регулятор расположен не в непосредственной близости от оператора, белок-репрессор может влиять на него только через клетку, а так как метаболиты клетки, связывая в определенный момент репрессор, позволяют функционировать оператору, следует прийти к выводу, что по крайней мере у тех микроорганизмов, у которых найдена эта система, существует хромосомно-плазматическая регуляция функционирования генов.

*     *

*

Таким образом, самые ранние этапы онтогенеза — дробление зиготы — обеспечиваются цитоплазмой яйцеклетки, дифферен­цированной до оплодотворения благодаря наличию в ней ген­ных продуктов материнского организма. В дальнейшем генетиче­скими механизмами дифференцировки являются полиплоидия и политения в отдельных клетках и тканях и дифференциаль­ное функционирование генов во времени.

Глава 22. ДЕЙСТВИЕ ГЕНА

Как уже говорилось, главной проблемой онтогенетики яв­ляется анализ действия гена в формировании признака, уста­новление промежуточных звеньев в цепи ген — признак. Когда и как ген начинает действовать?

В главе 16 было изложено современное представление о на­чальном механизме действия гена — синтезе специфических белков по схеме ДНК — РНК — белок, согласно которому по­следовательность нуклеотидов в гене определяет последова­тельность аминокислот в молекуле белка, а замена одной пары нуклеотидов на другую в результате мутации может привести к изменению одной аминокислоты в белковой молекуле.

ЦЕПИ БИОСИНТЕЗА

Каким же образом изменения гена приводят к изменению обмена веществ и далее к изменению фенотипа? Удобной мо­делью для изучения действия мутантных генов, влияющих на биосинтез различных веществ, послужили микроорганизмы, на­пример нейроспора. Нейроспора растет на питательной среде, содержащей минеральные соли, сахар и витамин В (минималь­ная среда). В процессе роста формы дикого типа синтезируют все вещества, являющиеся необходимыми компонентами прото­плазмы— аминокислоты, витамины и др. (см. гл. 15). Биохи­мические мутанты нейроспоры теряют способность синтезиро­вать какое-либо из указанных соединений и без добавки его в среду не растут. Оказалось, что потребность в каком-либо веществе, как правило, бывает связана с мутацией одного гена. Поскольку биосинтез какого-либо вещества представляет слож­ную цепь реакций, блокирование различных ступеней этой цепи в результате различных мутаций будет приводить к потребности в одном и том же конечном продукте или в том конкретном промежуточном метаболите, синтез которого блокирован.

Примером изучения процессов биосинтеза может служить анализ синтеза никотиновой кислоты у нейроспоры. Последова­тельные этапы этого процесса были выявлены посредством вы­деления мутантов, неспособных синтезировать никотиновую ки­слоту. Они различались по потребности в определенном пред­шественнике этой кислоты, без добавки которого не росли на минимальной среде, и по накоплению того или иного мета­болита. Было показано, что генетическое блокирование мо­жет возникать на любом из шести этапов, представленных на

317

рисунке 126. Например, мутант, определяющий блок на стадии 4, накапливает триптофан. Нормальный рост этого штамма обес­печивался добавкой в среду кинуренина и оксиантраниловой кислоты, но добавка предшествующих метаболитов — индола, антраниловой кислоты и фенилаланина не нормализовала его рост. Мутант, блокирующий синтез на стадии 3, накапливает индол и нормально растет лишь при добавке в среду трипто­фана, кинуренина и оксиантраниловой кислоты. Он не растет при добавлении антраниловой кислоты и фенилаланина. Сопо­ставляя метаболические характеристики этих двух мутантов, можно определить, что у второго синтез никотиновой кислоты блокирован на более ранней ступени. Этим методом были вы­явлены все шесть представленных здесь ступеней метаболизма. Подобный механизм генетического блокирования биосинтеза встречается у самых разных организмов. Примером этому мо­жет служить обмен тирозина у человека (см. гл. 13).

Как уже говорилось, любой признак организма определяется многими генами, в конечном счете всем генотипом. С другой стороны, каждый ген обладает множественным, т. е. плейотроп-ным, эффектом. Возможно, что величина плейотропного эффекта зависит от времени вступления гена в действие в ходе онтоге­неза. Чем раньше это происходит, тем вероятнее, что ген вызо­вет более глубокие изменения в развитии и повлияет на многие признаки и свойства. На это указывает тот же пример с нейро-спорой. Чем более ранний этап цепи биосинтеза блокируется, тем большее число метаболитов не синтезируется клеткой.

ВРЕМЯ ДЕЙСТВИЯ ГЕНА

Биохимическая дифференцировка предшествует морфологи­ческой. Изучение начальных биохимических этапов действия генов хотя и чрезвычайно сложно, но позволяет полнее всего ответить на вопрос о механизме действия гена. Поэтому гене­тики пошли по пути исследования начального проявления му-тантного признака в эмбриогенезе.

Так, у домашней мыши (Mus musculus) обнаружена серия множественных аллелей в локусе Т. Многочисленные аллели локуса Т в различных сочетаниях в компаунде вызывают либо смерть зародышей на разных стадиях эмбриогенеза, либо раз­витие жизнеспособных с нормальными хвостами или бесхво­стых мышей (табл. 16). Из приведенного примера генетико-эмбриологического подхода к изучению действия гена видно, что комбинирование мутантных аллелей в генотипе позволяет моделировать эмбриогенез, т. е. останавливать или изменять направление развития.

Роль генов в индукционных отношениях между тканями. Морфогенез и дифференцировка каждой ткани и органа проис-

318

 

Фенилаланин асоон АнтранилоВая кислота

-соон

Никотиновая кислота

+ серин

Индол Н

О

 СООН NH_Z ОН 0 ксиантранило 8 ая кислота

А On CCH2CHNH2C00H NH2

\

^^

5

CH₂CHNH₂C00H

Кинуренин

н

Триптофан

126.

Схема биосинтеза триптофана и образования никотиновой кислоты у ней-

роспоры:

1—6 — блокирование биохимических реакций, определяемое различными генами.

ходит в окружении других тканей в организме, представляющем собой целостную систему. Поэтому естественно предположить, что дифференцировка любой ткани есть результат ее сложного взаимодействия с другими тканями организма. Примером этому могут служить уже рассмотренные индукционные отношения между тканями зародыша.

319

Таблица 16

Проявление аллелей локуса Т у домашней мыши

 

Генотип	Жизнеспособность	Фенотип
t+t /"/1 77"	Жизнеспособный » »	Нормальный хвост То же Укороченный хвост
Tf ТТ	Нежизнеспособ-	Бесхвостый Гибнет
М»	ный	на 11-й день Гибнет
tn»	»	иа 9-й день Гибнет на 6-й день

Удобнее всего изучать проблему дифференцировки на мута­циях, вызывающих определенные отклонения от нормального развития. Например, у мышей известна мутация карликовости (dw). Такие мыши оказываются карликами вследствие того, что у них гипофиз, не вырабатывает гормон роста питуитрин. Значит, в данном случае действие гена карликовости прояв­ляется первоначально в недоразвитии секреторных клеток пе­редней доли гипофиза, а следствием этого является замедление общей скорости роста, поэтому карликовая мышь — уменьшен­ная копия нормальной. Если новорожденному мышонку кар­лику инъецировать экстракт гипофиза, то он достигнет нор­мальных размеров.

Мутантный ген может и в разной степени изменять скорость роста различных органов. В этом случае нормальные пропор­ции будут нарушаться. Например, у кур есть доминантный ген коротконогости (Ср), вызывающий уменьшение скорости роста эмбриона, начиная с Зб-часового возраста. Но в первую очередь и в большей мере он замедляет рост наиболее быстро растущих в этот момент зачатков ног.

ТРАНСПЛАНТАЦИЯ КАК МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ ДЕЙСТВИЯ ГЕНА

Характер взаимодействия между дифференцирующимися тка­нями изучают методом трансплантаций (пересадок) тканей. На­пример, из зачатков конечностей куриного эмбриона генотипа СрСр, пересаженных в нормальный зародыш, развиваются ко­роткие ноги. Следовательно, зачатки ног СрСр автономны в раз­витии, т. е. эта аномалия определяется генотипом самой ткани.

Но если от такого же мутантного эмбриона взять зачатки глаз, которые имеют уменьшенные размеры, что плейотропно опре­деляется тем же геном Ср, и также пересадить в нормальный зародыш, то из них разовьются нормальные глаза. Значит, за­чатки глаз СрСр не автономны, и их морфогенез определяется генотипом окружающих тканей. Очевидно, у эмбриона СрСр не обеспечиваются нормальные условия для развития глаза.

Эксперименты по трансплантации осложнены иммунологи­ческой несовместимостью тканей, которая определяется наслед­ственностью донора и реципиента. Совместимость и несов­местимость, детерминируемые генами, являются парой альтер­нативных признаков. Несовместимость вызывается тем, что у рецессивного реципиента образуются антитела, вызываемые антигенами донора, которые определяются доминантным геном. Для приживления пересаженной ткани необходимо наличие этого гена и у донора, и у реципиента. Например, ткань донора генотипа АА и Аа приживается у реципиента АА и Аа, но не приживается — у аа, в то время как ткань донора аа прижи­вается у реципиента только такого же генотипа — аа.

Иммунологическая несовместимость тканей в хирургической практике препятствует пересадке органов и тканей у человека.

Возвращаясь к проблеме дифференцировки, можно заклю­чить, что наследственные изменения могут действовать на мор­фогенез непосредственно той ткани, генотип которой изменен (зачатки ног Ср) и дистантно посредством общего изменения металолизма (зачатки глаз Ср) и специфических химических посредников (гормон роста питуитрин).

Устанавливающиеся в процессе развития индукционные от­ношения могут нарушаться при изменении генотипа. Например, у мышей в норме зачаток хорды индуцирует в окружающей его мезодерме образование позвонков. Но у мышей генотипа ТТ мезодерма утрачивает эту способность — образование позвонков нарушается, и эмбрион погибает. Опыты с культурой тканей показывают, что нормальная мезодерма и в присутствии за­чатка хорды мутантного зародыша образует сегменты позвон­ков, но мезодерма мутантного эмбриона даже при наличии нормального зачатка хорды не способна к их образованию.

*     *

*

Таким образом, благодаря действию отдельных генов в си­стеме генотипа осуществляются цепи биосинтеза. Дифференци-ровка тканей происходит в результате их сложного взаимодей­ствия друг с другом — индукционных отношений. Действие ге­нов на дифференцировку тканей и индукционные отношения между ними проявляется посредством общего изменения мета­болизма или специфических химических посредников.

320

Глава 23. ГЕНОТИП И ФЕНОТИП

Генотип является определенной системой взаимодействую­щих генов. Фенотип — это система признаков и свойств орга­низма, результат реализации генотипа в определенных условиях внешней среды. В фенотипе никогда не реализуются все гено-типические возможности, фенотип каждого организма есть лишь частный случай проявления его генотипа в конкретно сложив­шихся условиях развития. Реализация генотипа в фенотипе ограничена конкретными условиями внешней среды, в которых протекает развитие.

---

Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 422; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!