Тотіпотентність ядра соматичної клітини.

Дж. Гердон продемонстрировал возможность полного развития Xenopus laevis на основе генетической информации ядра сомати­ческой клетки. Неоплодотворенные яйца X. laevis облучали боль­шими дозами ультрафиолетового света и таким образом убивали их ядра. Затем в энуклеированное яйцо инъецировали ядро из эпителия кишечника головастика. В ряде случаев из таких яиц развились головастики, а затем взрослые лягушки.

В качестве генетического маркера, гарантировавшего чистоту эксперимента, было использовано число ядрышек. Лягушки, от которых брали ядра, образовывали два ядрышка на ядро, т. е. каж­дый ядрышковый организатор гомологичных хромосом функцио­нировал нормально. В качестве донора соматических ядер исполь­зовали X. laevis гетерозиготных по делеции ядрышкового органи­затора, и потому имевших только одно ядрышко на ядро. Все ля­гушки, развившиеся в результате пересадки ядер, имели по одному ядрышку.

Таким образом, эти эксперименты показали, что дифференци- ровка клеток в онтогенезе не обязательно сопровождается необра­тимой инактивацией генетического материала ядра, а проблема ге­нетического контроля индивидуального развития тесно связана с проблемой дифференциальной экспрессии генов.

Тотипотентность соматических клеток растений дает большие возможности для изучения дифференциального действия генов в онтогенезе. Так, сравнивая спектры изозимов, например перокси- дазы, в недифференцированной каллусной ткани и в дифферен­цированных органах (корнях, листьях и т.д.) регенерантов, мож­но убедиться, что в каллусах образуется максимальный спектр изозимов пероксидазы, а в листьях или корнях целого растения спектр изозимов сужается. При дифференцировке происходит ре­прессия синтеза некоторых изозимов.

Сравнение яйца или гаструлы с соматическими клетками жи­вотных показывает, что в первом случае синтезируется гораздо больше различных типов иРНК, чем во втором. Таким образом, встает вопрос об уровнях и механизмах обеспечения дифферен­циальной экспрессии генов.

Дифференциальная экспрессия генов, т. е. регуляция их актив­ности в зависимости от сигналов, поступающих извне, может проис­ходить на уровне любого известного матричного процесса; репли­кации, транскрипции, трансляции, а также в процессе созревания иРНК и полипептидных цепей, образующихся в результате транс­ляции.

Дифференциальная репликация отдельных участков генетиче­ского материала известна у прокариот и у эукариот. Ампли­фикацию экстрахромосомных копий ДНК, кодирующей рРНК, наблюдали в ядрышках ооцитов многих животных, а также при мегаспорогенезе растений. Амплификация рДНК заключается в том, что одна из ее копий, содержащая многократные повторы генов, кодирующих рРНК, покидает хромосому — область ядрыш­кового организатора и затем многократно реплицируется по меха­низму катящегося кольца. Этим достигается усиленный синтез рибосом в ооците, обеспечивающий ранние этапы развития после оплодотворения.

В гигантских хромосомах слюнных желез двукрылых наблю­дается большая политенизация отдельных участков хромосом. Само образование политенных хромосом указывает на то, что реп­ликация в различных соматических клетках происходит неодина­ково. Об этом же свидетельствует и сравнение репликонов — единиц репликации различных соматических клеток. Размеры реп­ликонов в ходе дифференцировки тканей изменяются.

Дифференциальная транскрипция генов в онтогенезе хорошо заметна при образовании хромосом типа ламповых щеток. Другой яркий пример дифференциальной тран­скрипции связан с образо­ванием пуфов в гигантских хромо­сомах двукрылых. Одним из важных регу­ляторов образования пу­фов и, следовательно, дифференциальной тран­скрипции генов у насеко­мых являются стероидные гормоны, в частности гор­мон линьки — экдизон. Показано также влияние белков, синтезированных более ранними пуфами, на развитие более поздних пуфов. Изменение структуры хроматина, его декомпактизация, наблю­даемая при образовании пуфов, также является одним из условий, обеспечивающих дифференциальную активность генов.

Дифференциальная трансляция, т. е. синтез белка только на определенных иРНК или регуляция синтеза белка на одной и той же иРНК, показана для РНК-содержащих бактериофагов Е.coli, а также при синтезе глобинов на стабильных иРНК безъядерных ретикулоцитов млекопитающих. В последнем случае показано, что избыток гемина стимулирует синтез глобина. Гемин инактивирует белок, который репрессирует, т. е. «запрещает» синтез α- и β-цепей глобина. На этой же модели показано, что некоторые фракции тРНК играют роль модуляторов, задающих темп трансляции. тРНК-мо- дуляторы служат лимитирующим фактором в трансляции, «узна­вая» какой-либо уникальный кодон иРНК. Возможность дифференциальной трансляции основывается на существовании стабильных иРНК, а также на сохранении иРНК в цитоплазме в виде информосом — комплекса иРНК с белками.

Дифференциальное созревание продуктов транскрипции и транс­ляции. Созревание транскриптов подразумевает модификацию их отдельных оснований и сплайсинг про-иРНК.

Активность многих белков определяется их пост-трансляцион­ной модификацией — фосфорилированием, ацетилированием, а в ряде случаев расщеплением исходной полипептидной цепи на бо­лее мелкие фрагменты.

Широко распространен механизм регуляции активности фер­ментов, основанный на присоединении к ним молекул-эффекторов (конечные продукты цепей биосинтеза, которые связываются с первым или с одним из первых ферментов данного метаболического пути и подавляют его активность, тем самым выключая всю цепь синтеза). Это ингибиро­вание конечным продуктом, благодаря которому регулируются сра­зу несколько этапов метаболизма. Конечный продукт связывается с ферментом не в его активном центре, а в аллостерическом центре, и такое взаимодействие индуцирует изменение (инактива­цию) активного центра фермента.

Таким образом, дифференциальная активность генетического материала может обеспечиваться регуляцией разных уровней его экспрессии, от репликации до ферментативной активности бел- ков – генных продуктов.