Тотипотентность ядер и их дифференцировка

В связи с уточнением знаний о механизмах митоза и развитием хромосомной теории наследственности стало очевидно, что идея А. Вейсмана о неравнонаследственных делениях ядер, во всяком случае в ее первоначальной трактовке, не соответствует действительности. Однако тот несомненный факт, что в дифференцированных клетках активна лишь часть генома, сделал возможным прочтение гипотезы Вейсмана в ином варианте: необратимо инактивирована бóльшая часть генома, в результате чего активной остается лишь часть генов, специфичных для каждой ткани. Убедительные данные для решения этого вопроса были получены только после 1952 г., когда американские исследователи Р. Бриггс и Т. Кинг предложили метод пересадки ядер из клеток зародыша в яйцо лягушки, из которого извлекалось ядро. Эти опыты показали, что во всяком случае на стадии бластулы ядра еще не испытывают необратимых изменений: значительная часть пересаженных ядер обеспечивала нормальное развитие. Однако при переходе к более поздним стадиям и использовании ядер все более дифференцированных зачатков процент нормальных зародышей‑трансплантантов прогрессивно уменьшался. Далее сами авторы метода установили, что большинство «неудачных» пересадок, приводивших к патологическому развитию, связано с хромосомными аберрациями, возникающими в пересаженных ядрах. Тем не менее, Гердону, несколько модифицировавшему этот метод, удалось получить нормальных половозрелых лягушек из яиц, в которые были пересажены ядра из клеток кишечника питающегося головастика. И хотя процент таких удачных пересадок по‑прежнему невелик, в принципе проблему можно считать решенной: ядра дифференцированных клеток сохраняют всю генетическую информацию, которая может быть реализована в соответствующих условиях. Причиной же неудачных экспериментов являются в основном трудности в пересадке неповрежденных ядер. Эта точка зрения принята сейчас большинством исследователей. Следует указать, однако, некоторые факты, противоречащие ей.

1. В ряде опытов Бриггса и Кинга были получены дефектные зародыши, в клетках которых не наблюдалось цитологически заметных хромосомных аберраций.

2. Опыты по пересадке ядер из других тканей (не из кишечника головастика) и от головастиков еще более поздних стадий не привели к успеху.

3. У отдельных видов (аскариды, некоторые насекомые), на ранних стадиях развития происходит закономерная потеря частей (диминуция) или целых хромосом (элиминация), которой избегают только клетки зародышевого пути, дающие начало половым клеткам. Обнаружены специальные цитоплазматические структуры, содержащие РНК и ответственные за сохранение целостности хромосом в будущих половых клетках этих видов. Однако и у видов, для которых ни диминуция, ни элиминация хромосом не описаны (дрозофилы, амфибии), детерминация клотик зародышевого пути также происходит на очень ранних стадиях развития и определяется факторами цитоплазмы, содержащими РНК.

Таким образом, хотя в ядрах дифференцированных клеток сохраняется весь геном, его большая часть остается репрессированной; или правильнее сказать, что в ходе развития в полностью репрессированных ядрах (РНК не синтезируется) дерепрессируется часть генов, специфичных для данной ткани. Следовательно, ядра клеток разных тканей отличаются друг от друга, что и дает основание считать их дифференцированными.

Об этом свидетельствуют и биохимические данные. Опыты по гибридизации ДНК на ДНК и РНК на ДНК показали, что в то время как ДНК разных тканей совершенно тождественны друг другу, синтезирующаяся в них РНК в той или иной степени качественно различна. Однако сам факт дифференцировки ядер не требует таких строгих доказательств. Морфологические особенности ядер из разных тканей, различия в их размерах, форме, сродстве к красителям – все это достаточно хорошо иллюстрирует различия их функций. Некоторые примеры в этом отношении особенно показательны. Одним из таких примеров могут служить уже упоминавшиеся ламповые щетки ооцита. Точных данных о том, какая часть генов активна в этих хромосомах, пока еще нет (по‑видимому, она близка к 3 %). Но очевидно, что активны те гены, которые ответственны за синтез белков, необходимых для оогенеза и раннего развития. То обстоятельство, что одно ядро – зародышевый пузырек – вынуждено в этом случае обеспечивать очень большую клетку (в десятки, а иногда сотни тысяч раз большую, чем обычно), и привело к тому, что эти хромосомы так сильно специализированы. Характерно, однако, что эта, казалось бы, крайне узкая специализация полностью обратима – в конце созревания яйца хромосомы зародышевого пузырька преобразуются в обычные хромосомы женского ядра, несущие информацию для всего будущего зародыша и являющиеся звеном зародышевого пути.

Другим, еще более изученным примером ядерной дифференцировки, являются гигантские политенные хромосомы слюнных желез личинок двукрылых насекомых. Их дифференцировка выражается в образовании характерных вздутий – пуффов, в которых происходит усиленный синтез иРНК. Локализация и порядок появления этих пуффов закономерно изменяются в ходе личиночного развития и зависят от тех же факторов, которые определяют развитие – в частности, гормонов линьки и окукливания. На примере этих пуффов удается наблюдать почти непосредственное влияние гормона окукливания – экдизона – на активность генов.

Доказательством дифференциальной активности генов в зависимости, как от времени развития, так и от их локализации в зародыше служат многочисленные наблюдения над проявлением различных мутаций. Одни из них обнаруживаются уже на очень ранних стадиях, другие только во взрослом организме; одни затрагивают целые группы тканей, другие только единственный тип клеток. Таким образом, уже с самого начала функционирования ядер проявляется их дифференцировка, усиливающаяся в ходе развития.

Хромосомный набор клеток слюнных желез хирономуса Chironomus tentants (по Биерману и Клеверу, 1964).

Условно можно различать три группы генов. Первую составляют гены, функционирующие во всех клетках организма. Сюда относятся гены, ответственные за образование ферментов энергетического обмена, синтез макромолекул, образование общих для всех клеток структур и т. д. Ко второй относятся гены, функционирующие в клетках ткани одного типа, например, те, которые определяют синтез миозина во всех мышечных тканях, коллагена во всех опорных тканях и т. д. В третью группу входят гены, специфичные для данного типа клеток. В ряде случаев это само собою очевидно. Так, синтез гемоглобина происходит только в эритробластах и только в них активны соответствующие гены. Также специфичен синтез многих гормонов, трипсина, амилазы и т. д. Однако и внешне одинаковые клетки должны различаться по активности некоторых генов, если клетки эти находятся в разных органах. Например, форма хрящей позвонка отличается от формы хрящевого скелета пальцев потому, что в них активны гены, специфические для этих органов. Это убедительно доказывается, в частности, мутациями, изменяющими число пальцев. Следовательно, в образовании каждого хряща, каждой мышцы должны участвовать свои особые гены, определяющие форму только этого органа и функционирующие только в нем.