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, чтов 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) наXenopus 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 invitro. 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 клеткамиHeLa(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, посколькудетерминация 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.