Клонирование и тотипотентность клеток растений

Случаи несомненной способности ядер клеток взрослого организма обеспечивать развитие другого взрослого организма обнаружены только у растений. Эта способность чрезвычайно четко продемонстрирована на клетках моркови и табака. В 1958 г. Стюард и его коллеги разработали методику, позволившую получить из дифференцированной ткани корня моркови целое новое растение. Из корня моркови изолировали маленькие кусочки флоэмы и вращали в больших колбах, содержащих молоко кокосового ореха (которое на самом деле является его жидким эндоспермом). Оно содержит различные факторы и питательные вещества, необходимые для роста растений, а также гормоны, необходимые для их дифференцировки. В этих условиях клетки флоэмы делятся и формируют неорганизованную ткань, называемую каллусом. Непрерывное вращение вызывает выталкивание отдельных клеток из каллуса в суспензию. Из этих единичных суспендированных клеток образуются корнеподобные узелки, которые продолжают расти все время, пока остаются в суспензии. Если эти узелки перенести на среду, уплотненную агаром, то из них развиваются остальные части растения; в конце концов образуются целые растения моркови, способные к размножению (1970). Однако растения и животные развиваются по-разному. Вегетативное размножение отводками (т. е. частями растения, которые, получая питательные вещества, регенерируют недостающие части) представляет собой обычный прием в практике сельского хозяйства. В отличие от животных (у которых половые клетки обособляются очень рано в развитии в виде отчетливой клеточной линии) у растений в норме гаметы образуются из соматических клеток. Поэтому нет ничего удивительного в том, что единичная клетка может давать начало другому типу клеток и сформировать генетически однородный клон (от греч. klon, что означает «ветвь»).

Генетический полиморфизм

С чем могут быть связаны неудачи опытов по клонированию?

Как в генеративных, так и в соматических клетках могут происходить изменения генетического материала с помощью различных процессов рекомбинации. Такие изменения носят названия мутаций и генетического полиморфизма (ГП). ГП означает наличие небольших отклонений в первичной структуре ДНК, которые совместимы с нормальным функционированием генома.

Генетический полиморфизм может быть качественным, когда происходят замены нуклеотидов, либо количественным, когда в ДНК варьирует число нуклеотидных повторов различной протяженности. Те и другие виды ГП встречаются как в смысловых (внутригенных, преимущественно экзонных), так и внегенных (неинформативных, интрон-ных) последовательностях молекулы ДНК.

Качественный генетический полиморфизм представлен в основном однонуклеотидными заменами (SNP). Это самый частый генетический полиморфизм, встречающийся через каждые 300-400 п.о. Большинство SNP лежит в некодирующих последовательностях ДНК. Однонуклеотидные замены в смысловых частях генов получили название cSNP (code SNP). SNP отличаются большой стабильностью, их легко идентифицировать с использованием методов автоматического анализа (метод чипов). Благодаря этим очевидным преимуществам они особенно широко используются в исследованиях по картированию генов и в работах по медицинской генетике. Поражает стремительный рост данных о числе уже идентифицированных SNP в геноме человека. Так, к 1998 году их было идентифицировано около 3 000, тогда как в 1999 году список SNP насчитывает более 60 000.

Иные качественные вариации нуклеотидных последовательностей в геноме человека (инсерции, делеции, дупликации, транслокации, хроматидные перестройки) встречаются гораздо реже, чем SNP, но и значение их бывает более выраженно. Самым интересным типом среди этой группы полиморфизмов, по моему мнению, являются - мобильные элементы (или транспозоны). Транспозоны представляют собой подвижные фрагменты ДНК, которые могут интегрироваться в различные части генома. Такая ситуация наиболее хорошо изучена на примере бактерий, кукурузы и дрозофилы. У кукурузы транспозон, встроившийся в ген окраски зерен или рядом с этим геном, вызывает образование бесцветных зерен (McCHntock, 1952; Peterson, 1980). Однако после удаления транспозона из гена синтез пигмента восстанавливается. В результате наблюдается мозаичный фенотип.

Количественный генетический полиморфизм представлен, главным образом, вариациями числа тандемных повторов 1-2-х (микросателлитная ДНК), либо 3, 4 или более нуклеотидов на коровую (повторяющуюся) единицу - так называемых тандемных повторов или STR (Short Tandem Repeats). Это - минисателлитная ДНК. Наконец, повторы ДНК могут иметь и значительно большую протяженность и вариабельную по нуклеотидному составу внутреннюю структуру - VNTR (Variable Number Tandem Repeats). Как правило, такие ГП лежат вне смысловых (кодовых) участков генома. Исключение составляют только тринуклеотидные повторы. Чаще это CAG (citosine-adenme-guanme) -триплет, кодирующий глутаминовую кислоту. Они могут встречаться и в кодирующих последовательностях ряда структурных генов. В частности, такие ГП характерны для генов "болезней экспансии". В этих случаях по достижении определенной копийности тринуклеотидного (по-линуклеотидного) повтора, ГП перестают быть функционально нейтральными и проявляют себя как особый тип так называемых "динамических" мутаций. Такие мутации особенно характерны для большой группы нейродегенеративных заболеваний (хорея Гентингтона, болезнь Кеннеди, спиноцеребеллярная атаксия и др.). Характерными клиническими особенностями таких заболеваний являются: поздняя манифестация, эффект антиципации (усиления тяжести заболевания в потомстве), отсутствие эффективных методов лечения.

запрограммированные перестройки днк в онтогенезе

У многих организмов на определенных стадиях онтогенеза происходят закономерные перестройки в генетическом аппарате, основанные на работе специальных систем генетической рекомбинации. Эти перестройки участвуют в регуляции работы генов в процессе развития организмов. Такие перестройки широко распространены и у одноклеточных организмов, и в соматических клетках многоклеточных. Многие из них возникают случайно, тогда как другие закономерно происходят на строго детерминированных стадиях дифференцировки определенных типов клеток.

Примеры запрограммированных генетических перестроек:

• Развитие макронуклеуса у брюхоресничных инфузорий.

Микронуклеус-генеративное, макронуклеус – вегетативное ядро. Ма со временем стареет, у двух инфузорий одновременно происходит коньюгация, Ма разрушается, Ми делится мейозом, обмен и оплодотворение гаплоидными ядрами, митоз – на Ма и Ми, Ма претерпевает реорганизацию (политенизация, удаление спейсерных и подвижных элементов, фрагментация хромосом, образование теломер).

• Диминуция хроматина у нематод

• Амплификация генов рибосомных РНК и гистонов в ооцитах амфибий, насекомых и др.

• Формирование генов иммуноглобулинов у позвоночных.