31.Строение гена у про- и эукариот.

Организация генома прокариот.Прокариоты. Геном прокариот. Лактозный оперон

 Прокариоты – это организмы, в клетках которых отсутствует оформленное ядро. Его функции выполняет нуклеоид (то есть «подобный ядру»); в отличие от ядра, нуклеоид не имеет собственной оболочки.

Тело прокариот, как правило, состоит из одной клетки. Однако при неполном расхождении делящихся клеток возникают нитчатые, колониальные и полинуклеоидные формы (бактероиды). В прокариотических клетках отсутствуют постоянные двумембранные и одномембранные органоиды: пластиды и митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и их производные. Их функции выполняют мезосомы – складки плазматической мембраны. В цитоплазме фотоавтотрофных прокариот имеются разнообразные мембранные структуры, на которых протекают реакции фотосинтеза. Иногда их называют бактериальными хроматофорами.

Специфическим веществом клеточной стенки прокариот является муреин, однако у некоторых прокариот муреин отсутствует. Поверх клеточной стенки часто имеется слизистая капсула. Пространство между мембраной и клеточной стенкой служит резервуаром протонов при фотосинтезе и аэробном дыхании.

Размеры прокариотических клеток изменяются от 0,1-0,15 мкм (микоплазмы) до 30 мкм и более. Большинство бактерий имеет размеры 0,2-10 мкм. У подвижных бактерий имеются жгутики, основой которых служит белки флагеллины.

 Организация генома прокариот (на примере кишечной палочки)

Основу генетического аппарата кишечной палочки составляет бактериальная хромосома, входящая в состав нуклеоида – ядерноподобной структуры. Нуклеоид по морфологии напоминает соцветие цветной капусты и занимает примерно 30% объема цитоплазмы. Бактериальная хромосома представляет собой кольцевую двуспиральную правозакрученную молекулу ДНК, которая свернута во вторичную спираль. Длина бактериальной хромосомы составляет примерно 4,7 млн. нуклеотидных пар (п.н.), или ~ 1,6 мм. Вторичная структура хромосомы поддерживается с помощью гистоноподобных (основных) белков и РНК. Точка прикрепления бактериальной хромосомы к мезосоме (складке плазмалеммы) является точкой начала репликации ДНК (эта точка носит название OriC). Бактериальная хромосома удваивается перед делением клетки, и сестринские копии распределяются по дочерним клеткам с помощью мезосомы. Репликация ДНК идет в две стороны от точки OriC и завершается в точке TerC. Молекулы ДНК, способные себя воспроизводить путем репликации, называются репликоны.

Одна бактериальная хромосома содержит до 1000 известных генов. Обычно это гены «домашнего хозяйства», то есть необходимые для поддержания жизнедеятельности клетки.

Все множество известных генов делится на 10 групп, контролирующих следующие процессы (в скобках указано количество изученных генов):

1. Транспорт различных соединений и ионов в клетку (92).

2. Реакции, поставляющие энергию, включая катаболизм различных природных соединений (138).

3. Реакции синтеза аминокислот, нуклеотидов, витаминов, компонентов цепей переноса электронов, жирных кислот, фосфолипидов и некоторых других соединений (221).

4. Генерация АТФ при переносе электронов (15).

5. Катаболизм макромолекул (22).

6. Аппарат белкового синтеза (164).

7. Синтез нуклеиновых кислот, включая гены, контролирующие реком­бинацию и репарацию (49).

8. Синтез клеточной оболочки (42).

9. Хемотаксис и подвижность (39).

10. Прочие гены, в том числе с неизвестной функцией (110).

В лаг–фазе в клетке имеется одна бактериальная хромосома, но в фазе экспоненциального роста ДНК реплицируется быстрее, чем происходит деление клетки; тогда число бактериальных хромосом на клетку увеличивается до 2...4...8. Такое состояние генетического аппарата называется полигаплоидностью.

При делении клетки сестринские копии бактериальной хромосомы распределяются по дочерним клеткам с помощью мезосомы.

Кроме бактериальной хромосомы в состав генетического аппарата прокариот входит множество мелких репликонов – плазмид – кольцевых молекул ДНК длиной в тысячи п.н. Плазмиды такого размера содержат несколько десятков генов. Обычно это «гены роскоши», обеспечивающие устойчивость к антибиотикам, тяжелым металлам, кодирующие специфические токсины, а также гены конъюгации и обмена генетическим материалом с другими особями. Известны также мелкие плазмиды длиной 2...3 тпн, кодирующие не более 2 белков. У многих бактерий открыты мегаплазмиды длиной порядка миллиона пн, то есть немногим меньше бактериальной хромосомы. Плазмиды могут быть прикреплены к мезосомам, могут находиться в автономном состоянии и в интегрированном состоянии. В последнем случае плазмида включается в состав бактериальной хромосомы в определенных точках attB. Таким образом, одна и та же плазмида может включаться в состав хромосомы и может вырезаться из нее. Существуют плазмиды, представленные одной копией – они реплицируются синхронно с ДНК бактериальной хромосомы. Другие плазмиды могут быть представлены многими копиями, и их репликация происходит независимо от репликации бактериальной хромосомы. Репликация свободных плазмид часто протекает по принципу «катящегося кольца» – с одной кольцевой матрицы ДНК считывается «бесконечная» копия.

Репликация плазмид может быть синхронизирована с репликацией бактериальной хромосомы, но может быть и независимой. Соответственно, распределение плазмид по дочерним клеткам может быть точным или статистическим.

 Молекулярно-генетические системы управления

(на примере лактозного оперона кишечной палочки)

Все гены организма можно разделить на две большие группы: конститутивные и индуцибельные.

Конститутивные гены постоянно включены: они функционируют на всех стадиях онтогенеза и во всех тканях. К конститутивным относятся гены, кодирующие тРНК, рРНК, ДНК-полимеразы, РНК-полимеразы, белки-гистоны, белки рибосом и т.д. Иначе говоря, это «гены домашнего хозяйства», или существенные гены без которых клетки не могут существовать.

Индуцибельные гены функционируют в разных тканях на определенных этапах онтогенеза, они могут включаться и выключаться, их активность может регулироваться по принципу «больше или меньше». Это тканеспецифичные гены, или «гены роскоши», которые часто являются несущественными. Включение индуцибельных генов называется индукцией, а выключение – репрессией. Регуляцию активности генов производят молекулярно-генетические системы управления.

Переключение генов лучше всего изучено у бактерий – одноклеточных организмов. Рассмотрим механизмы регуляции активности генов на примере лактозного оперона кишечной палочки.

Оперон – участок бактериальной хромосомы, включающий следующие участки ДНК: Р – промотор, О – оператор, Z, Y, А – структурные гены, Т – терминатор. (В состав других оперонов может входить до 10 структурных генов.)

Промотор служит для присоединения РНК-полимеразы к молекуле ДНК с помощью комплекса CAP-цАМФ (CAP – специфический белок; в свободной форме является неактивным активатором; цАМФ – циклоаденозинмонофосфат – циклическая форма аденозинмонофосфорной кислоты).

Оператор способен присоединять белок–репрессор (который кодируется соответствующим геном). Если репрессор присоединен к оператору, то РНК-полимераза не может двигаться вдоль молекулы ДНК и синтезировать иРНК.

Структурные гены кодируют три фермента, необходимые для расщепления лактозы (молочного сахара) на глюкозу и галактозу. Молочный сахар лактоза – менее ценный продукт питания, чем глюкоза, поэтому в присутствии глюкозы сбраживание лактозы является невыгодным для бактерии процессом. Однако при отсутствии глюкозы бактерия вынуждена переходить на питание лактозой, для чего синтезирует соответствующие ферменты Z, Y, А.

Терминатор служит для отсоединения РНК-полимеразы после окончания синтеза иРНК, соответствующей ферментам Z, Y, А, необходимым для усвоения лактозы.

Для регуляции работы оперона необходимы еще два гена: ген, кодирующий белок–репрессор, и ген, кодирующий белок СYА. Белок СYА катализирует образование цАМФ из АТФ. Если в клетке имеется глюкоза, то белок СYА вступает с ней в реакцию и переходит в неактивную форму. Таким образом, глюкоза блокирует синтез цАМФ и делает невозможным присоединение РНК-полимеразы к промотору. Итак, глюкоза является репрессором.

Если же в клетке имеется лактоза, то она взаимодействует с белком–репрессором и превращает его в неактивную форму. Белок–репрессор, связанный с лактозой, не может присоединиться к оператору и не преграждает путь РНК-полимеразе. Итак, лактоза является индуктором.

Предположим, что первоначально в клетке имеется только глюкоза. Тогда белок–репрессор присоединен к оператору, а РНК-полимераза не может присоединиться к промотору. Оперон не работает, структурные гены выключены.

При появлении в клетке лактозы и при наличии глюкозы белок–репрессор отщепляется от оператора и открывает путь РНК-полимеразе. Однако РНК-полимераза не может присоединиться к промотору, поскольку глюкоза блокирует синтез цАМФ. Оперон по-прежнему не работает, структурные гены выключены.

Если же в клетке имеется только лактоза, то белок–репрессор связывается с лактозой, отщепляется и открывает путь РНК-полимеразе. В отсутствии глюкозы белок СYА катализирует синтез цАМФ, и РНК-полимераза присоединяется к промотору. Структурные гены включаются, РНК-полимераза синтезирует иРНК, с которой транслируются ферменты, обеспечивающие сбраживание лактозы.

Таким образом, лактозный оперон находится под двойным контролем индуктора (лактозы) и репрессора (глюкозы).

 Организация генома эукариот

Эукариоты. Геном эукариот.  

Количественные особенности генома эукариот

Главная количественная особенность генетического материала эукариот –  наличие избыточной ДНК. Этот факт легко выявляется при анализе отношения числа генов к количеству ДНК в геноме бактерий и млекопитающих. Если средний размер гена бактерий 1500 пар нуклеотидов (п.н.), а длина кольцевой молекулы ДНК хромосомы Е. coli и В. subtilis составляет свыше 1 мм, то в такой хромо­соме могут разместиться около 3 тысяч генов. Примерно такое число генов было экспериментально определено у бактерий по числу типов иРНК. Если это число умножить на средний размер гена, то получится, что около 95% генома бактерий состоит из кодирующих (генных) последовательностей. Остальные 5%, по-видимому, заняты регуляторными элементами. Иная картина наблюдается у эукариотических организмов. Например, у человека насчитывают приблизительно 50 тысяч генов (имеется в виду только суммарная длина кодирующих участков ДНК – экзонов). В то же время размер генома человека 3×10⁹ (три миллиарда) п.н. Это означает, что кодирующая часть его генома составляет всего 15…20 % от тотальной ДНК. Существует значитель­ное число видов, геном которых в десятки раз больше ге­нома человека, например некоторые рыбы, хвостатые амфибии, лилейные. Избыточная ДНК характерна для всех эукариот. В этой связи необходимо подчеркнуть не­однозначность терминов генотип и геном. Под генотипом следует понимать совокупность генов, имеющих фенотипическое проявление, тогда как понятие генома обозначает количество ДНК, находящееся в гаплоидном наборе хро­мосом данного вида.

 Нуклеотидные последовательности в геноме эукариот

В конце 60-х годов работами американских ученых Р. Бриттена, Э. Дэвидсона и других была открыта фунда­ментальная особенность молекулярной структуры генома эукариот – нуклеотидные  последовательности  разной степени повторяемости. Это открытие было сделано с по­мощью молекулярно-биологического метода изучения кинетики ренатурации денатурированной ДНК. Различают следующие фракции в геноме эукариот.

1.        Уникальные, т.е. последовательности, представ­ленные в одном экземпляре или немногими копиями. Как правило, это цистроны – структурные гены, кодирующие белки.

2.        Низкочастотные повторы – последовательности, повторяющиеся десятки раз.

3.        Промежуточные, или среднечастотные, повторы – последовательности, повторяющиеся  сотни и тысячи раз. К ним относятся гены рРНК (у человека 200 на гаплоидный набор, у мыши – 100, у кошки – 1000, у рыб и цветковых растений – тысячи), тРНК, гены рибосомных белков и белков-гистонов.

4.        Высокочастотные повторы, число которых достигает 10 миллионов (на геном). Это короткие (~ 10 пн) некодирующие последовательности, которые входят в состав прицентромерного гетерохроматина.

ДНК мышей на 70% состоит из уникальных последовательностей, на 20% – из низкочастотных и среднечастотных повторов, на 10% – из высокочастотных.

Повторы образуют так называемые семейства, под которыми понимают совокупность последовательностей, полностью или по большей части гомологичных друг другу.

Нередко из-за существенных различий в нуклеотидном составе высокочастотных повторов и остальной ДНК пер­вые образуют при центрифугировании в градиенте плот­ности хлористого цезия так называемые сателлитные пики, которые имеют большую или меньшую плавучую плотность, чем остальная ДНК. Эта фракция генома пред­ставлена небольшим (10…15) числом семейств коротких (5…12 п.н.) повторов, образующих протяженные блоки. Внутри блоков группы повторов отдельных семейств могут чередоваться друг с другом, так что сателлитная ДНК имеет как бы лоскутную структуру. Гибридизация фракций высокочастотных последовательностей с ДНК непосред­ственно на препаратах хромосом позволила установить, что эта фракция генома локализована в районах конститутивного гетерохроматина, чаще всего прицентромерного или теломерного. Еще в 30-х годах было показано, что в генетическом отношении эти районы инертны, т. е. не содержат генов. В действительности столь малые после­довательности, составляющие сателлитную ДНК, не могут кодировать ничего, кроме олигопептидов. Более того, гетерохроматические районы не транскрибируются. Таким образом, в случае высокочастотных последовательностей ДНК обнаруживается тождество молекулярной организации и генетических свойств хромосомной ДНК эукариот. Следует отметить, что эта фракция у огромного большинства видов занимает не более 10% генома. Близкие виды, например мышь и крыса, имеют совершенно различ­ные высокочастотные последовательности, у крысы их нуклеотидный состав не отличается от основной ДНК, тогда как геном мыши содержит четкий АТ-богатый сател­лит. Это означает, что высокочастотная ДНК способна к быстрым изменениям в ходе видообразования.

Остальные 90 % генома эукариот, его эухроматическая часть, построены по принципу чередования (интерсперсии) уникальных и повторяющихся последовательностей. Условно выделяют два основных типа интерсперсии, полу­чивших названия по тем видам, у которых они впервые были описаны: интерсперсия типа «ксенопус» (обнару­жена у шпорцевой лягушки  Xenopus laevis) и типа «дрозофила» (впервые описана у плодовой мушки D. melanogaster). Примерно в 50 % генома Xenopus laevis уникальные последовательности из 800…1200 п.н. чередуются с повторяющимися, средний размер которых 300 п.н. В остальной части геномов типа «ксенопус» расстояния между соседними повторами значительно превышают 1…2 п.н. Структура генома типа «ксенопус» широко распространена, особенно среди жи­вотных. Млекопитающие и человек также относятся к этому типу организации генома. Особенность генома человека и других приматов составляют интерсперсные высокоча­стотные повторы длиной около 300 п.н. У человека эти повторы содержат сайт, разрезаемый ферментом рестрик­ции Alu I. Число Alu-подобных повторов в геноме человека достигает 5×10⁵, а по некоторым данным, даже 10⁶.

Alu-подобные последовательности приматов представ­ляют собой частичные дупликации (удвоения) последо­вательности В1 в геноме грызунов, впервые описанной Г. П. Георгиевым и его сотрудниками.

У D. melanogaster параметры интерсперсии резко от­личаются от видов с типом генома «ксенопус»: повторяю­щиеся последовательности длиной 5600 п.н. чередуются с уникальными, длина которых не менее 13000 п.н. Инте­ресно отметить, что у домашней мухи геном устроен по типу «ксенопус». Этот факт прямо указывает на то, что в ходе эволюции возможны очень быстрые преобразования характера чередования последовательностей и в эухроматической части генома. Птицы по параметрам интерс­персии занимают промежуточное положение между типом «ксенопус» и типом «дрозофила». Как показывают резуль­таты исследований последних лет, многие виды животных и растений по организации генома не могут быть строго отнесены ни к тому, ни к другому типу. Так, в геномах мле­копитающих встречаются длинные повторы – в несколько тысяч пар нуклеотидов, в геномах лилейных до 90% ДНК может быть представлено повторяющимися последова­тельностями. Например, геном гороха не содержит уни­кальных  последовательностей, превышающих по длине 300 п.н.

Другая особенность повторяющихся последовательно­стей в геномах эукариот – инвертированные повторы, или палиндромы (см. ниже). В условиях ренатурации они практически мгновенно формируют дуплексные структуры. По существу, палиндромы представляют собой часть про­межуточных повторов. Однако некоторые высокочастот­ные повторы в эухроматической части генома, например члены Alu-семейств, могут встречаться как в прямом, так и в инвертированном положении. Иногда между инвер­тированными повторами вклиниваются другие последо­вательности.

 Гетерогенность ДНК эукариот по нуклеотидному составу

У эукариот описаны некоторые особенности структуры ДНК, обусловленные спецификой нуклеотидного состава отдельных последовательностей. Так, встречаются распо­ложенные в одной цепи блоки нуклеотидов, состоящих из нескольких десятков пуринов. Тогда комплементарная часть в другой цепи ДНК будет представлена пиримидинами. Подобные последовательности названы полипуриновыми (полипиримидиновыми) блоками.

Другой вид гетерогенности связан с неравномерностью содержания по длине ДНК пар аденин–тимин (АТ–пары) и гуанин–цитозин (ГЦ–пары). Так, в геноме дрозофилы периодически встречаются последовательности длиной примерно в 100 п. н., на 85 % состоящие из АТ–пар. По­скольку аденин связан с тимином двумя водородными связями, а гуанин с цитозином — тремя, дестабилизи­рующие ДНК-воздействия будут легче инициировать расплетание дуплексов ДНК с образованием участков частич­ной денатурации в АТ-богатых областях. По­этому последние рассматриваются в качестве сайтов ини­циации элементарных генетических процессов: реплика­ции, транскрипции и рекомбинации.

В заключение отметим, что перечисленные выше осо­бенности молекулярной структуры ДНК эукариот не были предсказаны ни классической генетикой (за исключением, пожалуй, свойств гетерохроматина), ни моделью двойной спирали Уотсона и Крика. Они были раскрыты при иссле­довании структуры геномов различных эукариотических организмов физико-химическими методами. Функции большинства повторяющихся и уникальных последова­тельностей пока не определены. Однако вполне вероятно, что сама по себе молекулярная структура ДНК эукариот служит зеркалом генетической регуляции и эволюции выс­ших животных и растений.

 Хроматин и компактизация хромосом

Основой генетического аппарата эукариот являются линейные хромосомы. В основе хромосомы лежит линейная двуспиральная правозакрученная молекула ДНК, связанная со специфическими белками-гистонами. Известно 5 типов гистонов: Н1, Н2А, Н2В, НЗ, Н4. В ядрах эритроцитов птиц Н1 частично замещается на Н5. У дрожжей отсутствует Н1, а у некоторых видов хламидомонад гистоны вообще не обнаружены. Гистоны отсутствуют также у мезокариот (одноклеточных организмов – динофлагеллят, ночесветок), в сперматозоидах некоторых рыб. Отсутствие гистонов в перечисленных случаях рассматривается как вторичное явление. Гистоны Н2 – Н4 эволюционно устойчивы: из 102 аминокислот Н4 наблюдаются различия лишь по 1-2 аминокислотам у высших растений, рыб и млекопитающих. Гистон Н1 весьма вариабелен, и даже в тканях одного организма встречается 3 – 6 вариантов этого белка.

Гистоны Н2 – Н4 образуют белковое ядро из 8 полипептидов (каждый гистон повторяется 2 раза). Вокруг этого ядра уложен участок ДНК длиной 140 пн, образующий 1,75 витка по периферии. Такая структура называется нуклеосома. Отдельные нуклеосомы – это дисковидные частицы диаметром около 10 нм. Закру­чивание ДНК вокруг нуклеосомы уменьшает ее длину в семь раз. Участки ДНК между нуклеосомами длиной 15…10 пн называются линкерами (связками). Структура линкеров стабилизируется с помощью гистона Н1.

Последовательность нуклеосом образует или еще одну спираль диаметром 25…20 нм (соленоид), или последовательность нуклеосомных группировок – нуклеомеров. Эти высшие структуры образуют петли или домены. Кон­денсация ДНК в структуре соленоида дополнительно (к нуклеосомному уровню) уменьшает ее длину в шесть раз. В интерфазных хромосомах путем еще одного цикла конденсации соленоиды образуют полые трубочки диа­метром 200 нм, что уменьшает длину ДНК еще в 18 раз.

Описанная структура хромосом у эукариот обеспечивает их устойчивость и недоступность основной массы ДНК для химических мутагенов. При транскрипции, т.е. синтезе РНК, и репликации происходит деспирализация хромосом, что обеспечивает возможность контакта определенных участков ДНК с ДНК-полимеразой или РНК-полимеразой.

Определенные участки хромосом в ядре тесно связаны с ядерной мембраной. Всегда связаны с мембраной концевые (теломерные) участки и некоторые другие (интерстициальные) участки. Такие связи обеспечивают определенную структуру ядра и защищают хромосомы от разрушения ферментами-нуклеазами. Ю. С. Ченцовым и его сотрудниками открыта специальная частица, обес­печивающая связь хроматина с ядерной мембраной, кото­рую предложено называть анкоросомой (якорной ча­стицей).

В метафазе вследствие дальнейшей конденсации возникает большая образованная дезоксинуклеопротеидом спираль диаметром около 600 нм. В результате строго упорядочен­ной иерархии спиралей, в основе которой лежит нуклео­сома, в митозе и мейозе хромосомы эукариот совершают цикл компактизации — декомпактизации. Следствие этого цикла — укорочение метафазных хромосом по сравнению с размерами заключенной в них молекулы ДНК в 10³…10⁴ раз. По-видимому, цикл компактизации—декомпактизации регулируется белками хроматина негистонового типа. Возможно, что некоторые из них выполняют и структур­ную роль, образуя элементы каркаса метафазных хромо­сом.

 Особенности репликации эукариотических хромосом

Как и у прокариот, репликация ДНК в клетках эукарио­тических организмов осуществляется полуконсервативно, о чем свидетельствует распределение Н-тимидиновой метки по сестринским хроматидам во втором и после­дующих митозах после инкубации клеток с радиоактив­ными предшественниками. Выяснено, что репликация у эукариот носит двунаправленный характер.

Принцип регуляции репликации ДНК эукариот в онто­генезе был открыт английским цитогенетиком Г. Кэлланом в 1972 г. С помощью радиоавтографии меченных ³Н-тимидином волокон ДНК, полученных из клеток жи­вотных непосредственно на предметном стекле, Кэллан определил скорость репликации и расстояние между сосед­ними центрами инициации в S-фазе соматических и эмбри­ональных клеток.

По первому показателю между этими типами клеток больших различий не наблюдалось. Число сайтов инициа­ции репликации было максимальным в раннем эмбрио­генезе, минимальным в предмейотической S-фазе и промежуточным в соматических клетках. Эти данные в принципе были подтверждены позднее прямым электронно-микро­скопическим анализом реплицирующейся ДНК из дробя­щихся яиц дрозофилы. Таким образом, суть регуляции процесса репликации у эукариот заключается в измене­нии числа сайтов инициации репликации. Этот механизм позволяет увеличить продолжительность фазы S (а, сле­довательно, всего митотического цикла) с 3,5 мин (на ран­них стадиях дробления яиц дрозофилы) до десятков часов в предмейотической S-фазе. Упаковка ДНК и гистонов в нуклеосомы происходит в фазе S, поскольку гистоны синтезируются синхронно с репликацией ДНК.

 Переключение генов у эукариот

У эукариот опероны отсутствуют, и система управления активностью генов более сложная. Во-первых, у эукариот включаются не три гена (или чуть больше), а целые батареи генов. Во-вторых, регуляция активности генов происходит не за счет связывания оператора с белком–репрессором, а за счет спирализации и деспирализации хромосом. В-третьих, у эукариот регуляция работы генов происходит не по принципу «да–нет», а по принципу «больше–меньше».

У прокариот регуляторные участки составляют примерно 5 % от всей ДНК, а у эукариот длина регуляторных участков соизмерима с общей длиной структурных генов. Регуляторные белки у эукариот влияют не только на работу генов в одной хромосоме, но и на активность функционально сходных генов в разных хромосомах. Например, a- и b-цепи гемоглобина кодируются генами, расположенными в разных хромосомах. Однако количество a-цепей равно количеству b-цепей. Промоторы и операторы у эукариот могут быть удалены от структурных генов на значительное расстояние.

У многоклеточных эукариот в ходе онтогенеза из исходной клетки развивается целостный организм. На разных этапах онтогенеза в разных тканях с разной интенсивностью экспрессируются разные гены. Активность генов у эукариот регулируется разнообразными эндо- и экзогенными факторами, в том числе, и гормонами. Способность исходной клетки реализовывать генетическую информацию в ходе клеточных делений и дифференцировки клеток называется тотипотентностью. У растений тотипотентны и оплодотворенные яйцеклетки, и почти все соматические клетки. У животных тотипотентна только зигота (а также некоторые клетки низших беспозвоночных). Поэтому методы клонирования животных основаны на пересадке ядер из соматических клеток в энуклеированные яйцеклетки (то есть яйцеклетки с убитым ядром).

Выключение генов может быть обратимым и необратимым. У животных существует два типа дробления зиготы: недетерминированное (дифференцировка клеток на поздних стадиях онтогенеза) и детерминированное (дифференцировка клеток на самых ранних этапах дробления зиготы). В первом случае можно пересадить ядро из клеток кишечного эпителия головастика в яйцеклетку с убитым с помощью ультрафиолетового облучения ядром. Из такой синтезированной клетки разовьется нормальная лягушка. Во втором случае клетки передней части бластодермы дрозофилы способны формировать только структуры передней части тела имаго, а клетки задней части бластодермы – только структуры задней части тела.