Геном: постоянство в ходе развития
Клетки различных типов отличаются друг от друга главным образом потому, что помимо белков, необходимых всем клеткам без исключения для поддержания жизнедеятельности, клетки каждого типа синтезируют свой собственный набор специализированных белков. Например, в клетках эпидермиса синтезируется кератин, в эритроцитах - гемоглобин, в клетках хрусталика - кристаллины и т.д. Поскольку для клеток каждого типа характерны специфические наборы генных продуктов, может возникнуть вопрос: не объясняется ли это просто тем, что клетки обладают различными наборами генов? Клетки хрусталика, например, утратили гены кератина, гемоглобина и т.д., но сохранили гены кристаллинов, или же в них за счет амплификации избирательно увеличилость число копий кристаллиновых генов. Однако целый ряд данных показывает, что это не так: клетки почти всех типов содержат одинаковый полный геном, имевшийся первоначально в оплодотворенном яйце. Причина различия в свойствах клеток заключена не в обладании разными наборами генов, а в их дифференциальной экспрессии. Иными словами, активность генов регулируется: они могут включаться и выключаться.
Наиболее убедительные доказательтва этого были получены в опытах с пересадкой ядер в клетки амфибий. Как правило, размеры яйцеклетки амфибий позволяют с помощью микропипетки инъецировать в них ядра, полученные из других клеток. Ядро самого яйца предварительно разрушают, облучая ультрафиолетом. Укол микропипеткой побуждает яйцеклетку к началу развития. Оказалось, что при замене ядра яйцеклетки ядром кератиноцита из кожи взрослой лягушки или ядром эритроцита получались нормальные плавающие головастики. Такие эксперименты имеют ряд ограничений: они успешны при использовании ядер лишь некоторых дифференцированных клеток и яйцеклеток определенных видов. Тем не менее, результаты и других исследований позволяют придти к заключению о том, что в процессе развития постоянство генома сохраняется.
Из этого правила известно несколько исключений. Например, у некоторых беспозвоночных в соматических (не половых) клетках часть хромосом, представленных в клетках зародышевой линии (предшественниках гамет), утрачивается уже на ранних стадиях развития. В ооцитах некоторых других животных (в том числе и у Xenopus laevis) происходит избирательная репликация генов рибосомной РНК, а у личинок некоторых насекомых имеет место неравная политенизация хромосом, в результате чего происходит усиленная амплификация каких-то одних определенных генов. Синтез антител и антиген-специфических рецепторов лимфоцитами у позвоночных включает сплайсинг фрагментов ДНК, расположенных в геноме этих специализированных клеток в разных местах. Сплайсинг происходит по мере дифференцировки данных клеток. ( DiBerardino M.A. et al., 1986 , Gurdon J.B., 1974 , Gurdon J.B., 1968 , McKinnel R.G., 1978 .)
