История биологии с начала XX века до наших дней - [277]

Бели непосредственное влияние факторов дифференцировки на ядра удалось обнаружить не во всех случаях, то зависимость ядра от цитоплазмы установлена сейчас достаточно хорошо. Это особенно четко показано в опытах Дж. Гердона (1968) по трансплантации ядер в ооцит или зрелое яйцо Xenopus laevis.
Из этих опытов следует, что синтез ДНК и начало или прекращение синтеза РНК однозначно определяется цитоплазмой.

Механизмы дифференциальной активности генов.

Таким образом, общая схема реализации наследственной информации кажется в принципе понятной; факторы дифференцировки вызывают дифференциальную активность генов, обусловливающую синтез специфических белков, которые и определяют свойства дифференцирующихся клеток. Одной из самых актуальных проблем оказывается проблема специфического включения генов.

Количество генов в геноме многоклеточных организмов велико, оно достигает порядка десятков и сотен тысяч (если судить по количеству ДНК, то число генов у высших организмов составляет несколько миллионов). В связи с этим выбор одного гена из ста тысяч других — уже достаточно сложная проблема.

Прежде всего, каждый ген (или группа совместно включенных генов — оперон) должен иметь «индекс», по которому он опознается. Для ДНК единственным способом записи информации является порядок нуклеотидов, число которых в таких индексах должно быть не менее десяти. Для того чтобы отличить один индекс от другого, само вещество, которое отыскивает и включает тот или иной ген, должно быть достаточно сложным и нести соответствующее количество информации. По-видимому, это должен быть один класс веществ, способных отличать одну нуклеотидную последовательность от другой. Такими свойствами обладают только сложные белки. Поэтому весьма маловероятно, чтобы разнообразные и обычно не очень специфичные факторы дифференцировки действовали на гены непосредственно. Введение белка-посредника само по себе также еще не решает проблемы, так как количество информации, которое получает клетка от действия малоспецифичного фактора, недостаточно для того, чтобы включить нужные гены.

Основная заслуга в разработке схемы регуляции работы генов принадлежит французским микробиологам Ф. Жакобу и Ж. Моно[200] (см. главы 23 и 24). И хотя она выведена для бактерий, а у многоклеточных пока не описана, ее основные принципы, видимо, общи всему живому, подобно записи наследственной информации в ДНК.

В ходе развития идет прогрессивная дифференцировка, т. е. каждый более общий зачаток под локальным действием факторов дифференцировки делится на более частные зачатки. Каждая дифференцированная клетка проходит, таким образом, ряд последовательных этапов, входя в состав все более мелких зачатков и все более специализируясь.

Способность данной ткани к дифференцировке обозначается термином компетенция. Обычно клетки обладают множественной компетенцией, выбор которой определяется действием того или иного фактора дифференцировки. Один и тот же фактор, например, гормон, в тканях, обладающих разной компетенцией, вызывает совершенно разные дифференцировки. Состояние множественной компетенции, в соответствии со схемой Жакоба и Моно, можно представить как активность нескольких генов-регуляторов и наличие нескольких белков-дерепрессоров. В зависимости от того, какой эффектор действует на данную клетку, она включает ту или иную группу генов, определяющих следующий этап дифференцировки. Переход к новому этапу дифференцировки означает и появление новых компетенций, а это предполагает включение наряду со структурными генами и новых генов-регуляторов (старые при этом, очевидно, выключаются).

Согласно схеме Жакоба и Моно, факторы дифференцировки в целом малоспецифичны, но они могут включить строго специфичные гены, если действуют в качестве эффектора на клетку, компетентную к этой дифференцировке. Действие одного из факторов означает реализацию одной из ранее предопределенных возможностей развития. Дифференцированная клетка является, таким образом, продуктом ряда последовательных действий различных факторов дифференцировки, постепенно приводящих ее к достигнутому состоянию.

Такова в самом общем виде во многом пока гипотетическая схема развития с ее регуляцией на молекулярном уровне. Для окончательного выяснения механизма дифференциальной активности генов потребуются конкретные исследования как каждого из элементов схемы, так и ее общего соответствия действительности.

Последующие этапы реализации наследственной информации.

Хотя проблема дифференциальной активности генов является сейчас центральной в биологии развития, ее решение еще не означало бы, что познаны все механизмы развития. Активность специфических генов и синтез соответствующих иРНК являются только первым этапом реализации генетической информации, за которым следует синтез белка (см. главу 23).

Еще недавно считали, что синтез белка однозначно и целиком определяется появлением соответствующих матриц иРНК. Однако выяснилось, что это не так: для многих случаев было убедительно показано, что синтез белка при дифференцировке происходит иногда через значительный промежуток времени после синтеза РНК. Это особенно хорошо видно, когда синтез РНК прекращается — в таких, например, случаях, как эритропоэз, при котором синтез гемоглобина идет после завершения синтеза РНК и инактивации ядра. В самом раннем развитии, как уже говорилось, синтезы РНК отсутствуют, в то время как синтез белка достаточно активен. Наконец, такая сложная дифференцировка, как сперматогенез, также происходит при полной неактивности ядер, но при постоянном синтезе белков. Существенно, что в этом случае синтез белка не только закономерно распределен во времени и изменяется количественно, но, по-видимому, может изменяться и качественно, т. е. синтез одних белков сменяется синтезом других. Так, показано, что при сперматогенезе в конце дифференцировки начинается и завершается синтез специфических богатых аргинином гистонов, входящих в состав дезоксирибонуклеопротеида (ДНП) головки спермия.