ons, G. E. #W. Wolstenholme and M. O'Gonner, eds., London, Ciba Foundation.

Edgar R. S., Wood W. В., Proceedings of National Academy of Sciences, 55, 498 (1966).

Wood W. В., Edgar R. S., Scientific American, July 1967.

Saunders J. W., Jr., Fallon J. F., in: Major Problems of Developmental Biology, M. Locke, ed., New York, Academic Press, 1966.

Глава 13

НАСЛЕДОВАНИЕ СПОСОБНОСТИ К ДИФФЕРЕНЦИРОВКЕ. I. ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ И НЕКОТОРЫЕ ТРУДНОСТИ

Необратимое изменение генома или дифференциальная активность генов — альтернативные механизмы дифференцировки клеток

Из оплодотворенного яйца после его дробления и гаструляции развивается молодое животное с нервными клетками, хондроцита-ми, эритроцитами, ацинарными клетками, гаметами и т. д. Происходят ли при этом необратимые изменения генома? Необходимы ли они? Мы задавали эти же вопросы, когда рассматривали развитие миксомицетов. Там ответ был совершенно ясен. Из любой изолированной клетки миксомицета независимо от того, было ли ей предназначено стать спорой, клеткой стебелька или базального диска, возникает клон клеток, способных образовать нормальное плодовое тело со спорами, стебельком и базальпым диском. То же самое справедливо для любой зрелой споры и для любой незрелой клетки стебелька, которая еще не погрузилась окончательно в целлюлозный матрикс и, следовательно, в момент изоляции жива. Можно, конечно, назвать необратимым изменением разрушение ядра, но это слишком простой вариант дифференцировки. Отсутствие необратимых изменений генома при дифференцировке клеток миксомицета предусматривает дифференциальную активность генов.

А как обстоит дело у высших животных и растений?

Пересадка ядер у зародышей амфибий

Из неоплодотворенных яиц африканской шпорцевой лягушки Xenopus или лягушки Rana хирургически удаляли ядра. Ядро яйцеклетки замещали ядром, взятым из клеток со стадии бластулы, гаструлы или нейрулы, находящихся на разных стадиях дифференцировки. «Синтетическое» яйцо (которое активируется в процессе операции) инкубировали, чтобы выяснить, может ли оно нормально развиваться (рис. 13-1 и табл. 13-1).

При рассмотрении результатов, представленпых в табл. 13-1, важно обратить внимание на несколько моментов. Во-первых, вполне определенная, хотя и небольшая часть ядер, взятых из клеток зародыша на поздних стадиях развития, и даже ядер полностью дифференцированных клеток кишечника может обеспечивать нормальное развитие яйца до стадии головастика. (Многие головастики претерпевают метаморфоз и превращаются в нормальных взрослых особей). Если мы примем во внимапие все возможности неспецифического (механического или осмотического) повреждения ядер при пересадке и в новом цитоплазматиче-ском окружении, то не будем удивляться тому, что нормальные во всех отношениях головастики или зародыши развиваются очень редко.

/ II Ш IV

Рис. 43-1. Пересадка ядер.

I. Игла введена в яйцеклетку. Л. Ядро яйцеклетки извлечено и дегенерирует. III. Микропипеткой введено ядро клетки зародыша." IV. «Синтетическое яйцо», состоящее из цитбплазмы яйца и пересаженного

ядра.

Таблица 13-1

Пересадка ядер у зародышей

Ядро пересажепо из Результаты

Любой клетки бластулы

Любой клетки ранней гаст-рулы

Клетки нейрулы энтодер-мального или мезодермаль-ного происхождения Развитие останавливается после образования нескольких атипичных борозд

Более 90% нормальных головастиков

Нормальные головастики образуются реже, но еще довольно часто. Кроме того, развиваются уродливые зародыши, развитие которых останавливается на разных стадиях

Практически все зародыши уродливые, с серьезными дефектами. Развитие их останавливается на разных стадиях, но образуется и небольшой процент нормальных головастиков

Во-вторых, сериальные пересадки ядер зпачительпо увеличивают процент нормальных зародышей (рис. 13-2). Ядро клетки со стадии нейрулы пересаживали в энуклеировапное яйцо. Яйцо дробилось. Когда зародыш достигал стадии бластулы, несколько ядер его клеток вновь пересаживали в энуклеированные яйцеклет

ки (Бластула Xenopus содержит приблизительно 1 ООО— 10 ООО клеток; это означает, что между двумя пересадками прошло 10—13 делений.) Такие сериальные пересадки потомков исходного ядра были проделаны пять раз. Как уже отмечалось, при этом резко возрастает доля нормально развивающихся зародышей. Таким образом, через определенное время некоторые дефекты действительно могут устраняться.

Энуклеированное яйцо ядро из клетки нейрулы

10-13 делении дробления

И

т

В-третьих, обнаружены некоторые специфические нарушения. Так, было показано, что при пересадке энтодермальных ядер часто возникают уродливые зародыши, у которых структуры энто-дермальпого происхождения развиты нормально, а в структурах мезодсрмального и эктодермального происхождения обнаружены значительные нарушения. Сходная картина часто паблюдается и при пересадке ядер мезодермальных клеток. У зародышей-реципиентов в этом случае нормально развиваются производные мезодермы. Но даже в том случае, когда при пересадке ядра энто-дермальной клетки развивается уродливый зародыш, у него образуются нормальные дифференцированные клетки эктодермального происхождения: нервные клетки, клетки кожи и т. д. Из этого следует, что генетическая информация, необходимая для образования этих клеток, сохраняется в ядрах энтодермальных клеток.

Исследователи, работающие в этой области, постепенно пришли к заключению, что в процессе развития играет роль именно дифференциальная активность генов, а необратимые изменения гепома, если они вообще происходят, редки и не занимают важ-пого места в программе развития. В связи с этим метод пересадки ядер стали использовать для изучения дифференциальной активности генов. Например, вы можете пересадить в эпуклеирован-ное яйцо ядро клетки, активно производящей рибосомы (в зрелом яйце рибосомы не синтезируются), и выяснить, будет ли ядро продолжать синтезировать рибосомпую РНК. Или вы можете пересадить ядро эритробласта (в яйце не синтезируется гемоглобин) и проверить, будет ли в нем продолжаться синтез глобино-вой мРНК и ее транспорт в цитоплазму, а также будет ли па этих мРНК в цитоплазме яйца синтезироваться гемоглобин. Потенциальные возможности метода пересадки ядер весьма велики.

Гибридизация клеток животных и растений. Новый метод изучения генетики соматических клеток

Проблемы репрессии и дерепрессии генов,'сходные с теми, которые мы только что обсуждали, можпо исследовать и в совершенно иной экспериментальной системе. Предположим, что можно ввести ядро дифференцированной мышечной клетки в цитоплазму эритробласта. Будут ли в таком ядре все еще'активны гены гемоглобина? Будет ли синтезироваться глобиновая мРНК и в конце концов образовываться гемоглобин?

Такой эксперимент еще пе сделан, но провести его можно. Благодаря разработке методов получения стабильных гибридных клеток в результате слияния соматических клеток растений или животных открылась новая заманчивая область исследований с огромными возможностями. Клетки животных подвергают обработке вирусными частичками, предварительно инактивированпыми высокими дозами радиации. Мертвые вирусы проникают через клеточную поверхность, по не размножаются. Однако изменения клеточной поверхности, ипдуцированные проникновением вируса, делают клетки способными сливаться друг с другом. Видовая специфичность при этом не проявляется. Клетки человека могут сливаться с клетками мыши, клетки мыши — с клетками цыпленка и т. д. В течение многих часов ядра гибридной клетки остаются обособленными (за это время можно получить ответы на вопросы, подобные тем, которые были поставлены выше). Позднее оба ядра одновременно переходят к митозу, во время которого, как и в норме, оболочки ядер исчезают, хромосомы удваиваются и разделяются. Когда ядерная оболочка образуется вновь, возникают два гибридных ядра и дочерние клетки отделяются друг от друга. Гибридное ядро продолжает делиться, и возникает клон гибридных клеток. Такие клетки* нельзя назвать стабильными. В течение последующих ядерных делений часть хромосом постепенно утрачивается, и число их сокращается до стабильного диплоидного набора. Если при гибридизации использованы клетки разных видов, то теряются преимущественно хромосомы одного вида. Например, в гибридных клетках человека и мыши постепенно утрачиваются хромосомы человека.

Клетки животных могут, по-видимому, гибридизоваться и спонтанно, по очень редко. Эти редко возникающие гибриды можно отобрать, если для гибридизации использовать родительские клетки с заданными свойствами. Нужны две мутантные линии клеток, причем в клетках одной линии должен быть нарушен один, а в клетках другой — какой-то иной жизненно важный процесс обмена веществ. Смесь клеток этих двух линий инкубируют в среде определенного состава. Состав среды таков, что в ней могут расти только клетки, у которых идут оба эти процесса. Родительские клетки погибают, однако гибриды, образующиеся в результате слияния клеток, выживают.

Потенциальные возможности метода гибридизации клеток огромны. Его применяют не только для изучения проблем биологии развития. Представьте себе, например, как много этот метод может дать для изучения генетики человека. Можно взять клетки у людей, страдающих генетически обусловленными заболеваниями. Используя метод гибридизации клеток и изучая образующиеся гибридные клоны, можно определить число различных генов, ответственных за некоторые болезни (болезнь Дауна, гемофилия, галактоземия, диабет и др.), и их локализацию в хромосомах. Таким образом, можно проводить скрещивание у человека, не скрещивая людей. К моменту написания этой книги методом соматической гибридизации уже идентифицировано 16 генов человека. Есть ли еще более привлекательная область исследования для молодых ученых, чем эта?

Недавно удалось получить слияние растительных клеток разных тканей. Вся хитрость состоит в резком изменении концентрации нитратных ионов в среде. Это воздействие, очевидно, сильно влияет на поверхность клеток и способствует слиянию. Метод гибридизации и зде