четырнадцатая
Генетика развития
Фотошоп – это фотографическая генетика.
Знаете ли вы, что среди наших генов есть домохозяйки и сибариты?
Не ищите в очередной раз опечатки там, где их нет.
Речь идет не о детерминантах и силлогизмах, а именно о домохозяйках и сибаритах. Среди наших генов.
Среди наших генов есть так называемые «гены домашнего хозяйства» (по-английски: «housekeeping genes»), которые отвечают за поддержание универсальных клеточных функций. И не только у нас есть такие гены. Гены домашнего хозяйства и гены роскоши (luxury genes), обеспечивающие специализированные функции, есть у всех организмов.
Как вы думаете – что относится к домашнему хозяйству?
Начнем с самого важного – с ДНК. Репликация, транскрипция, трансляция, репарация – это составные части клеточного домашнего хозяйства. Их можно сравнить с мелким ремонтом, поддержанием порядка и уборкой.
Что еще входит в домашнее хозяйство?
Конечно же готовка, обеспечение трех– или сколько-то там разового питания. Применительно к клетке – обеспечение процессов обмена веществ и энергии. Обычно говорят просто: «обмен веществ», забывая об энергии, но это не совсем правильно, поскольку параллельно с обменом веществ протекает и обмен энергии.
В одном доме может жить инженер, в другом – композитор, в третьем – столяр, в четвертом – полицейский, в пятом – веселая компания студентов, но кем бы ни были жильцы, без домохозяек им не обойтись. Это к тому, что гены домашнего хозяйства экспрессируются, то есть проявляют активность, во всех клетках нашего организма. Присутствовать-то все гены в каждой клетке присутствуют, любая клетка организма обладает полным набором генов, но дело не в этом, а в том, какие именно гены проявляют в данной клетке активность.
Гены роскоши обеспечивают выполнение специализированных функций и, следовательно, проявляют экспрессию только там, где нужно, в тех клетках, которым эти функции присущи. Обеспечение того, чтобы в нужных клетках были бы «включены» нужные гены, осуществляется при помощи эпигенетических «инструментов», с которыми мы познакомились в предыдущей главе. Если ген не «включили», он ведет праздную жизнь – бездельничает, как и положено настоящему паразиту. То есть, пардон, сибариту.
Кроме генов-домохозяек и генов-сибаритов, в генотипе присутствуют гены-руководители (а как же без них?), о которых и пойдет речь в этой главе. В предыдущей главе рассказывалось о эпигенетических «инструментах», «включающих» и «выключающих» определенные гены в нужный момент. Но о том, в чьих руках находятся эти инструменты, сказано не было. А находятся они, конечно же, в руках генов, ответственных за развитие организма. Такой вот «парадокс», очередной генетический парадокс в кавычках – даже за эпигенетические процессы отвечают гены. Иначе и быть не может, потому что гены отвечают за все, что происходит в организме. В любом – хоть у одноклеточной бактерии, хоть у стариллионноклеточного человека.
Разумеется, в генетике существует особый раздел, изучающий реализацию наследственной информации, путь от гена к признаку. Этот раздел называется генетикой развития.
Мы с вами уже знаем, что все клетки многоклеточного организма, независимо от их типа, содержат одинаковый и полный набор генов. Геном во всех клетках организма един, а вот «оборот» генов различается. В одних клетках одни гены выведены из оборота, в других – другие.
Но было время, когда ученые считали, что разные клетки имеют разные геномы. Мол, в процессе развития организма «ненужные» гены из исходного набора, полученного при слиянии сперматозоида и яйцеклетки, утрачиваются клетками, а остаются только непосредственно нужные для жизнедеятельности.
Вообще-то, на первый взгляд такое предположение кажется логичным, поскольку от ненужного в организме положено избавляться. Например, ненужные белки расщепляются на аминокислоты, из которых затем синтезируются нужные белки. А зачем, к примеру, клеткам слизистой оболочки желудка нужны гены, обеспечивающие развитие мышечных волокон?
Но вы уже, наверное, привыкли к тому, что все кажущееся правильным и логичным на первый взгляд, на второй уже таковым не кажется. Клеткам для нормальной жизнедеятельности необходим полный набор хромосом, присущий данному биологическому виду. Полный набор хромосом со всеми положенными генами. «Включать» и «выключать» их можно, а исключать – нельзя. Видимо, существует некий, пока еще не открытый учеными, баланс, нарушение которого чревато серьезными сбоями в работе отдельных клеток и всего организма в целом. На существование такого баланса прозрачно намекают последствия, вызываемые наличием дополнительных хромосом. Много не мало, а выходит плохо.
Гипотезу избавления всех живых клеток от ненужных генов подкрепляло уменьшение количества генетического материала в процессе индивидуального развития, обнаруженное у паразитических круглых червей (самым известным представителем этого типа является аскарида), некоторых двукрылых насекомых и веслоногих ракообразных (это не всем известные раки, а мелкие рачки), а также у одноклеточных инфузорий. Это явление получило название диминуции [41] хроматина. Его открыли еще в конце XIX века, когда о генах никто и понятия не имел. Ученые просто наблюдали за тем, как хромосомы в соматических клетках распадаются на фрагменты, которые затем объединяются в новые, более мелкие хромосомы, а часть хромосомного материала «растворяется» в цитоплазме. Позже диминуция хроматина получила научное объяснение – таким образом клетки избавлялись от ненужного генетического материала.
Почему бы у человека и других млекопитающих не быть тому, что есть у аскарид?
То, что в процессе индивидуального развития организма (по-научному это называется онтогенезом) все клетки сохраняют полный геном, было доказано почти шестьдесят лет назад при помощи технически сложного (особенно на тот момент), но зато весьма убедительного эксперимента.
Собственные ядра в яйцеклетках лягушки заменили на ядра эпителиальных клеток, выстилающих изнутри кишечник головастика. Эпителиальные клетки, выстилающие поверхность нашего тела и его полости, – это весьма и весьма «узкоспециализированные» клетки. Они имеют ограниченный набор функций, который мы рассматривать не станем, ибо нам это не важно. Важно то, что если бы клетки избавлялись от ненужных генов, то эпителиальные клетки непременно бы лишились довольно весомой части своего генома. Ну а из яйцеклетки с неполным геномом нормальный многоклеточный организм развиться не сможет, сами понимаете.
Обратите внимание на то, что в ходе этого эксперимента гаплоидное ядро яйцеклетки, содержащее одинарный набор хромосом, заменили на диплоидное ядро эпителиальной клетки, в котором набор хромосом был двойным. То есть оплодотворять такую яйцеклетку не требовалось. С точки зрения оценки хромосомного набора эпителиальной клетки эксперимент был «чистейшим» – никаких посторонних хромосом, только свои.
И что
