Гены и развитие организма - Нейфах Александр Александрович (лучшие бесплатные книги .txt) 📗
Проще всего это происходит у гидры: интерстициальные клетки (і-клетки) начинают делиться и расти, а затем центральная поглощает все окружающие и превращается в большой ооцит, который после созревания (мейоза) превращается в яйцо. У губок процесс аналогичный: подвижный амебовидный ооцит ползет по телу и «поедает» другие клетки, быстро увеличивая свой размер.
Иначе выглядит оогенез у дрозофилы и у многих других насекомых. Но и здесь ооцит растет с помощью других клеток. У дрозофилы гоноцит делится четыре раза, но клетки остаются связанными друг с другом тонкими каналами. Затем одна из 16 клеток становится быстрорастущим ооцитом, а остальные 15 синтезируют большие количества различных РНК и белков и «перекачивают» их в ооцит. Их так и называют — «питающие клетки», или «клетки-кормилки». Для того чтобы синтез белка в этих клетках шел интенсивнее, их ДНК несколько раз удваивается без деления ядер. Такие большие ядра называются полиплоидными.
У рыб, амфибий и, конечно, у птиц и рептилий основную массу яйца (80–99 %) составляет желток. Он синтезируется в печени, в особой растворимой форме переносится по крови в яичник, проникает в растущие ооциты и откладывается там в виде желточных гранул. Но значительное количество других белков синтезируется в самом яйце, и для этого, как мы увидим ниже, в самом ооците происходят значительные изменения.
Зрелое яйцо окружено оболочками, иногда очень сложно устроенными. Особенные оболочки необходимы для яиц, развивающихся на воздухе. Примером может служить обычное куриное яйцо. Собственно яйцо («желток») окружено тонкой, но довольно плотной желточной оболочкой (вспомним, что это оболочка одной клетки), она окружена толстой белковой оболочкой («белком»), которая синтезируется специальными железистыми клетками в стенках яйцевода и окружает «желток», пока он проходит по нему. Наконец, в нижних отделах яйцевода образуется и окружает яйцо известковая оболочка, также состоящая из нескольких слоев. Даже форма и окраска этой оболочки могут играть решающую роль в том, выведется ли из этого яйца птенец или нет. У птиц, гнездящихся на каменистых берегах, коническая форма яиц не позволяет им скатиться со скалы. У кукушки цвет яйца похож на цвет яиц тех яиц, к которым она подбрасывает свои.
Встречаются и другие «способы» роста ооцитов и совершенствования яиц, и каждый раз они не могут не вызвать восхищение тем, на какие сложные ухищрения идет природа для того, чтобы вырастить такую удивительную клетку, как яйцо. Но если мы вспомним, что размножение — это и есть биологическая цель жизни, мы поймем, что образование яйца — это как раз тот случай, когда для достижения цели ничего не жалко.
4. Зародышевый пузырек — особенное ядро
Перед ооцитом лягушки «стоит» непростая задача — за несколько месяцев (у наших лягушек это летние месяцы в течение двух-трех лет, у тропических — два-три месяца) превратиться в яйцо, которое по объему в 100 ООО раз больше исходной клетки. Желток, составляющий значительную часть массы яйца, как мы знаем, поступает извне. Но все остальное, и в первую очередь РНК и белки, — собственного производства. Если даже желток составляет 90 % яйца, то количество остальных белков и РНК должно за время оогенеза стать в 10 ООО раз больше, чем в обычной клетке. Концентрация митохондрий, рибосом и многих ферментов в яйце почти такая же, как в других клетках, а количество соответственно во много тысяч раз больше. Вместе с тем собственное ядро ооцита сохраняет такое же число хромосом, как и обычная клетка перед делением. Если бы ооцит рос так же, как все остальные клетки, которые удваиваются, т. е. синтезируют такое количество всех молекул, какое есть в клетке, примерно за сутки, для образования яйца потребовалось бы около ста лет! Что же происходит в ооците или, точнее, в его ядре? Несмотря на обычное число хромосом, ядро увеличивается в размерах. Это увеличение происходит по мере роста ооцита, и постепенно ядро становится в тысячи раз больше, чем в обычных клетках. Его видно невооруженным глазом, и оно было названо «зародышевым пузырьком».
Необычное, не встречающееся ни в одном другом типе клеток строение приобретают хромосомы. Хотя количество ДНК в них не увеличивается, сами хромосомы кажутся во много раз больше из-за частичной деспирализаций. В стороны от каждой из них выступают большие петли хроматина, на которых идет активная транскрипция. Хромосомы становятся похожи на ершик или старинные щетки для чистки керосиновых ламп. Поэтому их назвали хромосомы типа «ламповых щеток». Каждая такая петля представляет собой один или несколько активных генов. Очевидно, такое преобразование структуры хромосомы способствует значительному усилению транскрипции на ней.
Хотя структура типа «ламповых щеток» способствует ускорению транскрипции, этого ускорения недостаточно для синтеза рибосомных РНК (рРНК) в ооците лягушки, который к концу своего роста накапливает большие количества рибосом. Для интенсификации синтеза рРНК в ядрах самых ранних ооцитов, еще у маленьких лягушат, осуществляется особый процесс — амплификация генов, кодирующих рибосомные РНК — рДНК. Амплификация состоит в многократном увеличении числа генов больших рибосомных РНК (28S и 18S), которые локализованы в специальном участке хромосомы — ядрышковом организаторе. В отличие от обычного удвоения всей ДНК в S-фазе здесь остальные части хромосом не удваиваются, не реплицируются. Образовавшиеся несколько копий рДНК отделяются от хромосомы и реплицируются еще несколько раз. Те копии удваиваются опять. Такой способ размножения называется каскадным. В результате амплификации возникает тысяча или несколько тысяч копий рДНК, каждая из которых замыкается в кольцо и вокруг нее появляется дополнительное ядрышко. Когда вместо двух ядрышек, как в обычной клетке, в зародышевом пузырьке ооцита возникают тысячи их, синтез рРНК может идти во много раз быстрее.
Амплификация рДНК в ооцитах известна не только для амфибий, но и для очень многих видов животных, хотя и не для всех. В последние годы явление амплификации было обнаружено у некоторых животных и для нерибосомных генов. Однако это исключительные случаи, а не обычный механизм интенсификации работы генов. Как раз в тех соматических клетках, где, казалось бы, амплификация была бы очень кстати, ее определенно нет. Ее нет, например, для генов глобина в эритробластах, для генов фиброина шелка в шелкоотделительных железах и во многих других подобных случаях.
5. Синтез рибосомных РНК
В обычных клетках синтез трех видов рРНК (28S, 18S и малой 5S) координирован, т. е. на одну молекулу 28S образуется одна молекула 18S и одна молекула 5S. Синтез 28S и 18S происходит в виде одного большого, общего для них предшественника (пре-рРНК), который затем тут же, в ядрышке, подвергается процессингу — отщеплению и распаду «лишних» кусочков РНК (транскрибированных со спейсеров), в результате чего из одной молекулы пре-рРНК получается одна молекула 28S и одна молекула 18S рРНК. Очевидно, что образование больших рРНК в эквимолярных количествах не требует специальной регуляции. Иное дело с 5S рРНК.
Эта рРНК кодируется множественными генами, которые в количестве нескольких тысяч рассеяны по многим хромосомам. Их транскрибирует особая РНК-полимераза III, транскрибирующая и другие малые РНК (например, тРНК). Очевидно, что синтез эквимолярных количеств больших и малых рРНК требует специальных механизмов регуляций, которые, однако, пока неизвестны.
Оказалось, что в ооците в отличие от обычных клеток эти РНК синтезируются некоординированно. В ранних ооцитах синтеза 28S и 18S рРНК почти нет, а малые РНК — и 5S рРНК, и тРНК (4S РНК), — напротив, синтезируются с большой интенсивностью. Оказалось также, что 5S рРНК считываются в это время с гораздо большего числа генов, чем в клетках зародыша или взрослого организма. Если у лягушки в обычных клетках действует около тысячи этих генов, то в ядрах ооцитов работают 23 тыс. этих генов. Они немного (в шести нуклеотидах из 120) отличаются от «взрослых» 5S р-генов. Смысл этих отличий пока непонятен, но для чего этих генов так много, совершенно ясно: для того, чтобы обеспечить быстрое накопление 5S рРНК во время оогенеза. Ведь амплификации 5S-генов нет.
