Как гены контролируют развитие клеток

Наш организм состоит из миллиардов клеток. Все они имеют разную форму, размер, назначение, продолжительность жизни и так далее. Информация о каждой содержится в генах,  особых участках молекулы ДНК. Именно они определяют, какой будет каждая клетка, а следовательно и весь организм в целом.

 
Изучение процесса того, как именно гены осуществляют свой контроль  развитием клеток, является одной из важнейших задач биологии. Её решение  позволит человечеству уйти далеко вперёд в лечении неизлечимых в настоящее время болезней, а так же, возможно, искусственно выращивать отдельные органы или даже целые части тела, победив таким образом инвалидность раз и навсегда.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вообще,  вопрос о том, из чего состоит всё живое на Земле, как оно развивается, откуда берётся, волновал человечество всегда. Работы по описанию тканей встречаются у Аристотеля, Авиценны, Везалия. Но настоящим прорывом стало открытие Роберта Гука. В 1665 году знаменитый учёный  с помощью усовершенствованного микроскопа разглядел в пробковой коре некие структуры, которые он назвал клетками. Это событие можно назвать началом создания науки о тканях, позже получившей название гистология. В самостоятельную научную дисциплину она оформится ещё нескоро, долгое время ею занимались отдельные талантливые дилетанты, сделавшие однако множество открытий, а сведения о предмете изучения носили довольно таки отрывочный характер. 

Большой скачок в развитии гистология приобрела в 19 веке благодаря видным врачам и учёным, в частности Ксавье Бишу (фр. анатом, 1771-1802), который еще в 1801 г дал классификацию тканей на макроскопическом уровне — выделял 21 тканей; органы образуются путем комбинации различных тканей.

 
Яну Пуркинье и его школе, которые в 1830-45 гг использовали окраску (индиго), просветление срезов бальзамом, создали микротом; все это позволило изучать клетки животных тканей под микроскопом.

 
Нем. ученым Лейдигу и Келликеру, которые в 1835-37 гг попытались создать первую микроскопическую классификацию тканей.

 
Матиасу Шлейдену (нем.) в 1838 г создавшему теорию цитогенеза.

 
Теодору Шванну (нем.), который в 1839 ,основываясь на теории цитогенеза Шлейдена, создал клеточную теорию:  
1) все ткани растений и животных состоят из клеток; 
2) все клетки развиваются по общему принципу; 
3) каждой клетке присуща самостоятельная жизнедеятельность (организм — арифметическая сумма клеток);

Иоганну Фридриху Мишеру , в 1868 году открывшему ДНК.

 
Рудольфу Вирхову (нем.),  оказавшему большое влияние на дальнейшее развитие клеточной теории и вообще на учение о клетке: 
1. Всякая клетка — от клетки, и только от клетки. 
2. Клетка — самый мелкий морфологический элемент живого и только из их совокупности слагаются все живые существа, вне клетки нет жизни. 
3. Организм — государство клеток, совокупность отдельных самостоятельных единиц, поставленных в тесную взаимозависимость друг от друга. 
4. Создал теорию «целлюлярной патологии» — т.е. болезнь объяснял как нарушение строения и функции клеток (а до него господствовала «гуморальная теория»).

 
Э.Страсбургеру (1884). Который выдвинул гипотезу о значении ядра как носителя наследственных свойств. Предложил термины профаза, метафаза, анафаза гаплоидное и диплоидное число хромосом — т.е. изучал процесс митоза.

Камилло Гольджи, лауреату Нобелевской премии по физиологии и медицине, который в 1897 году открыл  органеллу,  предназначенную для выведения веществ, синтезированных в эндоплазматическом ретикулуме, позже получившей его имя (аппарат Гольджи).

 
Рихарду Гертвигу, сформулировавшему в 1903 г закон постоянства ядерно-плазменного отношения: Масса ядра : масса плазмы = постоянная величина т.е. ядру определенной величины соответствует определенный объем цитоплазмы.

 

 

 

Но по-настоящему эпохальный прорыв наступил в середине ХХ века, когда Розалиндой Франклин, Джеймсом Уотсоном , Фрэнсисом Криком и Морисом Уилкинсоном была открыта структура ДНК.

Дезоксирибонуклеиновая кислота была открыта давно, но поначалу не была ясна её роль в оргазме, она считалась запасником фосфора.

Свет на роль ДНК впервые пролили эксперименты О. Эвери, Колина Мак-Леода и Маклин Мак-Карти (1944 г.) по трансформации  бактерий . Им удалось показать, что за так называемую трансформацию (приобретение болезнетворных свойств безвредной культурой в результате добавления в неё мёртвых болезнетворных бактерий) отвечают выделенная из пневмококков ДНК. Эксперимент американских учёных Альфреда Херши и Марты Чейз (эксперимент Херши — Чейз, 1952 г.) с помеченными радиоактивными изотопами белками и ДНК бактериофагов показали, что в заражённую клетку передаётся только нуклеиновая кислота фага, а новое поколение фага содержит такие же белки и нуклеиновую кислоту, как исходный фаг

Таким образом было доказано, что именно ДНК, а не белки, как считалось ранее, играет решающую роль в передаче информации.

Это позволило перейти учёным на качественно новый уровень исследования организма.

 

 

 

 

 

 

В ходе последовательного изучения и открытий в данном разделе биологии учёные задались вопросом: а как именно клетки развиваются, за счёт чего они имеют столь разную форму, размер, химическую специфику, если учесть, что у всех клеток одного организма одна генетическая информация ?

На этот вопрос существовало две основные, но принципиально отличающиеся точки зрения.

 Американец Томас Гент  Морган считал что, несмотря на  одинаковый набор генов во  всех клетках многоклеточного  организма  в ходе онтогенеза в клетках, расположенных в разных частях развивающегося зародыша, и на разных стадиях его развития функционируют разные гены, потому-то они и приобретают сначала химическое, а затем и морфологическое своеобразие. Активация же разных генов в разных клетках обусловлена различиями в химическом составе цитоплазмы в разных частях зародыша, сложившимися еще в ходе оогенеза. Следовательно, процесс индивидуального развития начинается не в момент дробления или даже оплодотворения яйца, а в период его созревания, оогенеза. Таким образом, клеточная специализация является, по Моргану, следствием дифференциальной активности генов, или, как сейчас принято говорить, дифференциальной транскрипции.

А немецкий учёный Рихард  Гольдшмидт полагал, что все гены функционируют одинаково, но их продукты попадают в разную клеточную плазму, то есть в одной плазме функционируют продукты одних генов, в другой – других, за счёт чего специализация клеток осуществляется на уровне дифференциального функционирования генопродуктов, можно сказать - на посттранскрипционном уровне, на уровне дифференциальной трансляции, а иногда и на уровне посттрансляционных модификаций, т.е. изменений, происходящих с белком после его синтеза – трансляции.

Эти гипотезы были созданы в 20-30 годы ХХ века, тогда точно подтвердить либо опровергнуть ни одну из них не представлялось возможным . Приблизиться к разгадке удалось только в 60-ые годы ХХ века, с момента внедрения в генетику методов молекулярной биологии.

Даже несмотря на внедрение новых технологий  до сих пор весь процесс контроля генами развития клеток не изучен, однако он постепенно, шаг за шагом расшифровывается

Бельгийский эмбриолог Герма Дени обнаружил, что на разных стадиях эмбриогенеза и в разных участках эмбрионов амфибий синтезируются различные фракции РНК, подтвердив тем самым гипотезу Т.Г. Моргана. Однако чуть позднее, в исследованиях, проведенных в лаборатории Эрика Дэвидсона в США, были найдены "гольдшмидтовские" варианты генетической регуляции развития: в разных частях эмбриона синтезировались одинаковые информационные РНК (мРНК), которые, однако, по-разному транслировались в разных клетках (см. рис. 3). Наконец, оказалось, что в созревающей яйцеклетке синтезируется уже глобиновая мРНК, которая будет функционировать много позднее, в кровяных клетках. 

Большой вклад в изучение процесса контроля генами развития клеток внёс российский учёный Л.И. Корочкин, который вместе со своими коллегами М.Б. Евгеньевым и Б.А. Кузиным выяснил с помощью эксперимента, проведённого на мухе-дрозофиле, что когда клетка только начинает специализироваться, в ней работает большая часть генома, но тканеспецифические гены еще не активны. По мере дифференцировки и роста клетки количество активно работающих генов уменьшается, но зато начинают функционировать тканеспецифические гены, транскрипционная активность которых постепенно возрастает. Таким образом, получается, что, как это часто бывает, правы оба - и Т.Г. Морган, и Р. Гольдшмидт, но каждая "модель" может быть реализована или на разных стадиях развития, или в разных клеточных типах.

Таким образом получается, что процесс контроля гораздо сложнее, чем это представлялось ранее и не может быть описан одной гипотезой.

Что касается непосредственно самого контроля, то по последним данным, проводится он таким образом: 
Гены, которые отвечают за дифференцировку клеток, то есть за создание клеток различных тканей с различными функциями (тканеспецифические гены), испытывают давление со стороны других генов, регулирующих их функции. Эти гены  посылают тканеспецифическим генам особые сигналы, которые регламентируют тип , количество синтезируемых клеткой продуктов и начало (время) их синтезирования.

По предварительным данным, эти сигналы представляют собой транспортные РНК, несущие аминокислоты к месту синтеза белка

В свою очередь тканеспецифические гены имеют «приёмник» для сигналов: небольшой участок ДНК,  заставляющий ген функционировать с нужной степенью активности и в нужное время. Утрата этого участка ДНК гибельна: ген либо не работает, либо работает не так как надо.

Эта особенность «приёмника» была использована швейцарским эмбриологом Вальтером Герингом в его опыте с геном «безглазия» мушки-дрозофилы. В 1995 году.

Он сращивал регуляторный фрагмент ДНК с этим геном и активировал его в тех частях зародыша, где глаз не бывает для того, чтобы установить, в какой степени ген воздействует на весь процесс формообразования.

Результаты были ошеломляющими: в тех случаях, когда процесс помещения модифицированного гена  в зародыш оказывался успешным и ген «приживался», то в организме опытной мухи глаза образовывались в тех местах, где их быть не должно: на крылышках, на брюшке и так далее.

Таким образом была установлена связь между геном и формообразованием: ген контролирует весь этот процесс, запуская множество определённых генных систем, функционирование которых приводит к конечным результатам – формированиям органов.

Учёным в этой области удалось решить множество задач и наука продвинулась далеко вперёд, но вопросов всё равно осталось много. Тем более что каждое открытие, каждый решённый вопрос порождают ещё больше вопросов.