Вероятно, труднее всего объяснить эту особенность дифференцировки, что некоторые признаки, связанные с дифференцированным состоянием, наследуются клетками и могут, по-видимому, сохраняться неограниченно долго. Необходимо, однако, подчеркнуть, что наследуемость никак нельзя считать непременным свойством дифференцированного состояния. Некоторые формы дифференцировки несовместимы с размножением клеток и, следовательно, никогда не передаются следующим поколениям клеток.
Например, начало синтеза гемоглобина инициирует последовательность событий, которая приводит к полному прекращению синтеза всех других белков и нуклеиновых кислот, а у некоторых классов позвоночных даже к элиминации ядра. В организме взрослых животных имеется несколько типов высокодифференцированных клеток, которые, по-видимому, никогда не делятся и из них никогда не возникают опухоли. Вместе с тем большинство тканей, способных к регенерации, дает начало таким же тканям: например, при размножении клеток печени образуются также клетки печени. В то же время при гистологическом исследовании опухолей часто замечают, что быстро растущие опухоли, и особенно образующиеся из них метастазы, утрачивают признаки исходной ткани. Сейчас еще не ясно, можно ли считать этот процесс дедифференцировкой в том смысле, который был определен ранее, или же это просто результат постоянного отбора наименее дифференцированных клеток из исходной, смешанной популяции. Во всяком случае теперь не остается сомнений, что при размножении клеток некоторые признаки дифференцированного состояния утрачиваются быстро, тогда как другие сохраняются в течение долгого времени. Часто сохранение дифференцированного состояния невозможно без организации клеток в ткани, т. е. без совместной деятельности большого числа клеток, о которой я уже говорил. Можно возразить, что в целостном организме сохранение дифференцированного состояния в нескольких поколениях клеток, даже когда эти клетки находятся в необычных условиях, обусловлено постоянным воздействием стимула, индуцирующего или поддерживающего это состояние в каждом клеточном поколении. Такое возражение мало обосновано, однако формально оно заставляет ограничить обсуждение сохраняющегося в клеточных поколениях дифференцированного состояния только теми случаями, когда его обнаруживают при длительном размножении клеток in vitro. Хотя таких случаев еще очень немного, они тем не менее открывают подход к решению этой проблемы.
Я уже приводил доводы, отвергающие гипотезу о том, что дифференцировка возникает в результате изменений нуклеотидной последовательности в ДНК. Следовательно, нужно искать другой механизм дифференцировки, основанный не на самовоспроизведении ДНК, а на чем-то ином. Самое простое решение, уже не раз выдвигавшееся ранее, состоит в том, что некоторые матричные РНК способны реплицироваться в цитоплазме. Сейчас эта идея почти не встречает поддержки, но даже если бы оказалось, что она правильпа, нам все равно пришлось бы объяснять, почему не все матрицы способны к самовоспроизведению и почему при определенных условиях реплицируются именно эти матрицы, а не какие-нибудь другие. Иными словами, нужно было бы объяснить, почему при одних условиях цитоплазма находится в одном состоянии, а при других — в другом.
Мы столкнулись бы с этим вопросом, даже если бы приняли модель дифференцировки, основанную на избирательной транскрипции ДНК. Если предположить, что какое-то дифференцированное состояние возникает в результате транскрипции определенных генов, то для того, чтобы такое состояние сохранялось во мпогих клеточных поколениях, необходимо в свою очередь предположить, что транскрипция этих генов поддерживается постоянно; следовательно, должны постоянно сохраняться те факторы, которые выбирают для транскрипции ту или иную группу генов. Поэтому любая модель должна объяснить, каким образом набор подобных факторов, однажды возникших в клетке под влиянием внешнего стимула, может затем постоянно воспроизводиться. Возможно, что на этот вопрос нет однозначного ответа, т. е. что самовоспроизведение каждого набора факторов, или условий, происходит с помощью особого механизма и что имеется множество таких механизмов.
Мне хотелось бы рассмотреть три случая, когда такое явление наблюдается у одноклеточных. Как я уже говорил раньше, синтез в-галактозидазы у Е. coli индуцируется субстратом этого фермента и некоторыми родственными ему веществами. Синтез фермента, раз начавшись, продолжается затем с максимальной скоростью, но прекращается сразу же, как только снижается концентрация индуктора или его удаляют из среды. Обычно наряду с индукцией синтеза фермента индуцируется и система пермеаз в клеточной мембране, которая поддерживает необходимую концентрацию индуктора внутри клетки. Когда синтез фермента и система пермеаз индуцируются одновременно, концентрация индуктора в среде может упасть ниже уровня, необходимого для инициации синтеза, но клетки тем не менее сохраняют индуцированное состояние и продолжают синтезировать фермент с максимальной скоростью в течение многих генераций. Благодаря индукции нермеазной системы концентрация индуктора внутри клетки оказывается достаточной для того, чтобы обеспечить максимальную скорость синтеза фермента даже при очень низкой концентрации индуктора во внешней среде. Это пример устойчивого изменения цитоплазмы, включающего синтез специфичного фермента, вызванного установлением нового состояния равновесия в уже имеющемся метаболическом пути.
Второй пример касается образования клеточной стенки у Bacillus subtilis. Если эти микроорганизмы обработать лизоцимом, их клеточные стенки растворяются и образуются протопласты, одетые одной только клеточной мембраной. В соответствующей среде такие протопласты можно культивировать сколь угодно долго (или, по крайней мере, очень долго) в виде L-форм, лишенных нормальной клеточной стенки. Однако, когда L-формы переносят на твердую среду, содержащую твердый агар или желатину, подавляющее их большинство превращается в обычные палочки с нормальной клеточной стенкой. Утрата способности образовывать клеточную стенку, по-видимому, связана с исчезновением из цитоплазмы клеток характерных мембранных структур, так называемых мезосом, которые, очевидно, играют существенную роль в образовании клеточной стенки. Переход в L-форму и последующая реверсия не имеют отношения к тому, что принято называть генетическими изменениями.
Третий пример касается закономерностей образования поверхностных антигенов у Paramecium. На поверхности этих клеток обычно имеется множество антигенов, набор которых может меняться. У каждого штамма Paramecium при одних условиях имеется один набор антигенов, а при других — другой. Если организмы с данным набором антигенов недолго инкубировать при повышенной температуре или же очень быстро обработать специфичной антисывороткой, то набор поверхностных антигенов может измениться и потомки этих клеток, если их выращивать в тех же условиях, что и исходную культуру, будут сохранять новый набор антигенов. Другими словами, высокая температура или антисыворотка вызывает такое изменение в цитоплазме, которое приводит к замещению одной группы поверхностных антигенов другой, и это изменение передается по наследству.
Таким образом, в нашем распоряжении есть три примера наследуемых цитоплазматических изменений. Один из них — приобретение способности синтезировать фермент, другой — потеря способности образовывать определенную структуру, и третий — замена одного набора антигенов другим. Вполне вероятно, что конкретные механизмы, лежащие в основе каждого из этих процессов, могут оказаться разными и, мне кажется, есть основания считать, что и в других случаях, когда мы наблюдаем наследственность такого типа, в основе ее тоже лежат разные механизмы.
Такие самоподдерживающиеся состояния в одноклеточных организмах очень напоминают случаи, о которых я только что говорил, когда клетки животных сохраняют дифференцированное состояние в течение длительного и даже неопределенно долгого периода культивирования их in vitro. О биохимических механизмах, устанавливающих и поддерживающих дифференцированное состояние в клетках животных, у нас нет хоть сколько-нибудь точных сведений. К решению этой проблемы можно подойти, исследуя гибриды между дифференцированными в определенном направлении клетками и какими-либо другими клетками. При размножении клеток in vitro в ряде генераций может сохраняться не только исходное дифференцированное состояние, но и способность к некоторым специфичным формам дифференцировки под влиянием соответствующего стимула (наследование детерминации). Например, клетки тератокарциномы семенников мыши могут долгое время расти in vitro без проявления специфичных морфологических признаков; но если эти клетки ввести в организм здорового животного, то из них образуется опухоль с характерными признаками тератокарциномы. Наиболее серьезно наследование детерминации изучали на клетках имагинальных дисков личинок Drosophila. В результате дифференцировки из этих структур в конце концов образуются ткани взрослого животного, однако дифференцировку дисков можно задержать на неопределенно долгий срок, поместив их в брюшко взрослой мухи. Их можно также длительное время пассировать, многократно пересаживая от одной мухи к другой, причем все это время они не будут дифференцироваться. Но если клетки такого эксплантата опять пересадить в личинку, то имагинальные диски начнут дифференцироваться, подчиняясь при этом всем закономерностям, свойственным клеткам этого диска (т. е. дифференцируются именно в те ткани, которые обычно возникают из этого диска). В данном случае вся программа для специфичной формы дифференцировки сохраняется в каждой клетке эксплантированного диска неограниченно долго, и для того чтобы эта программа реализовалась, необходим соответствующий сигнал, поступающий из тканей личинки. Иногда в клетках реализуется необычная программа (явление, известное под названием трансдетерминации), но, однако, многочисленные опыты свидетельствуют о том, что число программ, которые могут осуществить клетки любого имагинального диска, очень ограниченно. Таким образом, наблюдения подтверждают, что дифференцированная клетка всегда находится перед несколькими взаимоисключающими возможностями и что сигналы, определяющие выбор того или другого пути дифференцировки, могут быть очень простыми даже для самых сложных программ развития.
Используемая литература: Г. Харрис
Перевод с английского: М. И. Маршак
Ядро и цитоплазма: под ред. и с предисловием д-ра биол. наук Н. И. Шапиро
Москва 1973 год.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com