Гены и развитие организма - Александр Нейфах

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.

В обычных клетках 5S рРНК не накапливаются, а сразу встраиваются в новые рибосомы. В ранних же ооцитах это невозможно, так как в это время не хватает больших рРНК и рибосомы почти не образуются. Поэтому «ненужные» пока малые рРНК образуют комплексы, состоящие из 5S рРНК, тРНК и нескольких молекул специальных белков. Эти комплексы хранятся в ооцитах до тех пор, пока те не достигнут приблизительно середины оогенеза.

На этой стадии в ооцитах начинает откладываться желток, который синтезировался в печени, и в это же время начинается интенсивный синтез больших рРНК на всех сверхчисленных ядрышках. Эти рРНК соединяются с рибосомными белками и образуют новые рибосомы. В рибосомы встраиваются и ранее накопленные 5S рРНК, которые в это время освобождаются от комплексов, где они хранились. Так в оогенезе амфибий создается большой запас рибосом, равный их количеству в 100 000 обычных клеток.

Причины некоординированности синтеза большых и малых рРНК в оогенезе, по-видимому, заключаются в необходимости компенсировать отсутствие амплификации 5S р-генов. Частично это достигается тем, что в ооците амфибий их работает примерно в 23 раза больше, чем в обычной клетке. А кроме того, эти гены работают еще и значительно дольше, так как их функционирование начинается раньше.

Транспортные РНК, которые интенсивно синтезировались в раннем оогенезе, тоже освобождаются из комплексов и готовы к участию в синтезе белка. Однако их относительное количество оказывается меньше, чем в обычных клетках. Для нормальной скорости синтеза белка необходимо, чтобы на одну рибосому приходилось приблизительно по 10 молекул различных тРНК. В ооците же это соотношение намного меньше — всего в среднем по одной молекуле тРНК на рибосому. При таком соотношении или синтез белка должен быть сильно замедлен, или не все рибосомы должны в нем участвовать. Верным оказалось последнее: около 90 % рибосом в ооцитах и в ранних зародышах неактивны и созданы как запас на будущее. Когда в раннем развитии синтез белка ускоряется, а образование новых рибосом еще не началось, используются рибосомы, созданные в оогенезе. В эмбриональном развитии амфибий и рыб синтез тРНК начинается раньше, чем синтез рРНК, и тогда быстро достигается оптимальное соотношение числа молекул рРНК и тРНК, близкое к 1: 10.

Таким образом, в растущем ооците амфибий и многих других животных не только изменяется структура ядра — увеличиваются его размеры, появляются хромосомы типа «ламповых щеток» и сверхчисленные ядрышки. Изменяется и регуляция синтеза различных РНК: интенсивный синтез малых молекул (5S рРНК и тРНК) с середины оогенеза дополняется преимущественным синтезом больших молекул рРНК. Для этого в структуре генома содержится много тысяч генов для 5S рРНК, специально функционирующих только в оогенезе, и происходит амплификация генов, кодирующих 18S и 28S рРНК.

6. Гормоны регулируют синтез желтка и белка

Мы уже говорили, что у позвоночных животных желток будущего яйца синтезируется в печени. Этот синтез стимулируется женскими половыми стероидными гормонами — эстрогенами (подробнее см. специальную главу). Один из таких гормонов — эстрадиол одинаково действует на печень самцов и самок амфибий и птиц. Под влиянием гормона в клетках печени включаются гены, кодирующие сложный белок — вителлогенин. Одновременно или даже немного раньше в клетках печени стимулируется дополнительное образование белоксинтезирующего аппарата — создается много новых рРНК и соответственно рибосом. Новая вителлогениновая мРНК активно транслируется, доля синтеза всех других белков снижается, а синтез вителлогенина достигает 50–70 % общего синтеза белка. Далее вителлогенин выделяется в кровь и переносится ею к ооцитам.

Если гормон был введен самцу, то у него тоже синтезируется вителлогенин, но затем он надолго остается в кровяном русле, так как включиться ему не во что. У самки же вителлогенин быстро поглощается растущими ооцитами и расщепляется в них на две самостоятельные молекулы: большую — липовителлина и маленькую — фосвитина. Вместе они складываются в кристаллоподобные гранулы желтка. Позже, в ходе эмбрионального развития, а у личинок рыб и амфибий и после него, белки желтка постепенно распадаются на аминокислоты и используются для синтеза всех новых белков. При этом освобождаются также липиды и фосфат, которые используются личинкой.

Те же эстрогены регулируют у птиц и у рептилий образование другого белка яиц — овальбумина — того, что в куриных яйцах мы называем «белком». Овальбумин и в небольшом количестве другие полипептиды, входящие в состав «белка», синтезируются особыми железистыми клетками яйцевода. Эстрадной, введенный молодым курочкам, прежде всего вызывает у них быструю дифференцировку железистых клеток в стенках яйцевода, а затем и синтез в них овальбумина. У диких птиц одним из сигналов того, что наступила весна и пришло время откладки яиц (и всего комплекса сложного поведения, связанного с этим: выбор партнера, постройка гнезда и т. д.), является продолжительность светового дня. Свет воспринимается сетчаткой глаз и через центральную нервную систему, сигнал передается в отдел мозга гипоталамус, который активирует гипофиз. Гипофиз выделяет больше белковых гонадотропных гормонов, а те стимулируют в половых железах синтез эстрогенов, которые уже действуют и на печень и на яйцевод, а также на головной мозг, вызывая половые рефлексы.