У багатьох випадках диференціювання відбувається шляхом регуляції транскрипції мРНК. Інтенсивне функціонування окремих генів або їх блоків відповідає певним етапам розвитку і диференціювання.
При вивченні гігантських політенних хромосом (в слинних залозах личинок дрозофіл) і петель в хромосомах типу «лампових щіток» (в ооцитах на стадії профази I) було встановлено, що мРНК синтезується з різною швидкістю в різних ділянках хромосом, зокрема, освіту пуфів і петель пов'язане з підвищенням інтенсивності синтезу мРНК.
Динаміка утворення пуфів. У гігантських політенних хромосомах часто спостерігаються здуття певних районів хромосом, обумовлені декомпактізаціі окремих дисків і інтенсивним синтезом в них РНК. Ці здуття називаються пуфи (або кільця Бальбіані). Пуфи представляють собою місця інтенсивного синтезу мРНК. Динаміка утворення пуфів на гігантських хромосомах в процесі розвитку двокрилих є відображенням зміни активності генів. Формування комплексів пуфів, характерних для клітин окремих тканин і органів диференційованого організму, є показником загального рівня найбільш інтенсивно протікають метаболічних процесів в даних клітинах. При зниженні синтетичної активності петлі синтезована мРНК відділяється від хромосоми і пуфи політенних хромосом зникають.
Встановлено роль стероїдних гормонів (зокрема, екдізона - гормону окукливания) в індукції пуфів, а також роль білків, синтезованих ранніми пуфами, в індукції пізніх пуфів. Таким чином, стероїдні гормони і білки, ймовірно, не єдині фактори, відповідальні за перемикання генів в онтогенезі, а, отже, і за зміну фаз індивідуального розвитку організму. Механізм утворення пуфів показаний на рис. _____. Доведено, що після введення цього гормону молодим личинкам досить швидко виникають специфічні пуфи, причому тривалість їх утворення залежить від кількості введеного гормону.
Послідовність освіти пуфів змінюється також при впливах різними хімічними агентами або температурними умовами. Деякі антибіотики, що впливають на обмін РНК (наприклад, актиноміцин), пригнічують утворення пуфів, а антибіотики, що інгібують синтез білка (наприклад, пуромицин), не впливають на цей процес. Отже, активність пуфів перебуває під контролем гормональних чинників (закодованих в генотипі) і факторів зовнішнього середовища.
Особливо велика роль стероїдних гормонів в регуляції генної активності у тварин. Відомо, що гормони синтезуються в спеціалізованих клітинах залоз внутрішньої секреції і циркулюють по всьому організму. Однак окремі гормони активують гени не у всіх клітинах, а тільки в клітинах-мішенях, які містять спеціальні рецепторні білки, з якими специфічно зв'язуються молекули гормону. Це зв'язування відбувається в цитоплазмі, а потім утворився комплекс проникає в ядро, де він взаємодіє з певними негістонових білками хромосом. За відсутності гормонів ці білки блокують або промоторні, або інші, поки невідомі регуляторні ділянки певних генів. Комплекс «гормон - рецепторний білок» знімає блокуючу дію негістонових білка-репрессора, наслідком чого є транскрипція даного гена, дозрівання мРНК, транспорт її в цитоплазму і синтез білка.
Освіта і функціонування хромосом типу «лампових щіток». Зв'язок синтетичної активності з морфологічними перетвореннями хромосом була встановлена при вивченні оогенезу у амфібій, в ході якого утворюються хромосоми типу «лампових щіток» (рис. _____ в кінці лекції). Ці хромосоми отримали свою назву за схожість із щітками, якими колись чистили гасові лампи. Вони мають чітко виражене хромомерное (вузликове) будова. З хромомер у вигляді петель витягнуті ДНК-ші осі хромосом. Оскільки хромосоми типу лампових щіток існують в діплотене і складаються з чотирьох хроматид, кожна ділянка таких хромосом представлений чотирма хромомер і чотирма петлями. Оточення петель є гранули і фібрили, що складаються з знову синтезованої РНК і білків. Таким чином, петлі - це ділянки хромомер з інтенсивної транскрипцією. Зазвичай в них легко розрізняють тонкий кінець, де починає свій рух РНК-полімераза, і товстий кінець, де транскрипція закінчується. При зниженні синтетичної активності петлі синтезована РНК відділяється від хромосоми і петля спадає.
Число петель близько до числа типів РНК, присутніх в цитоплазмі. Ця РНК частково використовується для синтезу рибосом і білків цитоплазми яйця. Однак більша частина молекул мРНК, синтезованих хромосомами типу лампових щіток, використовується пізніше під час раннього ембріогенезу.
Цитохимические вивчення хромосом типу «лампових щіток» виявило їх функціональне схожість з політеннимі хромосомами.
Регуляція дії генів на постгранскріпціонном рівні
Регуляція на рівні процесингу РНК забезпечує можливість утворення різних типів зрілої, функціонально активної мРНК. Процесинг РНК регулюється за допомогою рибозимов (каталізаторів рибонуклеїнової природи) і ферментів матураз.
Однією з форм сплайсингу є альтернативний сплайсинг, при якому одній ділянці ДНК і одному первинному транскрипт (пре-мРНК) може відповідати кілька типів зрілої мРНК і, відповідно, кілька ізотипів (тобто різних форм) одного і того ж білка, наприклад, м'язового білка тропоніну. Твердо встановлено, що деякі генетичні захворювання людини (фенілкетонурія, деякі гемоглобінопатії) обумовлені порушенням сплайсингу.
Сплайсинг РНК відкритий порівняно недавно, тому достовірних даних по регуляції активності генів на цьому рівні недостатньо. Найбільш докладно вивчена регуляція генів, що контролюють засвоєння галактози у дріжджів. Показано, що ці системи регуляції діють як на рівні транскрипції, так і на посттранскрипційна рівні. При цьому здійснюється багатоступенева, або каскадна, регуляція, в якій беруть участь елементи позитивного і негативного контролю, послідовно регулюють активність один одного.
Медичні аспекти регуляції дії генів.
Два типи порушень структури ДНК призводять до мутацій. Це, по-перше, включення нормальних нуклеотидів в аномальне оточення з послідовностей нуклеотидів, що призводять до утворення неправильно спарених підстав і петель різних розмірів. По-друге, поява ушкоджень ДНК у вигляді аномальних нуклеотидів в правильних послідовностей ДНК. У цьому випадку мова йде про різних хімічних модифікаціях нуклеотидів, включаючи їх руйнування і утворення поперечних зшивок. Пошкодження ДНК можуть призводити до затримки і блокування реплікації і транскрипції.
При дослідженні механізмів репарації ДНК важливі результати були отримані на клітинах, опромінених УФ-світлом з довжинами хвиль 240-280 нм. УФ-опромінення клітин часто супроводжується їх загибеллю, освітою мутацій і злоякісної трансформацією. Серед первинних ушкоджень найбільш часто зустрічаються біспірімідіновие фотопродукти: піримідинові димер ціклобутанового типу, з'єднані зв'язком 6-4 (рис. I.56). Як про-, так і еукаріоти мають кілька ферментних систем, які поділяють піримідинові димер або відновлюють первинну структуру азотистих основ. До таких репаративну систем відноситься, перш за все, система ексцизійної репарації ДНК (NER). що здійснює вирізування пошкоджених нуклеотидів (NER - nucleotide excision repair) або азотистих основ (BER - base excision repair). Система ферментативної фотореактивації ДНК (PHR - photoreactivation), основним компонентом якої є ДНК фотоліаза, розділяє піримідинові димер, перетворюючи їх в нормальні піримідинові підстави. Крім того, пошкоджені УФ світлом молекули ДНК можуть репарирувати за участю систем рекомбінації і в процесі постреплікатівной синтезу ДНК. Дія систем репарації пошкодженої ДНК поширюється не тільки на фотопродукти, але і на інші модифіковані підстави, які утворюються під дією хімічних мутагенів. Окремо слід згадати систему, що розпізнає неправильно пара основ в подвійної спіралі ДНК, що виникають в результаті помилок реплікації.
Сперматогенез - утворення чоловічих статевих клітин (сперматозоїдів)-відбувається в стінках звивистих канальців насінники (рис. 85). Цей процес має чотири періоди.
Сперматогонії розвиваються з первинних статевих клітин, що мігрують в насінники на ранній стадії ембріонального розвитку. Коли тварина досягає статевої зрілості, сперматогонии починають швидко розмножуватися, причому частина з їхніх нащадків зберігає здатність до безперервним необмеженим контрольними позначками (сперматогонії типу стовбурових клітин), а інша частина (сперматоціти 1-го порядку) після обмеженого числа послідовних мітозів приступає до мейозу, перетворюючись в сперматоціти 2-го порядку. Після завершення другого поділу мейозу сперматоціти 2-го порядку перетворюються в гаплоїдні сперматіди, що диференціюються в зрілі сперматозоїди (рис. 87, табл. 6). Сперматогенез відрізняється від овогенеза (див. Рис. 90) в декількох аспектах:
1) Після статевого дозрівання в мейоз безперервно вступають нові клітини;
1) З кожної приступила до мейозу клітини утворюється не одна, а чотири зрілі гамети;
1) Зрілі спермії формуються після завершення мейозу в ході складного процесу клітинної диференціювання
Процес розвитку жіночих статевих клітин (яйцеклітин), під час якого клітини яєчника - овогонії - перетворюються в яйцеклітини, називається овогенезі
З первинних статевих клітин, що мігрують в яєчник на ранній стадії ембріогенезу, розвиваються овогонії. Після ряду мітотичних поділів овогонії приступають до першого поділу мейозу, і на цій стадії їх називають вже овоцитів першого порядку.
У ссавців овоцити першого порядку формуються дуже рано і залишаються на стадії профази I (у людини це відбувається між 3-м і 8-м місяцями ембріонального розвитку) до тих пір, поки самка не досягне статевої зрілості. Після цього під впливом гормонів періодично дозріває невелике число овоцитов, які завершують перший розподіл мейозу і перетворюються в овоцити другого порядку (рис. 92); останні зазнають другий розподіл мейозу і стають зрілими яйцеклітинами. Стадія, на якій яйцеклітина виходить з яєчника і запліднюється, у різних тварин різна. У більшості хребетних дозрівання овоцитів призупиняється на стадії метафази II, і овоціт другого порядку завершує мейоз лише після запліднення. Всі полярні тільця в кінцевому рахунку дегенерируют. Однак у більшості тварин, в тому числі і у ссавців, полярні тільця залишаються всередині яєчної оболонки, а у деяких видів перших полярних тільце встигає до дегенерації зазнати одну поділку.
У овогенезі розрізняють три періоди: розмноження, ріст і дозрівання
Будова статевих клітин.
У вищих тварин при статевому розмноженні, що супроводжується заплідненням, здійснюється не тільки передача наследственной.інформаціі, але більшу роль відіграє ендокринна регуляція процесів гаметогенезу і складні перетворення, пов'язані з дробленням зиготи, розвитком, дифференцировкой органів і тканин.
До запліднення відбувається утворення гамет. Гамети у ссавців формуються в статевих залозах в результаті гаметогенеза.
Гамети -високодіфференцірованние клітини, що містять спадкову інформацію, необхідну для розвитку організму. Яйцеклітини нерухомі, мають ядро, цитоплазму, поживний матеріал (жовток). За змістом жовтка клітини можуть бути алецітальнимі, ізолецітальнимі, телолецитальние, центролецитальниє (рис. 83).
Алецітальние яйцеклітини містять дуже мало жовтка. Вони характерні для плацентарних ссавців і для людини.
Ізолецітальние яйцеклітини дрібні, з невеликою кількістю рівномірно розподіленого жовтка. Такі яйцеклітини характерні для хордових, двостулкових і черевоногих молюсків.
У центролецитальниє яйцеклітин жовток знаходиться навколо ядра. По периферії клітини розташована вільна від жовтка цитоплазма. Ці яйцеклітини характерні для членистоногих.
Чоловічі статеві клітини - сперматозоїди - дуже дрібні і здатні рухатися. Сперматозоїди ссавців мають головку, шийку і хвіст (рис. 84). Головка містить ядро і трохи цитоплазми. На передньому кінці голівки є акросома (видозмінений комплекс Гольджі), що містить ферменти для розчинення оболонки яйцеклітини при заплідненні. У шийці є центріолі і мітохондрії. Від шийки відростає хвіст, який представляє собою джгутик, необхідний для пересування.