Обсуждение этой проблемы началось, по-видимому, с А. Вейсмана, который предположил, что при делении соматических клеток раннего зародыша «зародышевая плазма» (нынешняя ДНК) распределяется между дочерними клетками так, что в них попадают разные ее части — детерминанты (нынешние гены). В пользу этих представлений Вейсмана свидетельствовали наблюдения над потерей частей хромосом в соматических клетках во время первых делений дробления у аскариды. Сейчас, когда известно, что феномен утраты части генома аскариды и другие случаи явной потери генетического материала являются отнюдь не общим правилом, эти идеи Вейсмана имеют лишь исторический интерес.

Сегодня проблема, поставленная Вейсманом, может быть сформулирована иначе: происходят ли в ходе развития необратимые изменения в организации генетического материала и какое значение эти изменения, если они есть, имеют для механизмов развития? Уже первые опыты по разделению двух-четырехклеточных зародышей амфибий и морского ежа на отдельные бластомеры и по получению из них полноценных зародышей показали, что в ходе делений генетический материал сохраняется в обеих дочерних клетках полностью и необратимо не изменяется. Далее Г. Шпеман подтвердил это остроумным опытом и для стадии 16 клеток. Если яйцо тритона перетянуть петлей не полностью, то делиться будет только одна половина, в которой оказалось ядро. На стадии 16 клеток одно ядро пропускали во вторую половину зародыша и

Затем перетягивали зародыш на две части полностью. И тот зародыш, который получил 15 ядер из 16, и тот, что получил только одно, образовали нормальных зародышей.

Эти опыты показали неверность гипотезы Вейсмана, но не могли осветить современный аспект проблемы: не происходят ли в ходе дифференцировки в ядрах необратимые изменения, ограничивающие их тотипотентность — способность обеспечить развитие целого зародыша, т. е. дифференцировку во всех направлениях? На стадии 16 клеток у амфибий дифференцировки еще нет. Для этого было необходимо испытать ядра на более поздних стадиях.

Дальнейшее развитие техники ядерных трансплантаций, как мы увидим, тоже не дало окончательного ответа на эти вопросы. Новые молекулярные методы дали в самые последние годы совершенно неожиданные результаты, однако вопрос еще далек от полного разрешения.

 

1. Трансплантация ядер

В 1953 г. американские ученые Бриггс и Кинг осуществили знаменательный эксперимент: из неоплодотворенного яйца лягушки было удалено собственное ядро и на его место пересажено ядро другого зародыша, взятое со стадии бластулы. Фактически трансплантировали всю клетку бластулы, но мембрана ее была разрушена всасыванием в тонкую пипетку, а ядро оставалось неповрежденным. Яйцо с ядром из бластулы в значительном проценте случаев начинало нормально делиться, образовывало зародыш, головастика и наконец лягушку. На всех этих стадиях часть животных погибала, но во многих случаях были получены взрослые нормальные лягушки, которые дали потомство. Техника пересадки была усовершенствована Гёрдоном, и процент удачных трансплантаций был повышен.

Однако, если брать ядра на более поздних стадиях — гаструлы, хвостовой почки и т. д., процент удачных опытов будет все более уменьшаться. Даже ядра из клеток кишечника головастика в некоторых случаях дали начало нормальному эмбриональному развитию. Сходный результат был получен, когда для пересадки использовали ядра из клеток опухоли и из клеток кожи взрослой лягушки, хотя в таких опытах далее головастика развитие не шло. Ядра, полученные из клеток разных тканей, сильно отличались по их пригодности к трансплантации. Ho в целом стало очевидно, что в ходе дифферёнцировки способность ядер давать начало нормальному развитию яйца падает.

Эти опыты были успешно повторены различными исследователями на разных видах амфибий. Однако ни в одном случае из ядер клеток взрослого животного не было получено ни одного взрослого животного. Поэтому если в начале шла речь о том, что на поздних стадиях ядра легче травмируются (и такие повреждения действительно часто обнаруживались), то сейчас очевидно, что одним этим объяснить неудачи нельзя.

Опыты на дрозофиле дали в принципе сходные результаты. Здесь ядра инъецировались в оплодотворенное яйцо, где в момент трансплантации происходили деления собственных ядер. Трансплантированные ядра со стадии бластулы, взятой от другой, иначе пигментированной линии мух, смешивались с собственными ядрами и участвовали в образовании различных органов, показывая тем самым свою тотипотентность. Более того, когда ядра бластулы попадали в заднюю часть яйца, они образовывали нормальные половые клетки, из которых получали мух той линии, чьи ядра были трансплантированы.

Однако, если в оплодотворенное яйцо трансплантировали ядра из клеток культуры тканей, участие этих ядер в образовании различных органов было существенно реже, чем при инъекции эмбриональных ядер. И в этом случае полученные мухи уже никогда не давали потомства с генетическими признаками трансплантированной линии, т. е. половые клетки из таких ядер не возникали. Это тоже свидетельствует о каких-то ограничениях потенций.

Может быть, со временем дифференцированные ядра удастся каким-то неизвестным пока образом перевести в менее дифференцированное состояние и тогда их трансплантация с поздних стадий или из клеток взрослого организма окажется успешной. В пользу такой возможности свидетельствуют неудачи трансплантации ядер из клеток зародышевого пути — мужских половых клеток на стадии сперматогоний, когда они еще не начали дифференцироваться в сперматозоиды. В этом случае генетический материал явно не имеет необратимых изменений. Поэтому неудачи легче объяснить техническими трудностями трансплантации, чем принципиальной невозможностью. Тем не менее проще допустить, что в ходе дифференцировкп в ядрах нарастают необратимые изменения.

Такой проблемы, по-видимому, практически не существует у растений. Там из некоторых видов отдельных клеток взрослого растения удается выращивать целые растения. Этот результат может служить подтверждением отличий растений от животных: у растений многие клетки взрослого организма могут стать клетками зародышевого пути и давать начало новым поколениям.

Если действительно окажется, что у взрослого животного ядра дифференцированных клеток необратимо теряют способность к нормальному развитию, то значительно осложнится заманчивая идея о «клонировании людей», уже обыгранная фантастами и обсужденная с разных сторон учеными. Мы коснемся здесь только биологической стороны вопроса.

Для практического использования метода «клонирования людей» необходимо: а) трансплантировать ядра из клеток взрослого организма и получать нормальное развитие вплоть до взрослого организма; б) распространить эти опыты на млекопитающих: недавно поступили сведения, что после долгих усилий у мышей удалась трансплантация ядер, но пока только из ранних эмбриональных клеток; в) получить уверенность, что результаты всегда будут успешными. Тогда пересадка в безъядерную яйцеклетку человека ядра из клетки взрослого человека и возвращение такой яйцеклетки в женский организм привели бы к рождению ребенка, который генетически был бы однояйцовый близнец донора, от которого было получено ядро. Это означает, что не только внешний вид, но с большой вероятностью и умственные способности были бы тождественны или близки у донора и его «близнеца», который отличался бы от обычных близнецов лишь разницей в возрасте. Если все это оказалось бы так, то перед человечеством открылась бы возможность «повторять» отдельных гениальных ученых или деятелей искусства и даже увеличить их число в большом числе копий. Мы можем не касаться деталей и возникающих проблем — слишком все это пока фантастично. Ho если бы такая идея была осуществлена, это могло бы значительно повысить интеллектуальный и творческий потенциал всего человечества.

 

2. Молекулярные методы изучения изменений ДНК в ядрах

В предыдущей главе мы уже говорили о гибридизации молекул ДНК. Этот метод позволяет сравнивать, в частности, ДНК, полученные из разных стадий развития одного вида. Если гибридизация ДНК раннего зародыша и взрослого животного полная, то можно говорить, что потерь ДНК в ходе развития не происходит. Имеющиеся сегодня данные говорят именно об этом. Однако точность гибридизации ДНК — ДНК хотя и велика, но еще недостаточна, чтобы говорить о неизменности отдельных генов. Поэтому пока можно утверждать лишь отсутствие существенных потерь в ДНК, но не отсутствие более мелких изменений в отдельных генах.

Долгое время в дифференцированных клетках шли поиски явления амплификации генов, подобного тому, что происходит в ооцитах с генами рибосомной РНК. Казалось, что амплификация должна быть в терминальных и узкоспециализированных дифференцировках, таких, например, как в клетках шелкоотделительной железы шелкопряда, синтезирующей почти исключительно фиброин шелка, и где должны быть исключительно активны лишь один или несколько генов. Однако оказалось, что как раз в этих клетках амплификации обнаружить не удалось, а преимущественный синтез одного белка достигается иными способами — например, большим временем жизни мРНК, в результате чего они накапливаются в клетке. В последние годы амплификацию, однако, удалось обнаружить в нескольких, пока немногих, случаях.

Особый круг явлений был обнаружен при действии па клетки культуры тканей метотрексата — ингибитора фермента дигидрофолатредуктазы. При этом происходит постепенное, в течение многих клеточных поколений, многократное увеличение числа генов этого фермента, так что его активность в клетках возрастает в сотни и тысячи раз. Этот процесс часто называют амплификацией, хотя в данном случае речь идет не о процессе развития (как в оогенезе), а о процессе клеточной эволюции. Число генов дигидрофолатредуктазы умножается лишь у очень немногих клеток, которые единственно и остаются живыми в среде, содержащей ингибитор, т. е. отбираются. Увеличение количества генов происходит, однако, не в результате обычных мутаций: было показано, что на первых этапах увеличивается число генов фермента во внехромосомных фрагментах ДНК, которые лишь позже (при непрерывном действии отбора) встраиваются в хромосомы, создавая в них большие повторяющиеся участки, содержащие ген фермента. Таким образом, речь все же идет об эволюционных изменениях генома, но в нем участвуют плохо пока изученные механизмы выщепления генов из хромосомы, их размножения и последующего, через ряд поколений клеток, встраивания в геном.

Об изменении генома можно, по-видимому, говорить и при политенизации хромосом (например, у дрозофилы): в некоторых их участках (высоко- и среднеповторяющиеся последовательности, и в том числе рРНК) репликация происходит меньшее число раз и в результате возникают недореплицированные районы хромосом.

Амплификацию генов в процессах развития, безусловно, можно отнести к изменению генетического материала, но необратимой ее назвать нельзя: ведь сама хромосома при этом не изменяется. К тому же амплификация проходит совершенно «безвредно» для клеток зародышевого пути — ооцитов, где ее и обнаружили. Этого нельзя сказать об эволюционной амплификации, так как после встраивания многократно повторенных генов в хромосомы, эти изменения генома являются необратимыми, хотя могут подвергаться обратным эволюционным изменениям. Клетки — носители таких изменений — имеют преимущества только при размножении в среде, содержащей метотрексат. Без него их преимущества, очевидно, утрачиваются.

Некоторые свидетельства в пользу изменений генетического материала в развитии были получены при сравнении репликации в различно дифференцированных клетках человека одним из авторов этой книги. Так, оказалось, что включение разных предшественников (нуклеотидов) в ДНК фибробластов и лимфоцитов происходит неодинаково. При радиоавтографическом исследовании было обнаружено, что в гетерохроматические районы некоторых хромосом в фибробластах включается больше аденина и тимина (АТ-пары), чем в лимфоцитах. Это может означать, что состав ДНК в ходе дифференцировки этих двух типов клеток несколько различается, т. е. изменяется.

В последние годы большое внимание уделяется переносу генетического материала внутри генома и между клетками. Известно, что многие ДНК-содержащие вирусы могут встраиваться в ДНК клеток хозяина, некоторое время размножаться вместе с его хромосомами, а затем вновь выходить из состава хромосом, чтобы через некоторое время встроиться в ДНК других клеток. При этом нередко вирусы захватывают с собой и тем самым переносят часть ДНК хозяина. Сейчас этот механизм генетического переноса рассматривается как один из возможных факторов эволюционного процесса, значение которого пока трудно оценить.

Перенос генетического материала внутри геномов и между ними был обнаружен у бактерий и без участия вирусов. Он осуществляется специальными последовательностями ДНК, которые получили названия «i-элементы» и «транспазоны». В последние годы похожее явление переноса было обнаружено и у эукариот. Так, в ходе развития дрозофилы ген white (белые глаза) может перемещаться и в другие участки генома, и это сказывается на его экспрессии. Происходит это, по-видимому, случайно и редко, а поэтому не может играть роли в развитии. Ho если вероятность таких переносов не очень мала, то это может быть реальным механизмом изменения генома в развитии, делающим соматические ядра не способными начать нормальное развитие заново. Эти явления изучены еще недостаточно, чтобы говорить о них больше.

Наконец, самое, может быть, захватывающее открытие последних лет сделал американский ученый Тонегава. Он обнаружил закономерные изменения структуры ДНК в лимфоцитах, продуцирующих иммуноглобулины. Подробнее проблему иммунитета мы разберем в одной из следующих глав, но здесь можно коснуться лишь явления изменений ДНК, происходящего при дифференцировке лимфоцитов. Гены иммуноглобулинов состоят из трех или даже четырех компонентов, каждый из которых представлен в геноме несколькими вариантами. Один из компонентов — вариабельный представлен в геноме несколькими сотнями генов, другой — соединительный — всего четырьмя или пятью, а третий — константный. Ho и константный компонент гена иммуноглобулина в зависимости от этапа и характера дифференцировки представлен одной из шести — восьми последовательностей. Во время дифференцировки лимфоцита происходит объединение этих компонентов в один составной ген, кодирующий полипептидную цепь молекулы иммуноглобулина. Пока не очень понятно, происходит ли такое объединение за счет переноса вариабельной части к соединительной или скорее за счет делеции — потери большого района ДНК (около 20 000 пар оснований), лежащего между одним из вариабельных компонентов и одним из соединительных. В таком переносе можно различать и закономерное и случайное. Закономерно, что перенос происходит только при дифференцировке лимфоцитов и всегда состоит в сближении определенных элементов. Однако выбор того, какой из вариабельных участков сблизится с одним из соединительных, происходит случайно, и этим создаются необходимые различия генов иммуноглобулинов у разных лимфоцитов. Перенос частей гена друг к другу, очевидно, необратим, и, следовательно, ядро лимфоцита уже не содержит всего набора генов: часть вариабельных генов теряется при переносе.

Может быть, этот перенос, или делеция, и не препятствует тому, чтобы ядро лимфоцита, если его трансплантировать в яйцо, участвовало в дифференцировке различных типов клеток. Ho очевидно, что образование разных лимфоцитов из потомков такого ядра будет затруднено, если вообще возможно. К тому же если механизм такой закономерно возникающей делеции в принципе существует, то он может использоваться не только в случае дифференцировки лимфоцитов.

Для того чтобы выяснить, не происходят ли подобные изменения структуры генома при других диффереицировках, было проведено изучение последовательности нуклеотидов, лежащих вокруг гена. Сравнивались гены глобина, овальбумина и другие в тех клетках, где они активны (эритробласты, клетки яйцевода), и в тех клетках, где они не работают. Если бы изменения структуры генома происходили, порядок нуклеотидов в активных и неактивных клетках отличался бы (так и было сделано открытие Тонегавы). Однако ни для глобина, ни для нескольких других исследованных генов таких отличий найдено не было. Это означает, что случай с генами иммуноглобулинов является совсем не общим правилом, а скорее исключением и, может быть, даже единственным.

Заключая эту главу, можно сказать, что в ходе развития животных (в отличие от растений) в соматических клетках, по-видимому, происходят и случайные и закономерные изменения организации и расположения генетического материала. Изменения эти, вероятно, не очень часты и велики, но они все же могут сказываться на ходе развития. Этим, в частности, могут быть объяснены неудачи в попытках получить нормальное развитие до взрослого организма при трансплантации ядер из дифференцированных взрослых клеток. В случае с иммуноглобулинами эти изменения наступают закономерно, и смысл их очевиден. В других случаях изменения генома могут быть и случайными. Они могут не сказываться на развитии тканей и органов, где каждая отдельная клетка выполняет ограниченную функцию и может быть заменена другой клеткой. Ho эти же изменения, повторенные во всех клетках зародыша (при трансплантации ядер), делают, очевидно, полноценное развитие из ядер дифференцированных клеток редким или даже невозможным. Проблема эта, однако, требует новых, более достоверных данных.