Г. Гаструляция у млекопитающих 5 page

Выделяют два принципиальных вида программированной клеточной гибели: апоптоз «изнутри» и апоптоз «по команде».

В первом случае задача процесса — убрать поврежденные клетки. Апоптоз запускается сигналами, возникающими внутри самой клетки при неудовлетворительном ее состоянии — повреждении хромосом, внутриклеточных мембран и т.д.

Второй вариант апоптоза наблюдается во вполне нормальных и жизнеспособных клетках, которые с позиции целого организма оказываются ненужными или вредными. В этом случае клетка получает из внеклеточной среды, например, от окружающих клеток сигнал «погибнуть», который передается через мембранные или, реже, цитоплазматические рецепторы. Иногда сигналом для начала апоптоза может быть отсутствие сигнала для ее сохранения. В результате контакта сигнальных молекул с наружной частью белка-рецептора последний претерпевает структурные (конформационные) изменения, что тем или иным способом приводит к запуску реакций клеточной гибели.

Механизмы апоптоза многообразны. Они представляют собой сложнейшие молекулярные каскады. Остановимся на роли некоторых основных участников этих каскадов.

Реализуемые в организме схемы осуществления апоптоза различаются в основном своими начальными стадиями (рис. 8-18). Многие из них осуществляется с участием белка р 53 и лишь небольшая часть, например, запускаемая с рецепторов факторов некроза опухолей (ФНО), реализуются без его участия (см. также 3.1.2 и рис.3-4).

Рис. 8-18. Обобщающая схема некоторых механизмов апоптоза.

Какими бы сигналами не запускалась программируемая клеточная гибель — внешними или внутренними, — если в схеме принимает участие белок р 53, то происходит его накопление и увеличение активности.

Белок p 53 в норме присутствует во всех типах клеток. Он локализуется в ядре, где функционирует как транскрипционный фактор. В его молекуле у человека— 392 аминокислотных остатка, образующих шесть различных по размеру и функции доменов (блоков).

Центральный и самый большой домен (включающий около 200 остатков) отвечает за узнавание энхансеров генов-мишеней и связывание с ними. В результате изменяется активность нескольких групп генов и среди них — генов, продукты которых принимают участие в реализации апоптоза. К последним относятся гены, кодирующие белки, стабилизирующие мембраны митохондрий (BCL 2, BCLХ и др.) и, наоборот, повышающие их проницаемость (например, ВАХ, ВАD, BAK). Изменение соотношения этих белков в цитоплазме клетки вызывает повышение проницаемости мембран митохондрий, вследствие чего ее покидают белки, активирующие каспазный каскад через каспазу 9 (Aif, цитохром C). Включение апоптозного пути через рецепторы без вовлечения белка р 53 активирует этот же каскад, но через каспазу 8.

Каспазы — семейство белков, являющихся непосредственными участниками внутриклеточных реакций, обеспечивающих апоптоз. Каспазы представляют собой ферменты — сериновые или цистеиновые цитоплазматические протеазы (протеиназы), в зависимости от наличия в их активном центре соответствующей аминокислоты. В своих белках-мишенях каспазы разрывают те пептидные связи, которые образованы с участием остатка аспарагиновой кислоты. Считают, что эти ферменты находятся в цитоплазме практически всех клеток, и до инициации реакций клеточной гибели они присутствуют в виде неактивных предшественников — прокаспаз. Последние активируются путем ряда модификаций. Известно 14 каспаз, которые подразделяются на инициаторы, эффекторы и стимуляторы. Каспазы способны в определенной последовательности активировать друг друга, образуя своего рода каскад, причем разветвленный. Инициаторы (каспаза 8 и 9) расщепляют и активируют каспазы-эффекторы. Одна из них — узловое звено каспазного каскада — каспаза 3. Ее мишени — как другие участники этого каскада, так и, возможно, некаспазные белки. Функция завершающих членов каскада — ограниченный протеолиз (разрушение) некоторых цитоплазматических и ядерных белков, что и приводит к развитию морфологических проявлений апоптоза.

В эмбриональном периоде развития основным видом программированной клеточной гибели является апоптоз «по команде».

Особое значение этот клеточный механизм имеет для многих формообразовательных процессов. Так, разделение пальцев на руках или ногах зародыша, разделение локтевой и лучевой костей предплечья, формирование суставов основано на гибели клеток, которая осуществляется избирательно, в определенных участках зачатков конечностей (рис. 8-19). Образование полостей сосудов (кавитация), которые первоначально представляют собой тяжи клеток, разделение верхнего и нижнего век и многие другие процессы развития имеют в своей основе механизм избирательной клеточной гибели.

Рис. 8-19. Апоптоз во время нормального развития конечности мыши. а — клетки, подвергающиеся апоптозу, мечены желтым, б — та же конечность через 1 сут.

Апоптоз обеспечивает также и исчезновения органов. Таким образом происходит резорбция личиночных органов животных при метаморфозе, например, жаберных лепестков, хвоста и кишечника у головастиков. Подобные примеры имеют место и в эмбриональном развитии человека. Как и у других млекопитающих, у человека закладываются 9–10 хвостовых позвонков, волосяной покров, шесть или семь зачатков пальцев. Наблюдаемая в последующем развитии гибель клеток в этих закладках приводит к тому, что в копчике остается 4–5 позвонков, редуцируется большинство волосяных зачатков, а конечности становятся пятипалыми. В ходе развития мочеполовой системы погибают клетки предпочки и туловищной почки, в центральной нервной системе происходит гибель части нейронов, что в большинстве случаев обусловлено отсутствием контакта с клетками-мишенями.

Нарушение механизма программированной клеточной гибели приводит к формированию аномалий развития, таких, как синдактилия (сращение пальцев), гипертрихоз (повышенное оволосение), полидактилия (многопалость) (рис. 8-20).

Рис. 8-20. Полидактилия кисти и стопы.

Как уже было сказано, процесс апоптоза требует скоординированной регуляции экспрессии многих генов. Нарушения синтеза белковых продуктов любого из них влекут за собой сбои в развитии и функционировании различных клеточных популяций. Так, активность гена белка bcl -2 требуется для поддержания жизнеспособности лимфоцитов, меланоцитов, эпителия кишечника и клеток почек во время развития эмбриона. Продукт гена Вcl - x необходим для ингибирования смерти клеток в эмбриогенезе, особенно в нервной системе. Экспрессия гена Bax требуется для апоптоза тимоцитов и поддержания жизнеспособности мужских половых клеток в ходе гаметогенеза. Как в эмбриогенезе, так и в постнатальном развитии механизм клеточной гибели используется организмом для предотвращения несанкционированной пролиферации поврежденных или патологически измененных клеток. Мутации гена p 53 обнаруживаются примерно в половине опухолей, независимо от их происхождения или типа. Мыши, у которых отсутствовали оба гомолога этогоих гена, проявляли чрезвычайно высокую склонность к развитию злокачественных образований в результате полного или частичного нарушения апоптоза предопухолевых клеток.

Таким образом, программированная клеточная гибель является естественным, эволюционно обусловленным и генетически контролируемым механизмом развития, активно реализуемым организмом на различных стадиях онтогенеза для решения широкого спектра задач.

8.2.5. Дифференцировка клеток

Еще один клеточный механизм развития — дифференцировка клеток (см. также 3.1.3). Именно благодаря ей однородный клеточный материал ранних стадий онтогенеза становится разнородным, образует ткани, входит в состав различных органов, физиологических и функциональных систем. Так, в эмбриогенезе человека из одной клетки — зиготы — формируется особь, имеющая нервную, мышечную, соединительную и эпителиальную ткани, в состав которых входит более 220 клеточных типов (например, клетки соединительной ткани — остеобласты и остеокласты, остеоциты, хондроциты, фибробласты, лейкоциты эритроциты и т.д.). Клетки и ткани образуют опорно-двигательную, сердечно-сосудистую, мочеполовую, иммунную и другие физиологические (не путать с функциональными системами П.К.Анохина) системы органов.

Клеточной дифференцировкой (цитодифференцировкой) называется процесс приобретения клетками биохимических (цитохимических), морфологических и функциональных различий. Другими словами, это процесс, в результате которого клетка становится специализированной, имеющей характерное строение, определенный тип метаболизма, и способной к выполнению определенных функций.

Как правило, дифференцируются не отдельные клетки, а группы сходных клеток, которые претерпевают постепенные изменения на протяжении нескольких клеточных циклов. Дифференцировка клеток, гистогенез и морфогенез совершаются в совокупности, причем в определенных участках зародыша и в определенное время. Это важно, потому что указывает на скоординированность и интегрированность эмбрионального развития. Первые биохимические и морфологические различия между клетками у большинства позвоночных обнаруживаются в период гаструляции.

Для недифференцированного состояния клетки характерны относительно крупное ядро и высокое ядерно-цитоплазматическое отношение, диспергированный хроматин (эухроматин) и хорошо выраженное ядрышко, многочисленные рибосомы и интенсивный синтез РНК и белков, высокая митотическая активность и достаточно интенсивный, но неспецифический метаболизм. Все эти признаки изменяются в процессе дифференцировки, характеризуя приобретение клеткой специализации.

8.2.5.1. Роль генетического материала в дифференцировке клеток

Развитие представлений о механизмах цитодифференцировки представлено на рис. 3-6 (см. также 6.5.1).

К настоящему времени установлено, что сбалансированность генотипа (генома, см. 4.3.3) по дозам генов — одно из основополагающих условий нормального развития особи. Действительно, формирование новых организмов в подавляющем большинстве случаев происходит из одной или нескольких диплоидных клеток, которые делятся митозом. Этот механизм деления обеспечивает генетическую идентичность материнской и дочерних клеток, то есть равномерное распределение генетического материала в дочерних клетках последовательных поколений. Следовательно, все соматические клетки, образующиеся в ходе развития, среди которых и первичные половые клетки (гоноциты), имеют полный набор генетического материала. (Редкие случаи соматических мутаций учитывать не будем.) Наиболее прямые доказательства эквивалентности геномов соматических клеток получены методами молекулярной гибридизации нуклеиновых кислот (см. 5.2.2.3): ДНК всех типов клеток организмов определенного вида имеют одинаковое количество ДНК и одинаковые типы последовательностей нуклеотидов.

Возникающая в процессе развития специализация клеток — результат дифференциальной (избирательной) экспрессии генов. Эта точка зрения ведет начало от Т.Г. Моргана, который, опираясь на хромосомную теорию наследственности, предположил, что дифференцировка клеток в процессе онтогенеза является результатом последовательных реципрокных (взаимных) влияний цитоплазмы и меняющихся продуктов активности генов. Различные типы клеток многоклеточного организма используют разные гены из одинакового набора, присутствующего в каждой клетке. Это означает, что в конкретных клетках активны не все гены, а только часть из них, причем экспрессия тех или иных генов происходит избирательно в зависимости от типа клеток, этапа онтогенеза и других факторов. Результатом такой избирательной экспрессии становится образование в разных типах клеток различных наборов белков, которые обеспечивают протекание в клетках определенных биохимических реакций, специфичность их строения и функции(й). Так, нервные клетки способны возбуждаться и передавать это возбуждение на другие клетки, эритроциты — транспортировать кислород к тканям, мышечные клетки — сокращаться и тем самым обеспечивать различные проявления движения, фоторецепторы — воспринимать световой поток. Выполнение этими клетками специфических функций определяется их строением, а именно: наличием отростков у нейронов, по которым передается возбуждение; двояковогнутой формой эритроцитов, позволяющей им проникать в узкие капилляры и осуществлять газообмен; значительной протяженностью мышечных волокон, образованных при слиянии нескольких клеток-предшественниц, что делает их способными эффективно изменять свою длину; формированием складок мембраны, где располагается фотопигмент, у палочек и колбочек. Указанные морфофункциональные различия обеспечиваются разнообразием белков: нейроны продуцируют нейропептиды, эритроциты — гемоглобин, мышечные клетки — актин и миозин, клетки сетчатки — опсины. В некоторых случаях дифференцировка оказывается связанной с синтезом не белков, а других веществ, например сахаров и их производных. Так, межклеточное вещество хрящевой ткани состоит из мукополисахаридов — производных углеводов. Однако их синтез в клетках-хондробластах невозможен без некоторых специфических ферментов, а последние — это белки. Поэтому утверждение, что в основе подавляющего большинства клеточных дифференцировок лежит синтез специфических белков, абсолютно справедливо. Следует подчеркнуть, что этот принцип дифференцировки является общим в онтогенезе как животных, так и растений, несмотря на то, что между ними существуют огромная эволюционная дистанция и существенные различия в характере развитии.

Гипотезу избирательной активности генов подтверждают данные, полученные в генетических и эмбриологических исследованиях, в том числе с применением электронного микроскопа политенных хромосом (см. 2.4.3.4-а). На электронограммах хорошо видны “темноокрашенные” (сильно поглощающие электроны) области плотной упаковки ДНК, которые получили название дисков. Между ними расположены светлые участки генетического материала (ДНК) менее плотной упаковки. Многие отдельные диски соответствуют отдельным генам. Активная транскрипция определенных генов в таких хромосомах сопровождается образованием вздутий или пуфов на месте дисков (рис. 8-21). Сравнение различных типов дифференцированных клеток по набору только что транскрибированных молекул пре-и(м)РНК, выполненное методом молекулярной гибридизации молекул РНК с комплементарными им участками ДНК, также выявило различия в зависимости от типа клеток: клетки разных типов, синтезирующие отличающиеся и(м)РНК и белки, демонстрируют в одних и тех же хромосомах различную локализацию пуфов. Кроме того, расположение пуфов меняется в ходе онтогенетического развития, что коррелирует с синтезом определенных белков в конкретный промежуток времени (рис. 8-21).

Рис. 8-21. Последовательное изменение активности трех пуфов с особой морфологией — колец Бальбиани (КБ1-КБЗ) у Chironomus tentans. 1 — диск, 2 — междисковый промежуток, 3 — пуф.

По мере развития число функционирующих генов в клетке, по-видимому, прогрессивно снижается. Так, из порядка 40 тыс. генов одного из видов морского ежа на стадии бластулы активно примерно 30 тыс., гаструлы и личинки — 12–15 тыс., у взрослых животных — 5–7 тыс. генов. У человек в раннем эмбриогенезе активны до 60% генов, а в дифференцированных клетках взрослого организма — от 1 до 7–10% (по отдельным данным, до 44% в нервных клетках). Установлено, что часть генов при усилении специализации блокируется в клетках необратимо. Подтверждением тому могут служить уже упоминавшиеся опыты Дж. Гердона (см. 6.5.1 и рис.6-2 и 8-22). Количество успешных развитий особей прямо зависело от возраста донора ядра дифференцированной клетки, пересаживаемого в энуклеированную яйцеклетку (рис. 8-22). Эти опыты обнаружили и другие закономерности. Так, они подтвердили предположение Т.Г. Моргана о решающем значении взаимодействия цитоплазмы и ядра в жизнедеятельности клеток и развитии организма.

Рис. 8-22. Зависимость успеха пересадки ядер из дифференцированной клетки в яйцеклетку от возраста донора (I–VI) ядра: I — бластула, II — гаструла, III — нейрула, IV — появление мышечной реакции, V — начало сердечной деятельности и вылупления, VI — активное плавание; 1 — ранняя гаструла, 2 — нейрула, 3 — плавающий головастик, 4 — питающийся головастик; вверху изображена схема опыта.

Структурные гены генома (пары аллельных генов генотипа) подразделяют на две группы: гены «домашнего хозяйства», кодирующие белки, обеспечивающие реализацию фундаментальных процессов жизнедеятельности в клетке, и гены дифференцировки, называемые также генами «роскоши». Последние отвечают за синтез специфических белков. На самых ранних этапах эмбрионального развития, а именно в ходе дробления, когда начинает работать собственный геном зародыша, первоначально экспрессируются только гены «домашнего хозяйства». Синтез белков, кодируемых генами «роскоши», в клетках большинства хордовых осуществляется, начиная со стадии бластулы. В этой группе представлены гены, кодирующие тканеспецифические белки, характерные для всех типов клеток данной ткани (например, нервной), и гены, кодирующие типоспецифические белки, определяемые только в конкретных специализированных клетках (например, в колбочках). Первоначально в связи с дифференцировкой включаются гены, отвечающие за синтез тканеспецифических белков, а затем — типоспецифических. Проследить это возможно на примере синтеза белков мембраны. Клетки разных типов характеризуются различными белковыми компонентами клеточной поверхности, которые к тому же изменяются по мере развития клеток. Эти специфические мембранные белки часто выявляют с помощью антисывороток, поэтому их называют антигенами дифференцировки. На рис. 8-23 показаны временные изменения клеточной мембраны эпителиальной клетки дрозофилы по мере того, как она превращается в фоторецептор сетчатки. Как только эпителиальная клетка приобретает свойства нейрона, она экспрессирует антиген 22 С 10, который обнаруживается и на других нервных клетках. Вскоре клетка начинает синтезировать другую молекулу клеточной мембраны — антиген 24 В 10, что характерно только для нейронов, дающих начало фоторецепторам. На более поздних стадиях в некоторых областях созревающего фоторецептора появляется антиген 21 А 6, а затем другой, 28 Н 9, специфические для окончательно дифференцированных фоторецепторов сетчатки.

Рис. 8-23. Избирательность синтеза специфических белков клеточной мембраны в ходе дифференцировки нейрона в фоторецептор сетчатки.

Число активных генов терминальной дифференцировки в специализированных клетках очень невелико. При изучении разнообразия и(м)РНК в почках, печени и головном мозге мышей было обнаружено, что большая их часть была одинакова и представляла собой результат транскрипции генов «домашнего хозяйства». Лишь примерно 1/10 из общего количества активных генов, число которых, как было сказано выше, составляет 1–10%, оказались специфичны для какой-либо одной ткани (т.е. всего около 0,1–1% от общего числа генов генома). Именно они транскрибировались с уникальных нуклеотидных последовательностей генов «роскоши».

Часть клеток развивающегося организма не вступает на путь дифференцировки, сохраняя способность к самообновлению и потенциал к развитию — стволовые клетки (см. 3.1.2). Во взрослом организме присутствуют региональные (резидентные) стволовые клетки, которые могут дать начало одному (эпидермис кожи), нескольким (каемчатый эпителий тонкой кишки вместе с некоторыми одноклеточными железами названного органа) или многим типам (родоначальная клетка всех дифференцированных клеток периферической крови) специализированных клеток. Они найдены не только в хорошо регенерирующих в норме тканях, таких, как эпителий и красный костный мозг, но также и в статических, образующих, например, нервную систему и печень. Стволовые клетки играют центральную роль в гистогенезах и кроме того составляют существенный восстановительный резерв в организме, способствуя замещению дефектов, возникающих в силу тех или иных обстоятельств в разных органах.

Избирательная экспрессия генов, наблюдаемая в ходе клеточной дифференцировки, основана на действии целого ряда механизмов, которые условно можно разделить на две группы: локальные — внутриклеточные, обеспечивающие избирательную экспрессию генов в отдельной клетке и системные (межклеточные взаимодействия, эмбриональная индукция, нервная и гуморальная регуляция). Последние, определяя целостность развивающегося организма и достижение определенного конечного результата, регулируют дифференцировку клеток в строго определенном направлении и закономерное расположение различных дифференцированных клеточных типов в целом организме. Еще одним важным механизмом, обеспечивающим процесс дифференцировки и целостное развитие организма, является гетерогенность цитоплазмы яйцеклетки (овоплазматическая или ооплазматическая сегрегация).

8.2.5.2. Локальные (КЛЕТОЧНЫЕ) механизмы дифференцировки. ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ И УСЛОВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ФЕНОМЕНА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ ГЕНОВ.

Под экспрессией гена в ортодоксальном варианте понимают синтез в клетке белка (полипептида), кодируемого данным геном, то есть транскрипцию и трансляцию последнего. Если следовать приведенному пониманию термина “экспрессия гена”, то речь идет исключительно о транскрибируемых и транслируемых нуклеотидных последовательностях или сайтах ДНК, хотя есть и иные толкования названного термина, которые распространяют его также на транскрибируемые, но нетранслируемые сайты (например, рДНК или кластер генов рибосомных РНК – см. 4.3.3.2). Процесс реализации генетической информации у эукариот, существенным этапом которого является образование клеткой определенного белка (полипептида), к настоящему времени достаточно хорошо изучен, однако регуляция этого многоступенчатого процесса сложна и неоднозначна (см. 2.4.5.5-а), что таит в себе значительные возможности реализации принципа избирательной генной активности как механизма клеточной дифференцировки, в частности, в развитии. Данные многих исследователей, позволяют выделить следующие пути регуляции биосинтеза белков в клетках многоклеточных эукариот, связанные в частности, с приобретением клетками биохимических (по образуемым белкам) различий, что, по-существу, является следствием активного состояния в разных клетках различных генов (то есть реализация принципа избирательной генной активности): путем соматических мутаций, путем регуляции транскрипции, процессинга и(м)РНК и транспорта и(м)РНК из ядра в цитоплазму, путем регуляции трансляции, путем регуляция изменений (судьбы) полипептида на посттрансляционном уровне.

Не трудно видеть, что приведенные выше пути регуляции белковых синтезов клетками вполне укладываются в идею механизмов трансформации при определенных условиях потенциальной наследственной биоинформации генотипа в актуализированную биоинформацию фенотипа, которая, собственно, и “проверяется” естественным отбором на биологическую целесообразность Поражает, однако, разнообразие указанных механизмов: мутационная и комбинативная генотипическая изменчивость, факторы организации и регуляции потока биоинформации в живых системах на отдельных его этапах, эпигенетические механизмы, в частности, предусматривающие химическую модификацию макромолекул – принципиальных участниц потока биоинформации (метилирование ДНК, ацетилирование гистонов). В связи с отмеченным определенный интерес представляет историческая ретроспектива, имеющая, правда, большее отношение к процессу исторического развития живых форм, в виде цепочки: “неопределенная изменчивость” Ч.Дарвина или мутационная изменчивость современных неодарвинистов (см. 11.1) → элементарные эволюционные факторы (см., например, 11.1, 11.2, 11.3 и 11.5), меняющие генетический состав или гено(аллело)фонды популяций случайным образом, согласно СТЭ (неодарвинизма) → современные представления о факторах, повышающих генетическое разнообразие в живой природе, расширившиеся в частности, за счет раскрытия механизмов регуляции потока биоинформации на существенных его этапах (посттранскрипционные, в частности, альтернативный сплайсинг и посттрансляционные изменения, соответственно, и(м)РНК и полипептидов, а также за счет эпигенетических механизмов). Напомним, что феномен клеточной дифференцировки как существенная составляющая процесса индивидуального развития особи, в отличие от процесса исторического развития, касается не половых, а соматических клеток.

К примерам достижения биохимического разнообразия клеток в связи с соматическими мутациями могут быть отнесены случаи качественного и количественного изменения генетического материала (ДНК, хромосом, генома/генотипа), происходящие в ходе развития в отдельных соматических клетках и их группах. При этом очевидно, что произошедшая вначале как единичное явление в отдельной клетке соматическая мутация, например, генная может затем размножиться вследствие последовательных и многочисленных делений такой клетки и ее потомков.

Помимо генных соматических мутаций в их классическом молекулярно-генетическом понимании, а также таких событий, как амплификация генов, элиминация отдельных хромосом и/или геномов, генетический импринтинг, образование политенных хромосом, полиплоидизация соматических клеток (см. 2.4.3.4-а), несомненный интерес представляет перестройка генов иммуноглобулинов, в результате которой в организме человека иммунокомпетентные клетки могут синтезировать широкий (практически неограниченный) спектр различных белков-антител.

Действительно, в организмах высших животных, в том числе человека, существует более миллиона клонов В -лимфоцитов, различающихся по продуцируемым антителам (иммуноглобулинам). Иммуноглобулины состоят из легких и тяжелых аминокислотных цепей (последовательностей). Гены для легких цепей содержат 2 вариабельных сегмента ДНК (V и J) и константный сегмент C. Сегмент V представлен порядка 250 различными нуклеотидными последовательностями, а сегмент J — 4 такими последовательностями. На макромолекулах (цепях) ДНК еще недифференцированных клеток участки V, J и С пространственно разделены. В эмбриональном развитии в ходе дифференцировки В -лимфоцитов промежуточная ДНК элиминируется и любая из V -последовательностей может сблизиться с любой из J -последовательностей, а их комбинация — с константным С -сегментом, т.е. происходят перемещения (пример комбинативной генотипической изменчивости) нуклеотидных последовательностей ДНК. В итоге может быть образовано около 1500 различных комбинаций генов. Гены для тяжелых цепей иммуноглобулинов содержат вариабельные сегменты V, D и J, а также константный участок С (рис. 8-24). Их комбинирование дает около 30 000 вариантов. При синтезе конкретного иммуноглобулина объединяются белки, кодируемые одним из генов легких цепей и одним из генов тяжелых цепей, что определяет возможность продуцировать около 100 млн различных типов антител.

Рис. 8-24. Рекомбинация генов, кодирующих тяжелые цепи иммуноглобулинов (V, D, J и C).

Подобные механизмы являются скорее исключением и обнаруживаются либо у отдельных видов животных, либо на определенных стадиях развития, либо обеспечивают реализацию конкретной внутриорганизменной задачи.

Рис. 8-25. Схема возможных механизмов синтеза различных и(м)РНК с одного гена.

Действительно, в подавляющем большинстве случаев все соматические клетки организма имеют идентичный по количеству и содержанию набор нуклеотидных последовательностей (сайтов) ДНК. Наблюдаемая при их дифференцировке избирательная активность генов, обычно устанавливается на разных стадиях процесса реализации генетической информации — от транскрипции до посттрансляционных изменений образованных полипептидов — и базируется на действии многообразных механизмов (см.2.4.5.5-а и 2.4.5.6).

Осуществление и регуляция транскрипции обеспечивает синтез требуемых для данного типа клеток и/или для соответствующей стадии онтогенеза первичных транскриптов (пре-и(м)РНК) на определенных структурных генах. Некоторые примеры избирательной транскрипции обсуждались ранее — это синтез и(м)РНК на выпетлившихся участках хромосом типа «ламповых щеток», а также на пуфах политенных хромосом в ядрах клеток слюнных желез некоторых насекомых (см. 2.4.3.4-а).

Наборы транскрибируемых генов (структурных, смысловых, транскрибируемых и траенслируемых, экспрессируемых – см. 8.2.5.2) отличаются в разных клетках на разных этапах развития, что и определяет направление их дифференцировки. В многомодульной регуляции транскрипции в эукариотических клетках принимает участие ряд нуклеотидных последовательностей ДНК, которые выполняют сервисные и регуляторные функции (см. 2.4.5.5 и 2.4.5.5-а). Прежде всего, это расположенные в непосредственной близости от кодирующих последовательностей гена участки ДНК: промоторы (у эукариот) и операторы (у прокариот). Промоторы связывают РНК-полимеразу, комплекс общих транскрипционных факторов и специфические факторы транскрипции, операторы взаимодействуют с белками-регуляторами и веществами небелковой природы — эффекторами. Наличие нескольких промоторов в одном гене, как непосредственно в 5´ нетранскрибируемой области транскиптона (см. 2.4.5.5, направление upstream), так и в разных местах, пространственно независимо друг от друга по ходу крупного гена обусловливает альтернативную транскрипцию, т.е. образование различных форм и(м)РНК при инициации считывания с разных промоторов. Так, в крупном гене белка дистрофина, имеется 8 промоторов, с которых происходит альтернативная транскрипция в разных тканях (сердечных и скелетных мышцах, эмбриональных нейронах, коре головного мозга, сетчатке глаза), что приводит к образованию в этих тканях различных изоформ белка. Обсуждается возможность формирования разных и(м)РНК, транскрибируемых с одного гена, за счет использования альтернативных терминаторов (рис. 8-25).