2. Дифференцировканың генетикалық механизмдері

Гендердің дифференциалды активтілігі. Көп клеткалы орга-низмнің барлық клеткаларында гендердің үқсас жиынтықтары болады, бірақ түрлі уақытта әр түрлі тканьдерде сан алуан ген-дер әрекет етеді, солардың арқасында дифференцировка іске асады. Ген әсерінің реттелуі әр түрлі: репликация, транскрип-ция және трансляция деңгейлерінде іске асады.

Репликация деңгейіндегі реттелу. Реттелудің бүл типі дәл осы мезгілде қажетті немесе қажетсіз гендер көшірмелерінің санын көбейту немесе азайту есебінен жүзеге асырылып оты-рады.1

Кейбір жағдайларда гендердің саны емес, хромосомалардың немесе ДНК молекулаларының саны көбейеді. Дифференциров-ка процесінің барысында интенсивті қызмет етіп жатқан соматикалық клеткаларда полиплоидизацияның жүруі мүмкіні Егер көп клеткалыларда полиплоидты ядролар тіпті кездеспеуге жа-қын болса, қарапайымдарда олар ірі системалық категориялар-ға тән болады. Мәселен, инфузорияларда ядрольщ дуализм — бір мезгілде қатарынан екі ядроның — диплоидты генеративтік [микронуклеус) және вегетативтік немесе соматикалық (макро-нуклеус) ядролардың кездесуі орын алады. Қейбір инфузория-лардың макронуклеусі жоғары полиплоидты келеді.

Ядролық дуализм — түқым қуалайтын информацияны үр-пақтан үрпаққа беру үшін жауапты диплоидты микронуклеус (оның гендері фенотип бойынша көрінбейді және активтелмегён жағдайда болады) пен инфузорияның бүкіл тіршілік әрекетін бақылайтын жоғары полиплоидты (10000—13000 п) макро-нуклеус арасындағы өзінше «еңбек бөлісу». Плоидтың жоғары дәрежеде болуының арқасында макронуклеустің метаболиттік активтілігі де жоғары болады, бұл активтілік гендер өнімдерін көптеп шығару арқылы қамтамасыз етіледі.

Инфузорияның онтогенезінде макронуклеус өзінше ерекше дифференцияға ұшырайды. Коньюгацияның алдында ол ыды-райды, ал коньюгация аяқталғаннан кейін бөлінген диплоидты синшрионнан (мейозға ұшыраған екі гаплоидты микронуклеус-тің қосылу өнімі) қайтадан түзіледі. Бұдан кейін эндомитоздық бөлінудің арқасында макронуклеустің плоидтылығы инфузорияның осы түріне тән мөлшерге дейін көбейе береді.

Макронуклеустің әрбір гаплоидты жиынтығының барлық хромосомалары шеткі жақтарымен тұрақты коньюгация жағдайында болады және әрбір мұндай жиынтық тізбек тәрізденіп шұбатылып жатады. Инфуз-ориянын, жыныссыз көбейетіндігіне қарамастан макронуклеус амитоздық жолмен бөлінеді, хромо-сомалар коныогациясының ерекше сипаты және оның жоғары плоидтылығы, жас ядроларға бірнеше хромосом жиынтықтары-ның түсуін қамтамасыз етеді, ол жиынтықтардың саны одан әрі эндомитоздық бөліну аркасында осы түрге тән мөлшерге дейін көбейе береді. Осы себептер бойынша макронуклеус регенерациялануға қабілетті болады, бір клеткалы организм үшін бұл аса маңызды.

. Соңғы жылдары кейбір инфузориялардың гендер көшірмеле-рі санының кебеюіне басқа да жол — политенизация ашылды. Онан соң политенді хромосома жеке хромомерлерге, тіпті ген-дерге ыдырайды, олар макронуклеус бөлінген кезде жас ядро-ларға кездейсоқ таралады.

Жануарлар мен есімдіктердің кейбір түрлерінің дифферен-цияланған тканьдерінің клеткаларында эндомитоз және политения қүбылыстары байқалады. Мәселен, кейбір өсімдіктердің крахмал түзетін клеткаларында, хар түқымдас балдырлардың маманданған клеткаларында, сүт қоректілердің бауыры мен ішек эпителийінде эндомитоз жүреді, соның нәтижесінде бүлар-да полиплоидия орын алады. Хромосомалардың политендік жағдайы сілекей бездерінің интенсивті қызмет жасап жаткан ядроларына, ішекке және қос қанаттылар личинкаларынын, мальпигий түтікшелеріне тән болады. Осы мысалдардың бәрі хро-мосомалардың күйі мен санының организмнің соматикалық клеткаларының морфофизиологиялық дифференцировкасымен сез-сіз байланысы бар екенін көрсетеді.

Жекелеген гендердін, кебею қүбылысы — гендердің ампли-фикациясы анағүрлым кең таралған. Мәселен, кейбір омыртқа-лылардың ооциттерінде «лампа щеткалары» типтес хромосома-лар табылды (3-тарауды қара). «Лампа щеткаларының» ілмек-тері хромосоманың деспиралданған учаскелері болып табылады. Олардан и-РНК-ның көп мөлшері табылды, демек гендер ак-тивті түрде қызмет етеді. Каллан әрбір иректі бір геннің көптеген репликтерінің линиялы жиынтығы деп санайды, осынын, арқасында и-РНК-ның көптеген санын синтездеу мүмкіндігі арта түседі, оны соңынан эмбрион пайдаланады (225-бетті қа-ра). Гендердің амплификациясы кеңінен таралған құбылыс, ол өсімдіктердіқ, жануарлардың және адамнын, қызмет атқарып жатқан әр түрлі клеткаларынан табылды. Мүндай гендер қыз-мет атқармайтын жерде, олар хромосоманың гетерохроматиндік аудандары болады (2-тарауды қараңыз).

Транскрипция деңгейіндегі реттелу. Бұл механизм транск-рипция процесінің түрлі сатыларында жүмыс істей алады. Мә-селен, РНҚ-полимеразаның жекелеген гендерге туыстығы өзгеруі мүмкін және осының нәтижесінде осы гендерден транскрип-цияланатын и -РНК-ның саны өзгереді. Санаудың басы немесе соңы өзгеруі мүмкін, осының нәтижесінде қысқарған немесе үзарған и -РНҚ-нық молекулалары пайда болады. Және ең соңында метаболизмнің ерекшеліктеріне байланысты геномның жекелеген учаскелері РНК-полимеразаны өткізуі немесе өткіз-беуі мүмкін. Бұл оперондыщ реттелу деп аталады. Уақыт жағы-нан гендер активтілігі реттелуінің осы системасын бактериялар-да Ф. Жакоб пен Ж. Моно ашты және ол гендердің үш типінең: белок-ферменттерді синтездеуге жауапты бірнеше структуралық гендерден, ген-оператордан, ген-реттеушіден түрады. Ген-опера-тор және онымен тығыз тіркескен структуралык, гендер оперон қүрайды (87-сурет).

Кызметі жағынан бір-біріне байланысты ферменттерді ты-ғыз тіркескен және и -РНК-ның бір молекуласын транскрип-циялайтын структуралық гендер кодтайды? Осы гендер транск-рипцияның реттелуші бірлігі — оперонға кіреді. Структуралық гендерден транскрипцияның болуы немесе болмауы ген-опера-тормен анықталады. Оператор көбінесе РНК-полимеразаның қосылу нүктесі—промотормен — структуралы гендер аралығын-да жатады, яғни олармен тығыз тіркескен. Егер оператор бос

87-сурет. Реттеуішоперон системасының жұмысын көрсететін схема. (Түсініктеме тексте беріліи отыр).

болса, РНК- полимераза одан өтіп кетіп, и -РНК-ны синтездеуге кіріседі. Егер оператор ерекше белокрепрессордың бо-луына байланысты бос болмаса, и -РНК синтезделмейді. Белок-репрессор оперонмен тығыз тіркеспеген ген-реттеушімен кодта-лады. Репрессордың өз операторынан орын алуы қабілеті эффекторлармен — физиологиялық сигналдар болып табыла-тын кішіректеу молекулалармен анықталады. Олардың іс-әре-кет сипаты метаболизмнің қандай сатысын бақылайтынына байланысты болады. Мәселен, клеткада реттелмейтін әр уақытта болатын және синтезделуі конститутивтік ферменттер бар.

Ферменттердің басқа тобы оперон системасымен реттеледі. Бұл, біріншіден, катаболизмге қатысатын индуцибелъдік фер-менттер. Олардың синтезі осы ферменттердің әрекеті мен баға-лы сапасын жоятын заттардың клеткада жиналуы кезінде басталады, яғни бұл зат өз оперонының белок-репрессорымен қо-сылатын индуктордың немесе эффектордың қызметін атқарады, ояы оператордан бөлінуге мәжбүр етеді, сөйтіп транскрипцияны іске қосады: оперон жұмыс істейді, белок синтезделеді. Бұл индукция жағдайы.

Екінші жағдай анаболизмге қатысатын (биосинтез) репрес-сибелъді ферменттерге қатысты. Бұл жағдайда клеткаларда метаболиттің — осы биосинтез тізбегінің ең соңғы өнімі болып табылатын эффектор жинақталады, ол ферменттердің одан әрі синтезделуін тоқтатады. Метаболит-эффектор репрессорға қосы-лып оны оператордан орын алуға мәжбүр етеді, сөйтіп струк-туралық гендерден транскрипциялану жабылады, ферменттер-дің синтезделуі тоқталады. Бұл репрессия жағдайы.

Хромосомалардың қайта құрылуы нәтижесінде структуралық гендердің ген-оператордан бөлінуі бұл гендерді бастапқы оператордың бақылауынан шығарып жіберуі және оларды бас-қа оперонмен байланыстыруы мүмкін. Мәселен, ішек таяқша-сында делеция алынды, ол делеция лактоздық және пуриндік оперондардың фрагменттерін қосты, осы күрделі оперонның операторы пуриндік, ал структуралық гендері — лактоздык бол-ды. Нәтижесінде ортаға пуринді қосқанда лактоз облысында белоктардың күшті репрессиясы жүрді. Хромосомалық қайта қүрылу нәтижесінде оператор мен әр түрлі оперонға жататын структуралық гендердің қосылуы ген орналасуы әсерінің моле-кулалық механизмі бола алады (13-тарауды қараңыз).

Ген-реттеушілердің жекелеген мысалдары, мысалы, адамда тестикулярлық феминизациялау генінің болатыны белгілі бол-ғанымен, кәп клеткалы организмдерде гендер активтілігі ретте-луінің оперон системасы табылған жоқ. Бүларда ген активтілігін басқаратын системаның жүмыс принципі басқаша деп топ-шылауға болады, өйткені бактерияға қарағанда жоғары эукариоттардың клеткаларындағы гендердің басым көпшілігі (80—95%-ке дейіні) қызмет атқармайды, яғни репрессия жағ-дайында болады.

3-сурет. Қалыпты даму кезде

Дрозофила личинкаларыньщ сі-лекей бездерінің клеткаларындағы гигант хромосомалардың белгілі бір дискілерін байқау "үстінде зерттеушілер хромосомалардың белгілі бір жерінде личинкалар дамуының

дрозофиланьщ алып хромосо- белгілі бір стадиясында кейбір дисмасында төмпешіктердің пайда кілердің орнына төмпешік (пуфтар) болатын орындарыньщ өзгеруі, _пайда болатынын байқады. Бұл

Алып хромосома: 1— ңуыршаңкд айналу стадиясында, 2— ңуыр-шаң стадиясында.

учаскелерде хромосомалар жіпше-лері деспиралданған, яғни интер-фазадағы қызмет атқаратын ядроға тән қалыпқа келеді. Олар-дың бұл қалпы тұрақсыз және бұрынғы қалпына келе алады. Төмпешіктер сипатының личинка өмірінің әр кезеңінде өзгеріп отыратыны, сонымен бірге әрбір дискінің пуфтар түзуінің езіндік «кестесі» болатыны (88-сурет), ал олардың пайда болуы РНК-ның синтезделуіне байланысты екені көрсетілді. Әр түрлі пуф-тарда түзілетін РНК формалары бір-бірінен негіздері бойынша ажырайтыны анықталды, өйткені олар — әр түрлі гендердің өнімдері.

Трансляция деңгейіндегі реттелу. Бұл процестің тиімділігі оперондық реттелуге қарағанда шамалы болады, ейткені осы жағдайда и-РНК үнемі синтезделіп отырады, бірақ одан тран-сляция жүрмейді. Реттелудің бүл деңгейі аз зерттелген.

Сонымен, қалыпты жағдайда организмде гендер жүмысы-ның қатал кестесі болады. Алайда ерекше жағдайларда қызме-ті басылып қалған гендердің активтендірілуі мүмкін. Бүл соматикалыщ клеткаларды будандастыру әдісі арқылы дәлелде-ніледі. Мәселен, тауықтың жетілген эритроциттерінің — жоға-ры мамандандырылған клеткалардың барлық гендері активтен-беген болады. Алайда Г. Харристің жүргізген тәжірибелерінде клеткалар — тауық эритроциттерінің тышқан фибробластары-мен будандары маманданған тауық белоктары мен ферментте-рін синтездеді. Демек, будан клеткадағы эритроциттердің бұ-рын толық репрессияланған гендері қызмет атқара бастайды.

Гендердің дифференциалды активтілігінің табиғаты уақыт және кеңістікте толық зерттелгенжоқ, бірақ гендер активтілі-гінің ингибиторы — гистондар, ал индукторлары — гормондар екені керсетілді.