Гены и развитие организма

Было также показано, что уже в ооците лягушки активно около 2 % всей ДНК. Эта цифра в 60-е годы не показалась удивительной, так как тогда было неизвестно, какая часть ДНК представлена настоящими генами, а какая — участками, не кодирующими белки. Сейчас известно, что белки кодируются лишь небольшой частью ДНК, составляющей у амфибий менее 5 %. Ho если это так, то 2 %всей ДНК — это почти половина от общего числа генов. К таким же выводам приводит и другой расчет. Общее число уникальных генов у амфибий, по-видимому, не превышает 40–50 тыс. Ho 2 % всей ДНК соответствует приблизительно 20 тыс. генов среднего размера, т. е. половине всех генов. К таким же удивительным результатам привели и измерения числа активных генов у зародышей морского ежа. Ho для этого потребовались уже другие, более совершенные методы манипуляции с молекулами ДНК и РНК.

3. Генная инженерия

Этим термином называют различные методы, в основе которых лежит синтез различных ДНК invitro, их размножение в бактериальных клетках и затем использование для выяснения структуры и функции генов. Для методов генной инженерии используют ферменты, полученные из бактерий или клеток, зараженных вирусами. Среди них набор рестриктаз — ферментов, разрезающих ДНК в совершенно определенных точках. Для каждой рестриктазы (их сейчас известно более 70) характерна своя определенная последовательность из четырех-шести пар нуклеотидов ДНК, которую фермент «опознает» и выбирает для своего действия.

Решающую роль в генной инженерии играет особый вирусный фермент, который называется «обратная транскриптаза». С его помощью осуществляется синтез ДНКна РНК. Это позволяет как бы синтезировать гены, точнее, получать точную ДНКовую копию всех или одного вида РНК. Этот «ген» не будет настоящим уже потому, чтов нем не будет копий интронных участков, которые не попадают в состав мРНК.

Наконец, существует возможность «встроить» готовую ДНК — синтезированный ген (копию мРНК) — в особую кольцевую ДНК-плазмиду, способную автономно размножаться в бактериальных клетках. Это позволяет получить нужный нам вид ДНК практически в неограниченном количестве.

Размножение бактерий, содержащих введенную Плазмиду, позволяет получить «библиотеку» генов. Если ДНК, выделенную из клеток, разрезать на части, встроить в плазмиду, ввести в бактерии и их выращивать, то в культуре будут расти бактерии, в принципе содержащие все районы ДНК, т. е. все гены. Из такой культуры можно выделить по одной бактерии и из каждой выращивать отдельный клон бактерий вместе с плазмидами и вставленными в них ДНК животного. В каждом таком клоне будет содержаться только один отрезок ДНК животного, ведь бактерия — родоначальница клона была заражена только одной плазмидой с одной встроенной в нее молекулой (отрезком) ДНК. Если размеры такого отрезка ДНК невелики, то он будет содержать не более одного-двух генов. Размножая бактерии одного клона, можно выделять из них любые количества совершенно одинаковых отрезков ДНК. Часто это будут отдельные гены с окружающими их районами. Вырастив из одиночных бактерий сотни или тысячи разных клонов, можно таким путем получить большой набор отдельных генов, разделенных по разным клонам. Это и есть «библиотека» генов.

В принципе в такой «библиотеке» содержатся все гены, отделенные друг от друга и многократно размноженные, т. е. клонированные. Однако найти в такой «библиотеке» нужный ген не так просто, Для этого используют такие клетки животных, где этот ген активно работает. Для генов глобина это будущие эритроциты — эритробласты, длягена овальбумина это клетки яйцевода кур. Из таких клеток получают мРНК, а из них пытаются выделить в чистомвиде один вид мРНК, например глобиновую. Имея такую мРНК, можно путем гибридизации проверить все клоныДНК и, если удастся, найти тот, в котором окажется нужный нам ген. Далее уже клон бактерий, содержащий этотген, будет постоянным его источником.

Используя эти сложные и трудоемкие методы, мы получили такие данные, которые вполне оправдали все усилия. Были, например, изучены гены глобина, овальбумина и десятки других и установлено их сложное строение с чередованием экзонов, кодирующих часть полипептидной цепи, и интропов, не несущих информации о белке. Очень немногие гены не содержали интронов, часто их было от двух до семи, но иногда попадались гены, расколотые на десятки экзонов, отделенных друг от друга нитронами. Смысл этого пока непонятен.

Часть генов была секвенирована, т. е. в них была определена последовательность нуклеотидов как в самом гене, так и в непосредственной близости от него. Наконец, некоторые гены (5SРНК и гены гистонов) были подвергнуты «хирургическим операциям»: от них отрезали кусочки различной длины и после этого проверяли, сохранил ли такой ген способность к быстрой и правильной транскрипции. Это позволило выявить вблизи гена или в нем самом регуляторные участки.

Имея клонированные и идентифицированные гены, можно исследовать не только их строение, но и функцию в клетке. Так, их можно, например, гибридизировать с политенными хромосомами дрозофилы и установить локализацию отдельных генов. Их можно гибридизировать с РНК из различных клеток или из разных стадий развития. Такой метод очень чувствителен и позволяет обнаружить такие РНК, которые содержатся в количестве одной-двух молекул на клетку. С помощью этих методов можно оцепить, сколько видов РНК синтезируется в клетке и в каком количестве копий представлены эти виды. Можно также выявить, сколько копий, в какой ткани и на какой стадии развития содержит клетка отдельных конкретных (индивидуальных) мРНК. Работа во всех этих направлениях ведется сейчас в десятках лабораторий мира, но возможности таких исследований еще далеко не исчерпаны.

4. Число активных генов и число копий мРНК

Методы генной инженерии, примененные к эмбриологическим объектам, показали, что в их клетках активно значительно больше генов, чем это считали раньше. Так, в ооцитах морских ежей активно около 40 тыс. генов, на бластуле и гаструле — не менее 20 тыс. и т. д. Только в дифференцированных тканях взрослого организма эти числа снижаются до 2–3 тыс. Такое же большое число активных генов было найдено и в других типах клеток: в культуре тканей млекопитающих — 20–40 тыс. генов, в культуре клеток дрозофилы — более 5 тыс., т. е. почти все ее гены.

Создается парадоксальная ситуация — в клетках активно слишком много генов. Некоторое понимание происходящего оказалось возможным тогда, когда удалось определить число копий одинаковых мРНК, приходящихся на одну клетку. Оказалось, что по числу копий эти мРНК можно разбить на три класса: очень немногие виды мРНК, которых в клетке содержится много тысяч копий, десятки или сотни видов мРНК, представленных сотнями и тысячами копий, и, наконец, много тысяч видов мРНК, каждый из которых содержится в клетке в количестве от 1до 10 копий. Так, например, в железистых клетках яйцевода, синтезирующих овальбумин и другие компоненты куриного белка, содержатся три вида мРНК: представленные в среднем 25 тыс. копий на клетку, еще 90 видов мРНК содержатся в клетке по 450 копий каждая и 24 тыс. генов функционируют так слабо, что в клетке содержится в среднем менее трех копий каждой такой мРНК. У морского ежа на стадии гаструлы 90 % всей мРНК представлено лишь всего 100 видами молекул (по 1000 копий каждой), а остальные 10 % составляют 10 тыс. видов мРНК по I—10 копий на клетку.

Итак, наряду с относительно небольшим числом активно работающих генов в эмбриональных и дифференцированных клетках большое число генов (может быть, все?) функционируют очень слабо, так что нельзя определить, синтезируется ли тот белок, который мог бы ими кодироваться. О возможной функции этих слабоактивных генов можно сделать несколько предположений, впрочем не исключающих друг друга. Может быть, некоторые виды ферментов или белковых структур в клетке нужны в таких небольших количествах, что для их синтеза достаточно и нескольких молекул мРНК. Таковыми, например, должны быть белки центриоли, которых в клетке всего одна или две. Может быть, это регуляторные белки, действующие на отдельные гены, и тогда их содержание в клетке или на хромосомах тоже измеряется десятками молекул. Например, у кишечной палочки нормальная концентрация одного из регуляторных белков всего 10 молекул на клетку. И наконец, можно предположить, что слабая функция генов не имеет никакого значения, а отражает некоторое несовершенство регуляторного аппарата, запирающего гены. Что-то вроде неплотно прикрытых «подтекающих» кранов. Здесь опять напрашивается сравнение с хорошо изученными бактериями. У них ген в активном состоянии транскрибирует РНК в 1000 или даже в 10 000 раз быстрее, чем в неактивном, но это же означает, что и на неактивном гене происходит транскрипция одиночных молекул мРНК. Вместе с тем выше уже говорилось, что на разных стадиях развития животных количество слабо работающих генов различается. Оно уменьшается по ходу развития от 20–40 до 10–15 тыс., а в дифференцированных тканях падает до 2–3 тыс.