Гены и развитие организма

Нейфах Александр Александрович

Амплификация рДНК в ооцитах известна не только для амфибий, но и для очень многих видов животных, хотя и не для всех. В последние годы явление амплификации было обнаружено у некоторых животных и для нерибосомных генов. Однако это исключительные случаи, а не обычный механизм интенсификации работы генов. Как раз в тех соматических клетках, где, казалось бы, амплификация была бы очень кстати, ее определенно нет. Ее нет, например, для генов глобина в эритробластах, для генов фиброина шелка в шелкоотделительных железах и во многих других подобных случаях.

5. Синтез рибосомных РНК

В обычных клетках синтез трех видов рРНК (28S, 18S и малой 5S) координирован, т. е. на одну молекулу 28S образуется одна молекула 18S и одна молекула 5S. Синтез 28S и 18S происходит в виде

одного большого, общего для них предшественника (пре-рРНК), который затем тут же, в ядрышке, подвергается процессингу — отщеплению и распаду «лишних» кусочков РНК (транскрибированных со спейсеров), в результате чего из одной молекулы пре-рРНК получается одна молекула 28S и одна молекула 18S рРНК. Очевидно, что образование больших рРНК в эквимолярных количествах не требует специальной регуляции. Иное дело с 5S рРНК.

Эта рРНК кодируется множественными генами, которые в количестве нескольких тысяч рассеяны по многим хромосомам. Их транскрибирует особая РНК-полимераза III, транскрибирующая и другие малые РНК (например, тРНК). Очевидно, что синтез эквимолярных количеств больших и малых рРНК требует специальных механизмов регуляций, которые, однако, пока неизвестны.

Оказалось, что в ооците в отличие от обычных клеток эти РНК синтезируются некоординированно. В ранних ооцитах синтеза 28S и 18S рРНК почти нет, а малые РНК — и 5S рРНК, и тРНК (4S РНК), — напротив, синтезируются с большой интенсивностью. Оказалось также, что 5S рРНК считываются в это время с гораздо большего числа генов, чем в клетках зародыша или взрослого организма. Если у лягушки в обычных клетках действует около тысячи этих генов, то в ядрах ооцитов работают 23 тыс. этих генов. Они немного (в шести нуклеотидах из 120) отличаются от «взрослых» 5S р-генов. Смысл этих отличий пока непонятен, но для чего этих генов так много, совершенно ясно: для того, чтобы обеспечить быстрое накопление 5S рРНК во время оогенеза. Ведь амплификации 5S-генов нет.

В обычных клетках 5S рРНК не накапливаются, а сразу встраиваются в новые рибосомы. В ранних же ооцитах это невозможно, так как в это время не хватает больших рРНК и рибосомы почти не образуются. Поэтому «ненужные» пока малые рРНК образуют комплексы, состоящие из 5S рРНК, тРНК и нескольких молекул специальных белков. Эти комплексы хранятся в ооцитах до тех пор, пока те не достигнут приблизительно середины оогенеза.

На этой стадии в ооцитах начинает откладываться желток, который синтезировался в печени, и в это же время начинается интенсивный синтез больших рРНК на всех сверхчисленных ядрышках. Эти рРНК соединяются с рибосомными белками и образуют новые рибосомы. В рибосомы встраиваются и ранее накопленные 5S рРНК, которые в это время освобождаются от комплексов, где они хранились. Так в оогенезе амфибий создается большой запас рибосом, равный их количеству в 100 000 обычных клеток.

Причины некоординированности синтеза большых и малых рРНК в оогенезе, по-видимому, заключаются в необходимости компенсировать отсутствие амплификации 5S р-генов. Частично это достигается тем, что в ооците амфибий их работает примерно в 23 раза больше, чем в обычной клетке. А кроме того, эти гены работают еще и значительно дольше, так как их функционирование начинается раньше.

Транспортные РНК, которые интенсивно синтезировались в раннем оогенезе, тоже освобождаются из комплексов и готовы к участию в синтезе белка. Однако их относительное количество оказывается меньше, чем в обычных клетках. Для нормальной скорости синтеза белка необходимо, чтобы на одну рибосому приходилось приблизительно по 10 молекул различных тРНК. В ооците же это соотношение намного меньше — всего в среднем по одной молекуле тРНК на рибосому. При таком соотношении или синтез белка должен быть сильно замедлен, или не все рибосомы должны в нем участвовать. Верным оказалось последнее: около 90 % рибосом в ооцитах и в ранних зародышах неактивны и созданы как запас на будущее. Когда в раннем развитии синтез белка ускоряется, а образование новых рибосом еще не началось, используются рибосомы, созданные в оогенезе. В эмбриональном развитии амфибий и рыб синтез тРНК начинается раньше, чем синтез рРНК, и тогда быстро достигается оптимальное соотношение числа молекул рРНК и тРНК, близкое к 1: 10.

Таким образом, в растущем ооците амфибий и многих

других животных не только изменяется структура ядра — увеличиваются его размеры, появляются хромосомы типа «ламповых щеток» и сверхчисленные ядрышки. Изменяется и регуляция синтеза различных РНК: интенсивный синтез малых молекул (5S рРНК и тРНК) с середины оогенеза дополняется преимущественным синтезом больших молекул рРНК. Для этого в структуре генома содержится много тысяч генов для 5S рРНК, специально функционирующих только в оогенезе, и происходит амплификация генов, кодирующих 18S и 28S рРНК.

6. Гормоны регулируют синтез желтка и белка

Мы уже говорили, что у позвоночных животных желток будущего яйца синтезируется в печени. Этот синтез стимулируется женскими половыми стероидными гормонами — эстрогенами (подробнее см. специальную главу). Один из таких гормонов — эстрадиол одинаково действует на печень самцов и самок амфибий и птиц. Под влиянием гормона в клетках печени включаются гены, кодирующие сложный белок — вителлогенин. Одновременно или даже немного раньше в клетках печени стимулируется дополнительное образование белоксинтезирующего аппарата — создается много новых рРНК и соответственно рибосом. Новая вителлогениновая мРНК активно транслируется, доля синтеза всех других белков снижается, а синтез вителлогенина достигает 50–70 % общего синтеза белка. Далее вителлогенин выделяется в кровь и переносится ею к ооцитам.

Если гормон был введен самцу, то у него тоже синтезируется вителлогенин, но затем он надолго остается в кровяном русле, так как включиться ему не во что. У самки же вителлогенин быстро поглощается растущими ооцитами и расщепляется в них на две самостоятельные молекулы: большую — липовителлина и маленькую — фосвитина. Вместе они складываются в кристаллоподобные гранулы желтка. Позже, в ходе эмбрионального развития, а у личинок рыб и амфибий и после него, белки желтка постепенно распадаются на аминокислоты и используются для синтеза всех новых белков. При этом освобождаются также липиды и фосфат, которые используются личинкой.

Те же эстрогены регулируют у птиц и у рептилий образование другого белка яиц — овальбумина — того, что в куриных яйцах мы называем «белком». Овальбумин и в небольшом количестве другие полипептиды, входящие в состав «белка», синтезируются особыми железистыми клетками яйцевода. Эстрадной, введенный молодым курочкам, прежде всего вызывает у них быструю дифференцировку железистых клеток в стенках яйцевода, а затем и синтез в них овальбумина. У диких птиц одним из сигналов того, что наступила весна и пришло время откладки яиц (и всего комплекса сложного поведения, связанного с этим: выбор партнера, постройка гнезда и т. д.), является продолжительность светового дня. Свет воспринимается сетчаткой глаз и через центральную нервную систему, сигнал передается в отдел мозга гипоталамус, который активирует гипофиз. Гипофиз выделяет больше белковых гонадотропных гормонов, а те стимулируют в половых железах синтез эстрогенов, которые уже действуют и на печень и на яйцевод, а также на головной мозг, вызывая половые рефлексы.

У домашних кур, породы которых отбирались уже тысячи лет, эстрогены выделяются все время и все время происходит рост ооцитов, их созревание и откладка яиц. Но и у них для этого необходима достаточная освещенность курятника. У наших амфибий и рыб сигналом приближения весны служит не свет, а повышение температуры воды.

7. Созревание яйца

Ооцит, достигший больших размеров, еще не яйцо. Для того чтобы стать яйцеклеткой, способной к оплодотворению и дальнейшему развитию, он должен пройти созревание. Это кратковременный, но важный процесс, так как в ходе созревания ооцит приобретает целый ряд новых свойств. Оболочка большого ядра ооцита — зародышевого пузырька — растворяется, и его содержимое смешивается с цитоплазмой яйца (ооплазмой). Хромосомы компактизуются и уменьшаются до обычных размеров. Они поднимаются к поверхности яйца и там позже завершают мейоз. Происходит овуляция, т. е. яйцо освобождается от окружающих его фолликулярных клеток, выходит из яичника и попадает в яйцевод, где окружается яйцевыми оболочками. Оплодотворение у одних животных происходит в яйцеводе (внутреннее), а у других — после выхода из него в воду (наружное).