Регуляция клеточной дифференцировки на уровне транскрипции

Способность синтезировать мРНК распределена по хромосоме неравномерно. Существуют более и менее синтетически активные участки. Например, в хромосомах ооцита синтез мРНК идет только на выпетлившихся участках "ламповых щеток", а синтез рРНК и амплификация генов - на других участках хромосом. Аналогичные синтетически активные участки политенных хромосом (пуфы) образованы в слюнных железах дрозофилы. Мощность и расположение пуфов изменяются под воздействием гормонов. Следовательно, гормоны влияют на активность генов. Но это косвенные доказательства дифференциальной активности генов.

Прямым доказательством дифференциальной активности генов сначала стали результаты сравнения состава молекул только что транскрибированных предшественников РНК (преРНК) у различных типов дифференцированных клеток. Такие сравнения проводят методом молекулярной гибридизации молекул РНК с комплементарными им ДНК (кДНК), синтезированными с помощью обратной транскриптазы по матрице РНК. Эти эксперименты можно проводить как в пробирке, так и на образцах целых организмов или гистологических срезах. В последнем случае на срез на носят ДНК, меченую каким-либо изотопом, чтобы получить карты-автографы экспрессии определенных генов. Это - гибридизация in situ.

Впервые такие исследования проводили на яйцеклетках дрозофилы. Она уникальна тем, что развивается в сильно неоднородном окружении т.к. к ее противоположным сторонам и полюсам примыкают разные клоны фолликулярных клеток, а до девятого дробления яйцеклетка является синцитием. Клоны фолликуллярных клеток проводят очень подробную химическую разметку яйцеклетки еще до ее оплодотворения. Ооцит приобретает дорсовентральную поляризацию за счет транспорта из фолликулярных клеток белка, активирующего трансмембранный рецептор Toll, а фолликулярные и питающие клетки делают мРНК белка bicoid, который синтезируется в дальнейшем только на переднем крае яйцеклетки, образуя градиент. На переднем конце - максимум концентрации. Через час после оплодотворения активируются gap-гены, определяющие положение отделов тела. При их мутации могут отсутствовать общирные отделы тела. Через 2,5 часов после оплодотворения включаются pair-rule гены, каждая полоса экспрессии которых равна двум будущим сегментам тела. Далее включаются гены segment polarity, дающие в двое более узкие полосы экспрессии, мутации по которым инвертируют полярность сегмента. Еще позже включаются гомеозисные гены -- Нох-гены -- мутации по которым влияют на изменение структуры какого-либо одного сегмента или его придатков. Эта группа генов есть в разных группах животных, а расположение генов на цепи ДНК от 3' к 5' концу коррелирует с расположением на передне-задней оси их "места работы". Стоит отметить, что включающиеся раньше гены активируют гены, которые должны включиться позже: запуск gap определяется концентрацией bicoid, а pair-rule - соотношением концентраций соседних gap. При этом используется многомодульная регуляция структурных генов. Но это возможно лишь благодаря синцитиальному строению яйцеклетки. У тех, у кого при бластуляции бластомеры сразу разграничиваются, такой механизм невозможен. Вместо него активация генов происходит за счет межклеточной сигнализации. Кроме того, даже у дрозофилы это не единственный путь регуляции включения генов.

Кроме того, разметка до оплодотворения осуществляется и в вентродорсальном направлении на основе градиентов, созданных до оплодотворения активируются группы генов twist, sog, dpp. В области первого будет формироваться мезодерма, второго - нейрогенная эктодерма, третьего, наиболее дорсального - эпидермис и внезародышевые образования.

Аналогичные карты экспрессии генов были получены для морского ежа. У него на стадии бластулы запускаются гены дорсальной стороны зародыша, кодирующие цитоскелетный актин и кальцийсвязывающий белок. Позже гены цитоскелетного актина запускаются в первичной мезенхиме, а перед инвагинацией - в презумптивных зачатках первиченой кишки.

Значительные измения в составе пре-мРНК наблюдались у птиц и млеков при терминальной дифференцировке. Например, специфичные пре-РНК миозина были обнаружены в дифференцированных мышечных клетках, а пре-мРНК глобина - в эритроцитах, хотя в других типах клетки они отсутствовали. Хотя наблюдали и существенное перекрывание в составе РНК разных клеток т.к. одр и те же белки могут продуцироваться разными типами клеток, например, белки "домашнего хозяйства".

Регуляция на уровне транскрипции не единственный способ регуляции. Кроме того, обычно при дифференцировке запускается не один ген, а группа генов. Есть мнение, что активность белков является самоподдерживающейся, будучи активированными однажды. Это может объяснить устойчивость дифференцировки клеток.