§ 46. Перестройки генома в онтогенезе

Определения и обозначения

Перестройка генома — закономерное изменение структуры или количества ДНК в клетках организма в ходе онтогенеза, то есть индивидуального развития. В отличие от изменения активности генов, здесь меняется сама ДНК. Такие изменения нужны некоторым клеткам, чтобы выполнять специализированные задачи.

Амплификация генов — увеличение числа копий определённых генов или участков ДНК в клетке. Больше копий может дать больше матриц для синтеза РНК и, как следствие, больше продукта гена. Это полезно, когда клетке требуется особенно много такого продукта.

Элиминация ДНК — удаление участков ДНК из генома определённых клеток в ходе развития. После этого набор последовательностей в таких клетках отличается от набора в клетках, где участок сохранился. Элиминация позволяет специализированным клеткам иметь геном, соответствующий их этапу развития и задачам.

V(D)J-рекомбинация — перестройка участков генов иммуноглобулинов и рецепторов Т-клеток, при которой фрагменты ДНК соединяются в разных сочетаниях. Обозначения V, D и J называют типы таких фрагментов. Их разнообразные сочетания нужны для создания множества вариантов рецепторов, распознающих антигены.

Как это устроено

Перестройки генома не происходят во всех клетках одинаково, потому что клеткам разных типов нужны разные наборы возможностей. Сигналы развития и особенности клеточной программы запускают перестройки в определённое время и в подходящих клетках. Так изменение ДНК оказывается связано с конкретной задачей, а не просто происходит случайно во всём организме. Поэтому клетки одного организма могут иметь различающиеся геномы.

При амплификации копируется определённый участок ДНК, а не весь геном целиком. Клетка получает больше копий генов, продукт которых требуется в повышенном количестве. Каждая копия может служить основой для образования РНК и далее белка либо другого продукта гена. Благодаря этому клетка увеличивает его производство, не меняя число копий остальных участков генома.

При элиминации выбранный участок ДНК удаляется из генома некоторых клеток. Это может быть частью программы развития: для определённых клеток сохранение такого участка не требуется или он должен быть исключён из их генома. У клеток, в которых элиминация состоялась, и клеток, где участок сохранился, последовательности ДНК будут различаться. Следовательно, одинаковое происхождение клеток не гарантирует полного совпадения их геномов на всех этапах онтогенеза.

V(D)J-рекомбинация происходит в развивающихся иммунных клетках. Из нескольких вариантов фрагментов генов выбираются отдельные части, которые затем соединяются в определённой комбинации. Разные сочетания дают разные варианты генов рецепторов, а значит, и разные распознающие структуры на лимфоцитах. Чем разнообразнее такие рецепторы, тем больше типов антигенов может распознать иммунная система.

Перестройка генома и дифференциальная активность генов — не одно и то же. При перестройке меняется структура или количество ДНК: участок может копироваться, удаляться или собираться из фрагментов. При дифференциальной активности последовательность ДНК сохраняется, но одни гены работают активнее, а другие слабее или не работают. Оба процесса помогают клеткам специализироваться, но действуют на разных уровнях.

Основные типы перестроек генома в онтогенезе

Сравнивайте типы перестроек по тому, что именно происходит с ДНК, в каких клетках и зачем это нужно. Особенно полезно отличать увеличение количества копий от удаления участка и от соединения фрагментов. В последнем столбце приведены примеры, помогающие связать механизм с его результатом.

Разбор задач

Задача 1. В клетках развивающегося организма увеличилось число копий участка ДНК, продукт которого нужен в большом количестве. Определите тип перестройки и объясните её значение.

1. Находим главный признак: копий участка ДНК стало больше.
2. Сопоставляем его с определением: увеличение числа копий конкретного участка называется амплификацией.
3. Связываем копии с потребностью клетки: больше копий позволяет производить больше продукта соответствующего гена.

Ответ: это амплификация генов. Она помогает клетке увеличить количество продукта, который ей особенно нужен.

Задача 2. У двух типов клеток одного организма обнаружены различающиеся участки ДНК, причём в одном типе клеток часть последовательности отсутствует. Назовите возможный процесс и объясните, почему это не обязательно мутация.

1. Отмечаем, что в одном типе клеток участок не просто работает слабее, а отсутствует в последовательности ДНК.
2. Удаление участка из генома соответствует элиминации ДНК.
3. Проверяем, закономерно ли изменение: если оно происходит в определённых клетках и на этапе развития, это может быть программируемая перестройка, а не случайное изменение.

Ответ: возможная причина — элиминация ДНК. Она может быть частью нормальной программы развития, поэтому различие геномов само по себе не доказывает, что произошла случайная мутация.

Задача 3. Сравните клетки-предшественники лимфоцитов, в которых ещё не собраны гены рецепторов, с созревшими лимфоцитами, имеющими разные варианты рецепторов. Объясните, какой процесс создаёт это разнообразие и почему оно важно.

1. Сопоставляем исходное состояние и результат: в зрелых клетках появились собранные варианты генов рецепторов.
2. Выбираем механизм, при котором фрагменты генов соединяются в разных сочетаниях, — V(D)J-рекомбинацию.
3. Объясняем пользу: разные сочетания формируют разные рецепторы, способные распознавать разные антигены.

Ответ: разнообразие создаёт V(D)J-рекомбинация. Благодаря ей иммунная система получает множество вариантов рецепторов и может распознавать широкий набор антигенов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать любую перестройку генома мутацией. Такое смешение возникает потому, что в обоих случаях меняется ДНК, однако программируемые перестройки закономерны и могут быть необходимы для развития. Чтобы проверить себя, спросите, происходит ли изменение в определённых клетках по программе развития и связано ли оно с их задачей. Не называйте процесс случайным только на том основании, что последовательность ДНК изменилась.

Ошибка: путать изменение структуры ДНК с изменением активности гена. Это легко сделать, потому что оба процесса влияют на количество продукта гена, но причины у них разные. Проверьте, изменились ли число копий или сама последовательность ДНК: если нет, речь может идти о регуляции активности. При перестройке меняется ДНК, при регуляции её последовательность может сохраняться.

Ошибка: предполагать, что перестройки одинаково затрагивают все клетки организма. Такое впечатление появляется, если забыть, что клетки специализируются и проходят разные этапы развития. Сверьте, для какого типа клеток и периода описан процесс: программируемые перестройки характерны не для всех клеток. Если участок изменён только в отдельных клетках, это не означает, что такое же изменение произошло во всём организме.

Ошибка: считать, что амплификация — это просто усиление работы гена. Эти понятия путают, потому что оба могут привести к увеличению количества продукта. Проверка простая: при амплификации растёт именно число копий участка ДНК, а активность имеющихся копий может регулироваться отдельно. Если количество копий не менялось, называть процесс амплификацией неправильно.

Связь с другими темами

Чтобы понять перестройки, нужно знать строение гена и хромосомы, репликацию ДНК, митоз и различие между генотипом и активностью генов. Тема связана с дифференцировкой клеток: специализация может сопровождаться как перестройкой генома, так и изменением работы генов, и эти процессы важно не смешивать. V(D)J-рекомбинация пригодится при изучении иммунитета, антител и разнообразия рецепторов лимфоцитов. Она объясняет, как генетические перестройки помогают иммунной системе распознавать множество антигенов.

Что запомнить

• Перестройки генома меняют структуру или количество ДНК в клетке.
• Программируемые перестройки происходят в определённых клетках и на определённых этапах развития.
• Амплификация увеличивает число копий участка ДНК.
• Элиминация удаляет участки ДНК из генома некоторых клеток.
• V(D)J-рекомбинация создаёт разнообразие рецепторов иммунных клеток.
• Перестройка генома и изменение активности гена — разные процессы.