§ 48. Наследование дифференцированного состояния клеток. Химерные и трансгенные организмы

Определения и обозначения

Дифференцированное состояние клетки — устойчивый набор особенностей её строения и работы, связанный с тем, какие гены активны. Проще говоря, клетка использует лишь часть общего набора генов и благодаря этому получает определённую специализацию. Понятие помогает понять, почему мышечная клетка сокращается, а клетка кожи выполняет защитную функцию.

Наследование дифференцированного состояния — сохранение особенностей клетки при делении и их передача дочерним клеткам. Это не означает передачу нового набора генов: обычно дочерние клетки получают ту же ДНК, но сохраняют характерный режим её работы. Понятие нужно, чтобы объяснить, как ткани поддерживают свои свойства при обновлении клеток.

Химерный организм — организм, в котором есть клеточные линии с разными генотипами, возникшие из разных клеток или зародышевых зачатков. Клеточная линия — группа клеток, происходящих от одной исходной клетки; у разных линий одного организма могут быть разные варианты генетического материала. Это определение позволяет отличить химеру от организма, ткани которого различаются только по функциям.

Трансгенный организм — организм, в геном которого введён чужеродный генетический материал, способный передаваться потомству. Такой материал называют трансгеном, если он встроен в геном и сохраняется при размножении клеток. Определение важно для оценки того, может ли приобретённое свойство наследоваться, а не только проявляться у отдельного организма.

Как это устроено

Большинство клеток многоклеточного организма получают одинаковый геном от исходной клетки, однако выглядят и действуют по-разному. Причина в том, что для каждой специализации требуется свой набор белков: одни гены включаются, а другие остаются неактивными. Например, мышечной ткани нужны белки сокращения, а клеткам кожи — белки, обеспечивающие её защитные свойства. Поэтому различие функций не требует, чтобы в клетках различался сам набор генов.

Когда клетка делится, дочерним клеткам передаётся ДНК, а вместе с ней — часть регуляторных сигналов, поддерживающих нужную активность генов. Экспрессия генов — использование информации гена для образования РНК или белка; её регулируют белки и другие клеточные механизмы. Эпигенетические механизмы — химические метки ДНК и связанных с ней белков, которые меняют доступность генов, не меняя последовательность ДНК. Благодаря сочетанию этих процессов дочерние клетки часто сохраняют свойства ткани, хотя при развитии и обновлении возможны изменения состояния.

Химеризм возникает, если в развивающемся организме оказываются клетки, происходящие от генетически различающихся исходных клеток или зародышевых зачатков. Каждая линия размножается потомками своих клеток и может занять определённые участки тканей или органов. Они сосуществуют, потому что клетки разных линий способны встраиваться в общий развивающийся организм и выполнять функции в его тканях. В итоге один организм содержит не один генотип во всех клетках, а несколько клеточных линий с различным генетическим составом.

Для получения трансгена генетическую конструкцию переносят в клетку или ранний зародыш; конструкция может содержать нужный ген и участки, регулирующие его работу. Одного попадания конструкции в клетку недостаточно: чтобы она сохранялась при делении, ей необходимо включиться в геном. Если это произошло только в клетках тела, изменение может проявляться у данного организма, но не передаваться его потомкам. Передача возможна, когда трансген присутствует в половых клетках или в клетках, из которых они образуются.

Химерность и трансгенность описывают разные стороны генетического состава организма. У химеры есть клеточные линии с разными генотипами, и различие может возникнуть из-за объединения генетически разных клеток. У трансгенного организма клетки несут введённую генетическую конструкцию, хотя генотипы клеток могут быть одинаковыми по этому признаку. Поэтому факт генетического разнообразия клеток сам по себе не доказывает наличие трансгена, а введение гена не обязательно создаёт химеру.

Химерные и трансгенные организмы

Сначала определите, что именно сравнивается: происхождение клеточных линий или наличие введённой конструкции. Затем проверьте, различаются ли генотипы клеток и где распределены варианты. Строка о потомстве напоминает, что присутствие изменения в организме ещё не гарантирует его наследования.

Разбор задач

Задача 1

У клеток мышечной ткани и кожи одного организма одинаковый геном, но различаются активные гены. Нужно определить, делает ли это организм химерой. Для решения важно различить специализацию клеток и различия генотипов клеточных линий.

1. Установим, что геном клеток одинаков, то есть набор генов не различается.
2. Сравним активность генов: она различается, поэтому клетки производят разные белки и выполняют разные функции.
3. Проверим признак химеризма: для него необходимы клеточные линии с разными генотипами, а таких сведений в условии нет.

Ответ: организм не становится химерой только из-за различий между мышечными клетками и клетками кожи. Это обычная дифференцировка, основанная на разной активности генов. Генетическое разнообразие клеточных линий условием не задано.

Задача 2

В организм введён ген другого вида, и требуется указать условие его передачи потомству. Сам факт переноса гена говорит лишь о его попадании в клетки, но не о наследовании. Поэтому нужно проверить и его положение в геноме, и тип клеток, в которых он находится.

1. Сначала выясним, встроилась ли генетическая конструкция в геном; без этого она может не сохраняться при делении.
2. Затем проверим, попал ли трансген в половые клетки или клетки, из которых они образуются.
3. Если оба условия выполнены, ген может перейти в клетки потомка при оплодотворении и проявиться в его организме.

Ответ: ген может передаваться потомству, если он включился в геном и присутствует в клетках, участвующих в размножении. Если он есть только в клетках тела, его наличие у родителя ещё не означает наследования. Передача также зависит от того, сохранится ли генетическая конструкция у потомка.

Задача 3

В образце ткани нашли две группы клеток с разными генотипами, а позднее у части потомства обнаружили введённый ген. Нужно распределить наблюдения по понятиям, не смешивая причины. Разные генотипы клеточных групп и наследуемый трансген — самостоятельные признаки.

1. Наличие в ткани двух групп клеток с разными генотипами указывает на разные клеточные линии и свидетельствует о химеризме.
2. Обнаружение введённого гена у потомков показывает, что трансген передался через клетки, дающие начало потомству.
3. Сопоставим результаты: первое наблюдение описывает генетический состав тканей, второе — наследование конкретной конструкции.

Ответ: разные генотипы групп клеток указывают на химеризм. Введение гена и его обнаружение у части потомства указывают на наследуемый трансген. Эти признаки могут сочетаться в одном организме, но один из них не следует автоматически из другого.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что дифференцированные клетки обязательно имеют разные гены. Её допускают, потому что различия внешнего вида и функций кажутся следствием разного генетического материала. Проверьте себя: если набор генов одинаков, а отличается только их активность, речь идёт о специализации, а не о разных генотипах.

Ошибка — называть химерой любой организм с разными типами клеток. В организме и без химеризма есть клетки кожи, мышц и нервной ткани, потому что они специализируются по-разному. Чтобы проверить себя, спросите не о функциях клеток, а о том, различается ли генотип их клеточных линий.

Ошибка — считать трансгенным любой организм, полученный с применением генной инженерии. Метод получения сам по себе не доказывает, что введённый материал сохранился в геноме. Проверьте, есть ли в геноме организма введённая конструкция: именно это, а не факт лабораторной процедуры, определяет трансгенность.

Ошибка — полагать, что трансген обязательно передаётся потомству. Его могли внести только в клетки тела, которые не участвуют в размножении. Для проверки выясните, присутствует ли конструкция в половых клетках или в клетках, дающих им начало.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении гена и генома, экспрессии генов, митозе и специализации клеток. Они помогают проследить, как одинаковая ДНК обеспечивает разные функции и как клеточные свойства сохраняются при делении. Тема связана с эмбриональным развитием и эпигенетической регуляцией, объясняющими формирование и поддержание клеточных состояний. Перенос трансгенов относится к генетической инженерии и биотехнологии.

Что запомнить

• Клетки организма обычно имеют одинаковый геном, но активируют разные гены.
• При делении дочерние клетки часто сохраняют дифференцированное состояние.
• Химера состоит из клеточных линий с разными генотипами.
• Трансгенный организм несёт введённый генетический материал.
• Трансген наследуется, если присутствует в клетках, дающих начало потомству.
• Химеризм и трансгенность описывают разные особенности организма.