Чарльз Эллис - Эпигенетика

Как и серотипы, два комплементарных типа спаривания у P. tetraurelia, которые обозначаются как О и Е, демонстрируют цитоплазматический паттерн наследования. Признаки О и Е являются терминально дифференцированными фенотипами, которые детерминируются в ходе развития соматического макронуклеуса из тотипотентной зародышевой линии. После конъюгации вегетативный клон, происходящий от родителя О, почти всегда демонстрирует тип спаривания О, тогда как клон, происходящий от родителя Е, почти всегда относится к типу Е, несмотря на то, что оба этих эксконъюганта развиваются из идентичных зиготических геномов (рис. 7.26). Более того, когда между двумя конъюгируюшими клетками образуется большой цитоплазматический мостик, обусловливающий существенный обмен цитоплазмой, потомство обоих родителей обычно развивается как тип Е (Sonnebom, 1977). Таким образом, должен существовать некий цитоплазматический фактор, который направляет развитие типа Е.

Как описывается ниже, геном зародышевой линии во время развития макронуклеуса подвергается масштабным перестройкам ДНК, и хотя предполагаемый ген типа спаривания все еще не идентифицирован, было показано, что одна менделевская мутация, влияющая на детерминацию типа спаривания, нарушает эти перестройки генома в других локусах (Meyer and Keller, 1996). Если тип спаривания определяется регулируемыми геномными перестройками, этот цитоплазматический фактор, определяющий тип Е, должен обладать способностью направлять альтернативную перестройку гена типа спаривания и давать в результате макронуклеарную форму этого гена, специфицирующую тип Е. В ходе конъюгации эта форма должна также производить цитоплазматический фактор, определяющий тип Е и необходимый для дальнейшего наследования. Как описывается в разделе 10, паттерны альтернативных перестроек могут передаваться от материнских макронуклеусов к зиготическим макронуклеусам в результате транс -нуклеарного влияния, которое по-видимому опосредуется молекулами РНК, действующими зависящим от гомологии образом. Таким образом, цитоплазматический фактор, ответственный за неменделевское наследование, является, вероятно, молекулой РНК, контролирующей «мутацию» развития в гене типа спаривания.

Исследования сложной архитектуры клеточного кортекса обнаружили еще одну форму неменделевской наследственности. Клетка Paramecium покрыта примерно 4000 ресничками, расположенными в виде продольных рядов заякоренных ячеек (рис. 7.3а). Каждая ресничка коренится в базальном тельце, или кинетосоме, — сложной структуре, обладающей и передне-задней, и лево-правой асимметрией. Когда клетки делятся, структура цилиарных ячеек накладывает определенные ограничения на дупликацию базальных телец, так что новые базальные тельца остаются в той же самой ориентации (рис. 7.3б). Однако хирургическая пересадка небольшого участка кортекса в перевернутой ориентации (с обращенной полярностью) по мере дупликации пересаженных базальных телец приведет, в конечном счете, к образованию полностью перевернутого ресничного ряда (рис. 7.3в). Эта передне-задняя инверсия будет воспроизводиться в неограниченном числе вегетативных клеточных делений и будет наследоваться по материнской линии в ходе конъюгации (Beisson and Sonnebom, 1965).

Рис. 7.3.Структурное наследование полярности кортикальной ячейки у Paramecium

( а ) Иммуномечение базальных телец и корешков реснички выявляет регулярную организацию параллельных кортикальных рядов у клеток дикого типа. Показаны вентральный ( слева ) и дорзальный ( справа ) виды, ( б ) Дорзальная сторона клетки, демонстрирующей нарушение этой регулярной организации благодаря обращенной переднее-задней полярности нескольких рядов кортикальных ячеек. Базальные тельца изображены красным цветом, цилиарные корешки — зеленым, ( в ) Увеличенный вид участка кортекса показывает обращенную ориентацию инвертированных рядов (I) по отношению к нормальным рядам (N). ( г ) Схематическое изо­ бражение дупликации базальных телец ( зеленые кружки ) в процессе роста; показано, что каждое тельце фланкировано с правой стороны переднее-ориентированным цилиарным корешком ( пурпурный цвет ) и двумя микротубулярными лентами. Дупликация происходит с фиксированной геометрией: каждое новое базальное тельце позиционируется спереди от своего родительского тельца, обеспечивая тем самым идентичную полярность, ( д ) Повторная дупликация базальных телец в пределах каждого ряда поддерживает однородную ориентацию бесконечно долго (фотографии любезно предоставлены Janine Beisson)

Эти опыты с пересадками показали, что гены не отвечают за наследование таких структурных вариаций, и вскрыли существенную роль предсуществующих структур для правильной сборки новых структур. Ориентированная дупликация центриоли (Beisson and Wright, 2003) и воспроизведение формы жгутика при клеточном делении трипаносом (Moreira-Leite et al., 2001) представляют собой другие примеры этого явления. Прионы — еще один пример самовоспроизводящихся конформаций белков, которые ответственны за цитоплазматическую наследственность у дрожжей и млекопитающих (Shorter and Lindquist, 2005). Даже центромера эукариотических хромосом ведет себя как самореплицирующийся белковый комплекс, который находится на ДНК, но не детерминируется ею (Cleveland et al., 2003; см. Главу 14). Эти эпигенетические явления говорят нам, что не все клеточные структуры могут быть собраны de novo простым считыванием информации, содержащейся в генах. В более широком смысле репликация самой ДНК есть случай структурного наследования, но геном наверняка не является единственной структурой, которую делящиеся клетки вынуждены дуплицировать. Таким образом, «эпигенетическая» структурная наследственность, вместо того чтобы быть редким курьезом, может рассматриваться как один из наиболее фундаментальных механизмов жизни.

Одна из основных концепций в эпигенетике заключается в том, что индивидуальные копии некоей нуклеотидной последовательности ДНК могут обладать различными активностями и что эти дифференцированные состояния могут стабильно поддерживаться (сохраняться). Ядерный диморфизм инфузорий — это естественный (природный) пример гомологичных последовательностей, которые находятся в общей цитоплазме и, тем не менее, обладают противоположными состояниями активности. Макронуклеус служит моделью транскрипционно активного состояния, а микронуклеус — репрессированного, или «молчащего» состояния (рис. 7.4). Ранние биохимические и иммуногистохимические исследования, главным образом на Tetrahymena, имели целью сравнить свойства этих различных ядер как в вегетативных клетках, так и в ходе полового развития, для того чтобы определить, каким образом эти разные состояния активности могут детерминироваться, в частности, на уровне структуры хроматина.