Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Хромосома Y приводит к развитию эмбриона мужского пола, поскольку она содержит ген, который кодирует белок, приводящий к развитию у эмбриона яичек и производству мужского гормона тестостерона, в силу чего возникают половые различия, характерные для мужчин и женщин. На ранней стадии развития разница между мужскими и женскими эмбрионами неразличима. Изначально все эмбрионы имеют женские признаки. Но когда в дело вступает производимый яичками гормон тестостерон, начинается развитие мужских признаков и ряду органов тела придается мужская форма. Воздействие тестостерона ведет к развитию пениса, а не клитора в области гениталий, хотя на самой ранней стадии нет никакого различия в структуре и строении ткани, из которой в будущем разовьются либо пенис, либо клитор. Тестостерон также предотвращает заметный рост груди у мужчин и оказывает воздействие на развитие головного мозга. Если мужчина невосприимчив к воздействию тестостерона, он, хотя и имея яички, будет выглядеть, как женщина.

Эмбрион, имеющий хромосомный набор XX и запрограммированный к тому, чтобы превратиться в женщину, изначально имеет двойное количество генов X по сравнению с мужским эмбрионом, обладающим хромосомным набором XY. Это необходимо скорректировать, поскольку на хромосоме X должно проявляться одинаковое число генов как у женщин, так и у мужчин. У человека, подобно другим млекопитающим, эта диспропорция корректируется путем случайной деактивации одной из хромосом X в каждой клетке женского эмбриона на ранней стадии развития. Этот процесс приводит к тому, что в клетках по всему телу содержится одинаковое число хромосом X, заимствованных у отца и у матери. В тех же случаях, когда число либо поведение половых хромосом не соответствуют норме, происходят отклонения от нормального развития.

Изучение развития яйцеклеток и сперматозоидов показывает, почему невозможно унаследовать приобретаемые людьми во время их жизни качества — такие, как знания, воспоминания или способности. В самом деле, как могут способности, которые в основном развиваются в нашем мозгу, быть переданными яйцеклетке или сперматозоиду? Это опрокидывает теорию, выдвинутую в начале девятнадцатого столетия Жаном-Батистом Ламарком, который утверждал обратное. Впрочем, передача по наследству характерных особенностей поведения возможна, но эти особенности должны быть обусловлены физиологией, связанной с генетической информацией.

Насколько обратимы и пластичны изменения в поведении клеток и генов в процессе развития? Прежде считалось, что гены, которые функционируют на ранних стадиях развития, позже «теряются». Эксперимент, который был призван подтвердить потерю генов и дать ответ на вопрос, можно ли изменить модель активности генов во взрослой клетке, поставили на клонированных объектах. Он включал в себя введение ядра клетки, подвергнувшейся дифференциации, в яйцеклетку, собственное ядро которой было удалено. Это делалось для того, чтобы увидеть, сможет ли яйцеклетка после этого нормально развиваться. Для эксперимента использовались лягушки, поскольку ядра их яйцеклеток находятся сразу под оболочкой и могут быть легко уничтожены при помощи радиоактивного облучения. После этого в яйцеклетку, лишившуюся ядра, вводили ядро клетки лягушачьего кишечника. Получившаяся в результате этого яйцеклетка проходила все ранние стадии развития, вплоть до фазы превращения в головастика. В клетке после дифференциации не терялись никакие гены. Введение ядер от других клеток, подвергшихся дифференциации, таких, как клетки кожи, приводило к аналогичному развитию, и это ясно показывало, что модель активности генов в клетках, подвергшихся дифференциации, может быть изменена и возвращена к той, которая существовала в ядре яйцеклетки. Более того, по своей генетической конституции образовавшийся головастик был идентичен тому экземпляру лягушки, от которой была взята клетка, подвергшаяся дифференциации. Эта клетка породила сообщество генетически идентичных клеток — это и есть то, что подразумевается под термином «клонирование».

Большая часть клонов, которые произошли от яйцеклетки лягушки, не смогли развиться далее стадии головастика — по причинам, которые исследователи понять не сумели. Однако если ядро бралось из клетки эмбриона лягушки на ранней стадии развития, то из такой клетки вырастали нормальные взрослые особи лягушек.

С млекопитающими — такими, как мыши и овцы, — ситуация сложнее. Овечка Долли прославилась, став первым млекопитающим, которое было клонировано из взрослой клетки, взятой из овечьего вымени, однако Долли умерла молодой, и ее короткая жизнь была полна проблем со здоровьем. Сотням эмбрионов, на которых проводились другие эксперименты по клонированию, так и не удалось превратиться в полноценных особей. У многих клонированных таким образом животных наблюдаются различные аномалии развития, например деформация конечностей; их часто подстерегает преждевременная смерть. В клонированных мышах не менее 5 процентов генов проявляются неправильно.