Генетика соматических клеток

Соматическими называют клетки, составляющие тело (сому) многоклеточных организмов и не принимающие участия в поло­вом размножении. Входя в состав разнообразных тканей тела, соматические клетки каждой ткани обладают специфическими структурными, метаболическими и химическими особенностями, которые приобретаются в процессе дифференцировки. Сомати­ческие и половые клетки имеют общее происхождение, так как образуются из генетически одинаковых эмбриональных клеток, которые содержат всю генетическую информацию, необходимую для образования клеток различных типов в ходе развития орга­низма. Различные ткани многоклеточных организмов представляют собой популяции клеток, которые могут изменяться с возрастом и в зависимости от состояния организма. Входящие в состав таких популяций клетки в результате дифференцировки приобретают стабильные наследственные свойства соответствующего типа. Эта стабильность сохраняется даже при культивировании in vitro выделенных из организма соматических клеток. Многие генетические процессы, характерные для половых клеток, проис­ходят и в соматических клетках (мутации, хромосомные пере­стройки, рекомбинации, расщепления, полиплоидизация и др.). Изучение наследственности и изменчивости соматических клеток необходимо для решения многих важных проблем, среди которых особо следует выделить проблему старения, патологии клеток, действия на организм различных физических факторов, а также проблему дифференцировки клеток в онтогенезе и их интеграции в ткани.

При изучении наследственности соматических клеток исполь­зуют методы культуры клеток и тканей, пересадку тканей между разными мутантными линиями растений и животных, а также получение химерных организмов. Рассмотрим некоторые методы подробнее.

1. Методы клеточных культур растений. Позволяют культивировать клетки с различной плоидностью (гаплоидные, диплоидные, полиплоидные), хромосомными перестройками, различ­ными морфологическими и биохимическими особенностями. В культурах гаплоидных клеток рецессивные аллели сразу же проявляются в фенотипе, что позволяет отбирать соматические мутации из исходной популяции клеток или путем индуцированного мутагенеза. Для отбора таких мутаций используются селективные среды. В дальнейшем из культуры ткани можно получить гаплоидные регенераты, а затем с помощью колхицина перевести их на диплоидный уровень и получить генетически однородные гомозиготные линии. Эти процедуры ускоряют селекцию на получение хозяйственно ценных форм, например, растений, устойчивых к засолению (осмоустойчивых).

2. Методы клеточных культур животных и человека. Позволяют получать и изучать клетки с различным уровнем плоидности, с хромосомными аберрациями, генными мутациями и другими изменениями, которые для целостного организма летальны. Эти методы особенно важны с точки зрения радиационной генетики и химического мутагенеза.

3. Методы соматической гибридизации. Позволяют совместить в одной клетке геномы разных организмов. Это дает возможность изучать взаимодействие генетических систем разных биологических видов и использовать гибридные клетки (гибридомы) для получения некоторых веществ (моноклональных антител, вакцин, биологически активных веществ).

4. Методы прививочных гибридов и получение химерных растений. Позволяют изучать взаимодействие геномов разных биологических видов на целостных организмах.

Широко известны работы по получению у растений так называемых прививочных или «вегетативных» гибридов. Начиная с работ Винклера (1907–1935), прививочные гибриды были получены многими авторами на различных растениях. Ряд исследователей склонны были считать прививочные гибриды истинными гибридами, но это оказалось заблуждением. В данном случае мы имели дело с химерными организмами, т. е. такие «гибриды» состоят из тканей подвоя и привоя. Химеры могут быть периклинальными, секториальными и мериклинальными. В химерных организмах клетки и ткани подвоя и привоя могут чередоваться или смешиваться, но они не сливаются, сохраняя относительную автономность и четкие морфологические различия. Таким образом могут возникать новые формы растений, похожие на истинные гибриды, поскольку их признаки бывают промежуточными по сравнению с признаками подвоя и привоя. Если бы это были истинные гибриды, то промежуточный характер признаков сохранился бы в потомстве, полученном из семян. Этого, однако, не происходит, так как генеративные органы обычно образуются за счет тканей одного из компонентов прививки. Иначе говоря, семенное потомство будет соответствовать тому растению, из ткани которого развились половые клетки. Прививочные гибриды можно размножать только вегетативным путем. При прививках, когда различные соматические ткани находятся в тесном контакте, возможны различные цитоплазматические изменения, которые могут наследоваться при семенном размножении по типу длительных модификаций). Причиной цитоплазматических изменении в этом случае может быть обмен между клетками подвоя и привоя, например рибосомами или другими структурами цитоплазмы. Пока это лишь предположения. Без ответа остается и вопрос о возможности изменения генотипа привоя под влиянием подвоя. Хорошо известные методы ментора и вегетативного сближения, применяемые И.В.Мичуриным и другими исследователями, позволяют изменить степень выраженности признаков у привоя, а в некоторых случаях облегчить отдаленную гибридизацию. В этих случаях мы имеем дело с временными модификациями, а не с наследственными изменениями. Неправильным является представление, что метод прививок был основным при выведении новых сортов Мичуриным и другими селекционерами. Основным методом получения новых исходных форм для селекции была половая гибридизация, о чем неоднократно писал и сам Мичурин. Прививки же использовались для усиления фенотипического выражения желаемых признаков, т. е. для получения модификаций, которые можно сохранить при вегетативном размножении. Иначе это можно назвать фенокопиями, при которых наблюдаются изменения фенотипа, имитирующие мутантные состояния, но не наследуемые при половом размножении. На фоне таких модификаций значительно повышалась эффективность отбора. Направленных же генотипических изменений, сохраняющихся в ряду семенных поколений, при прививках не обнаружено.

5. Трансплантация тканей и получение химерных животных. Позволяет изучать генетические закономерности совместимости тканей при пересадках. В настоящее время разработан метод получения химерных животных, например, аллофенных мышей. Суть его состоит в том, что конструируется бластула, состоящая из генетически различных бластомеров, которая затем имплантируется в матку гормонально подготовленной мыши. Таким образом, у химерных животных было установлено, что гены можно условно разделить на два типа: автономного и неавтономного действия. К первым относятся такие гены, доминантные аллели которых не подавляют проявление рецессивных аллелей этого же гена, находящихся в соседних клетках в гомозиготном состоянии. С другой стороны, продукты активности доминантных генов неавтономного действия, проникая в соседние клетки, определяют их фенотип.