Регуляция действия генов и клеточная дифференцировка
В геноме человека имеется около 50 000 белковых генов. На протяжении жизненного цикла человека, от гамет до завершения жизненного пути, все они используются, экспрессируются, но не все одновременно, а в определенном порядке и по-разному в разных типах клеток. Многоклеточные организмы построены из дифференцированных клеток, специализированных для выполнения определенных функций.
- Клеточная дифференцировка.
В организме человека различают сотни типов дифференцированных клеток, идентичных генотипически, но различающихся фенотипически. Фенотип клетки определяется набором белков, синтезирующихся в ней: белки можно рассматривать как первичные фенотипические признаки. В дифференцированной клетке экспрессируется 5 000-15 000 генов (белков), а все остальные гены «молчат». Основная часть белков дифференцированной клетки — это белки «домашнего хозяйства», т. е. те, которые обеспечивают само существование живой клетки. К ним относятся белки, участвующие в матричных синтезах, в синтезе АТФ, мембран и др. Белки «домашнего хозяйства» составляют около 80 % всех белков дифференцированной клетки. Меньшая часть приходится на белки, не обязательные для жизнеобеспечения самой клетки, но выполняющие в организме (не в отдельной клетке!) интегральные функции. Например, альбумин, синтезируемый и секретируемый гепатоцитами, пищеварительные ферменты, белки-гормоны, гемоглобин и др. Отметим, что «молчащих» генов в дифференцированной клетке существенно больше, чем действующих.
Таким образом, можно выделить два типа регуляции действия генов в клетках животных.
1. В дифференцированной клетке большая часть генов — около 80 % — полностью выключена, репрессирована, и это состояние сохраняется длительно, часто на протяжении всей жизни клетки или даже многих генераций клетки.
2. Интенсивность действия невыключенных генов регулируется путем индукции или репрессии. Сигналом для увеличения или уменьшения скорости синтеза белков служит изменение концентрации определенного вещества — гормона, некоторых метаболитов и др. Такие изменения обычно непродолжительны, и клетка возвращается в базальное состояние после прекращения действия сигнала.
Набор действующих и выключенных генов различен в дифференцированных клетках разных типов; различия возникают в ходе клеточной дифференцировки и определяют фенотип клетки. Молекулярные механизмы регуляции такого типа пока неизвестны. Изучение биохимии клеточной дифференцировки составляет одно из основных направлений современной биохимии; оно имеет важное значение для медицины, поскольку может открыть средства управления процессами регенерации поврежденных или даже утраченных органов.