1.1. Концепция клеточной памяти

Взрослое животное обладает 200—300 структурно различными клеточными типами, тогда как растение — где-то между 30 и 40. Если принять во внимание сложные паттерны экспрессии генов, можно различить еще большее число разных клеточных популяций. Идентичность и функция данного клеточного типа определяются характерным для него профилем экспрессии генов, где соответствующие группы генов являются либо активными, либо «молчащими». В ходе развития и в состоянии гомеостаза взрослого организма критически важно помнить и надежно воспроизводить это состояние после каждого клеточного деления. Это особенно важно во время репликации генетического материала (фаза S) и расхождения хромосом в митозе (фаза М), которые являются событиями, повторяющимися в каждом клеточном цикле и прерывающими процессы экспрессии генов. Итак, каким же образом дифференциальные паттерны генной экспрессии могут поддерживаться от одного клеточного поколения до следующего?

Мы знаем из экспериментов, проделанных в 1960— 1970-е годы, что ткани растений и животных «помнят» свое детерминированное состояние даже после продолжительных пассажей в культуре (Hadom, 1968; Hackett et al., 1987). Хадорн и сотрудники показали что клетки имагинальных дисков, обнаруживаемых в личинках Drosophila, обладают присущей им клеточной памятью, что позволяет им помнить состояния детерминации, фиксированные в эмбриогенезе. Имагинальные диски — это кластеры эпителиальных клеток, обособливающиеся в развивающемся эмбрионе в качестве предшественников специфичных внешних структур и придатков во время метаморфоза. Например, из двух пар имагинальных дисков во втором торакальном сегменте одна образует среднюю пару ног, а другая — крылья (рис. 12.2). Имагинальные диски можно культивировать путем трансплантации в гемоцель взрослых самок, где они продолжают пролиферировать, но не дифференцируются. Когда такой диск пересаживают обратно в личинку перед началом метаморфоза, он в конечном счете дифференцируется в ожидаемые структуры взрослого организма даже после нескольких трансплантационных пассажей. Позже было показано, что для поддержания этого детерминированного состояния клеток имагинальных дисков необходимы белки PcG и trxG (рис. 11.1). Однако в описанных выше экспериментах с культивированием наблюдали, что в редких случаях имагинальный диск может изменить свою судьбу в результате процесса, названного трансдетерминацией. Этот процесс включает даун-регуляцию репрессии PcG сигнальным каскадом INK в трансдетерминированных клетках (рис. 11.2а, б) (Lee et al., 2005). Мутанты по PcG также имеют повышенную частоту трансдетерминации, что, опять-таки, говорит в пользу роли белков PcG в поддержании судьбы имагинальных дисков (Klebes et al., 2005). Таким образом, белки PcG, по-видимому, играют ключевую роль в репрограммировании клеточных судеб как в ходе нормального развития, так и в процессах регенерации (дополнительные детали см. в разделе 4 3 далее в этой главе).