В условиях культуры тканей частично дифференцированные клетки могут долгое время размножаться, не приобретая окончательной дифференцировки. Так, например, будущие клетки мышц — миобласты — могут в культуре размножаться в течение нескольких лет. Ho при создании условий для дифференцировки — коллагеновой подложки и среды замедляющей деления, — миобласты сливаются друг с другом, образуют мышечные волокна, в них синтезируются миозин и другие мышечные белки. Естественно, что такой дифференцировке в мышцы могут подвергаться только миобласты, а не другие виды клеток. Следовательно, не только информация о свойствах миобласты, но и информация об активации генов миозина сохранилась и после сотен клеточных делений, хотя сами эти гены еще не функционировали.

Проблема состоит в том, как объяснить сохранение активности определенных генов у клеток, проходящих митотический цикл. За этот цикл хромосомы проходят два процесса, изменяющих их структуру, — репликацию и образование митотических хромосом (конденсацию хроматина). При образовании митотических хромосом происходит многократная спирализация и компактная укладка хроматиновой нити. Процесс транскрипции при этом прекращается. Необходимо, следовательно, объяснить, почему после завершения митоза, когда хромосомы деспирализуются, в них возобновляется активность тех же генов.

He менее сложно объяснить и поддержание стабильности дифференцнровки в процессе репликации. При удвоении ДНК возникают две двойные спирали, к которым присоединяются гистоны и негистоновые белки, образуя нуклеопротеидный комплекс — хроматин. Каким образом в этом случае активное состояние одного гена переходит в активное состояние двух генов в двух дочерних двойных спиралях ДНК? Иными словами, как удваивается, размножается, реплицируется не только сама ДНК, но и состояние избирательной активности в отдельных ее участках? К этим не решенным пока вопросам и сводится сейчас проблема стабильности дифференцнровки, или эпигенетической наследственности.

Группу «метаболических» гипотез составляют все те представления о природе стабильности, в которых фигурирует какое-то активирующее вещество: оно может некоторое время находиться вне ДНК, но оно должно быть способно опознавать и активировать определенные гены, и в том числе тот ген, который определяет синтез самого этого вещества. Природа вещества не имеет принципиального значения, но, вероятнее всего, им может быть или РНК или белок. Согласно «метаболической» гипотезе, в дифференцированной клетке возникает замкнутый круг: на специальном гене транскрибируется мРНК, на этой мРНК транслируется белок, а этот белок активирует и «свой собственный» ген, и все другие гены, характерные для данной дифференцнровки.

Эта схема легко объясняет все трудности сохранения активности определенных генов в течение митотических циклов. Во время репликации ДНК и во время митоза ранее синтезированное активирующее вещество находится в цитоплазме, а после удвоения хромосом или после образования дочерних ядер вновь активирует те же самые гены, характерные для данной дифференцнровки (и в их числе и тот ген, активность которого пополняет в клетке запас активирующего вещества). Такая система, раз возникнув, далее поддерживает сама себя и уже не нуждается в тех факторах дифференцировки, которые ее однажды создали, т. е. запустили в менее дифференцированных клетках. Очевидно, что генов, определяющих синтез таких активирующих веществ, должно быть по меньшей мере столько, сколько типов дифференцированных клеток может быть в организме.

Никаких прямых доказательств «метаболической» гипотезы пока нет, но кандидатами на активирующие вещества могут быть и РНК, и негистоновые белки хроматина, о которых уже известно, что они участвуют в активации генов. Все как будто свидетельствует в пользу этой гипотезы, если бы не несколько случаев, которые очень трудно, а вероятно и невозможно объяснить с позиций «метаболической» гипотезы.

Вторую гипотезу можно назвать «структурной», потому что она не требует синтеза каких-либо специальных веществ, но предполагает изменения в структуре ДНК или всего хроматина. Согласно этой гипотезе, при возникновении дифференцировки в структуре генов и хроматина происходят такие изменения, которые делают эти гены активными. Изменения в структуре, раз возникнув, способны «помнить» о своей активности и сохраняться во время таких сложных процессов, как образование метафазных хромосом при делении клетки. Более того, эти особенности структуры должны во время репликации распространяться на обе двойные спирали ДНК.

Согласно нашим сегодняшним знаниям о природе хроматина, таким требованиям надежно удовлетворяют только изменения в первичной структуре ДНК, т. е. замена одних нуклеотидов другими или перемещения более крупных участков ДНК. Такие изменения (замены или перемещения), если они возникли, естественно, сохраняются в митозе, а при репликации ДНК оказываются в обеих новообразованных хромосомах, т. е. удваиваются. До сих пор, однако, неизвестно, существуют ли в дифференцированных клетках, кроме лимфоцитов, изменения в первичной структуре ДНК, и если да, то каков механизм их возникновения и обратимы ли они?

Значительно труднее представить сохранение и удвоение изменений не в виде последовательности нуклеотидов ДНК, а в конфигурации ее двойной спирали (вторичная структура ДНК) или в ее связях с белками, хотя такие гипотетические схемы существуют. И тем не менее, хотя представить себе «структурную» гипотезу значительно сложнее, чем «метаболическую», некоторые факты легче объяснить первой, чем второй.

Прежде всего мы обсудим явление, открытое английской исследовательницей М. Лайон, которое получило название «лайонизация Х-хромосомы». Как известно, самки млекопитающих имеют две Х-хромосомы, в то время как самцы — только одну. Х-хромосома несет много важных генов, и, очевидно, должен быть механизм, который бы как-то уравнивал количество генетической продукции (мРНК) в мужских и женских клетках. Оказалось, что у ранних зародышей млекопитающих на стадии 100–400 клеток происходит инактивация одной из Х-хромосом, которая образует компактный высокоспирализованный комочек, т. е. становится гетерохроматином. Эту компактную глыбку, так называемое тельце Барра, можно видеть только в ядрах клеток женского организма. Возможность определить пол, в идеале по одной клетке, уже используется в судебной медицине, а также в спорте для подтверждения пола у женщин-спортсменок. В ближайшем будущем этот метод будет использоваться для прижизненного определения пола у эмбрионов человека в первые месяцы беременности. Развитие этого метода позволит в перспективе регулировать пол потомства (путем отказа от продолжения беременности при нежелательном варианте).

Гетерохроматизация, или «лайонизация», одной из Х-хромосом происходит в каждой эмбриональной клетке случайно, но затем во всех потомках этой клетки гетерохроматинизированной остается та же самая хромосома. Если обе Х-хромосомы не идентичны, т. е. некоторые гены у них представлены разными аллельными вариантами, то весь организм становится мозаичным: в одних клетках работают одни варианты генов, а в других — другие мутантные варианты. Возникает вопрос: каким образом после того, как данная Х-хромосома гетерохроматинизировалась, она, вернее, ее потомки подвергаются такому же процессу снова и снова, после каждого митоза? Ведь в митозе обе Х-хромосомы суперспирализованы (компактизованы) одинаково и не отличаются друг от друга.

В чистых линиях животных обе Х-хромосомы совершенно одинаковы, и невозможно себе представить, чтобы какое-либо вещество отличило одну Х-хромосому от другой. Следовательно, лайопизированная Х-хромосома даже в метафазе митоза как-то «сама помнит» о своей лайонизации и возобновляет ее снова после митоза. Единственное разумное объяснение этому явлению состоит в том, что в действительности структура однажды лайонизированной Х-хромосомы становится в чем-то отличной от другой, но это отличие не удается заметить во время митоза и оно способно передаваться при репликации обоим потомкам данной Х-хромосомы.