Freepik
На первый взгляд кажется парадоксальным: во всех клетках человеческого тела содержится одинаковый набор ДНК, но при этом клетки кожи, мышц, нервов и других тканей выглядят и функционируют совершенно по-разному. Как это возможно? Ответ кроется в сложных механизмах регуляции генов, которые позволяют клеткам "читать" только определённые части генома и игнорировать остальные.
Одинаковая ДНК, но разные "инструкции"
ДНК — это своеобразная "библиотека" инструкций для построения и функционирования организма. Однако не все "книги" в этой библиотеке используются одновременно. Каждая клетка активирует только те гены, которые ей необходимы для выполнения своей конкретной функции. Этот процесс называется дифференциальной экспрессией генов.
-
Эпигенетические механизмы: Клетки регулируют активность генов с помощью эпигенетических меток — химических модификаций ДНК и белков-гистонов, вокруг которых она обёрнута. Например, метилирование ДНК может "выключать" гены, а ацетилирование гистонов — "включать" их. Эти метки определяют, какие гены будут активны в конкретной клетке.
-
Транскрипционные факторы: Это специальные белки, которые связываются с определёнными участками ДНК и регулируют процесс транскрипции — синтеза РНК на основе ДНК. Разные клетки содержат разные наборы транскрипционных факторов, что позволяет им активировать уникальные комбинации генов.
-
Альтернативный сплайсинг: Даже если два типа клеток транскрибируют один и тот же ген, они могут производить разные белки благодаря процессу альтернативного сплайсинга. В ходе этого процесса экзоны (кодирующие участки гена) "сшиваются" по-разному, что приводит к образованию различных вариантов белка.
Примеры дифференцировки клеток
-
Нейроны: В нервных клетках активны гены, отвечающие за передачу электрических сигналов и синтез нейромедиаторов. При этом гены, связанные с сокращением мышц, "выключены".
-
Мышечные клетки: Здесь, наоборот, активны гены, которые кодируют белки, необходимые для сокращения, такие как актин и миозин.
-
Клетки кожи: В них экспрессируются гены, отвечающие за производство кератина — белка, который делает кожу прочной и эластичной.
Почему это важно?
Дифференциальная экспрессия генов позволяет организму эффективно использовать один и тот же геном для создания множества специализированных клеток. Без этого механизма все клетки были бы одинаковыми, и многоклеточные организмы, включая человека, просто не смогли бы существовать.
"Дифференциальная экспрессия генов — это основа клеточной специализации. Она позволяет одной и той же ДНК служить основой для сотен различных типов клеток", — объясняется в статье на Nature.
Интересные факты:
-
В каждой клетке человека содержится около 2 метров ДНК, упакованной в ядро диаметром всего 5–10 микрометров.
-
Только 1–2% ДНК кодируют белки. Остальная часть, ранее считавшаяся "мусорной", играет важную роль в регуляции генов.
-
Некоторые гены, такие как те, что отвечают за основные клеточные функции (например, производство энергии), активны во всех клетках.
Хотя все клетки человеческого тела содержат одинаковую ДНК, они становятся разными благодаря сложным механизмам регуляции генов. Эти механизмы позволяют клеткам "выбирать", какие гены использовать, а какие игнорировать, что делает возможным существование сложных многоклеточных организмов.
