Интерес к генетике соматических клеток в последние два десятилетия особенно возрос по следующим обстоятельствам:
во-первых, в связи с разработкой методов генетического анализа в культуре соматических клеток и тканей и, во-вторых, в связи с необходимостью изучения на тканях и соматических клетках многоклеточного организма многих важнейших проблем: причин старения, этиологии ряда заболеваний (рака и др.), действия на организм фармакологических препаратов и других агентов, а также изучения механизма эмбриональной дифференцировки клеток в онтогенезе и интеграции клеток в ткани. Изучение генетических процессов в соматических клетках может в ряде случаев ускорить генетические исследования у человека, где исключаются скрещивания по воле экспериментатора, а также у медленно размножающихся животных. Пробуждению интереса к генетике соматических клеток способствовали также успехи, полученные в исследованиях генетических явлений на микроорганизмах.
При изучении наследственности соматических клеток можно использовать обычные генетические методы (например, на мутантных химерных организмах) и методы культуры клеток и тканей in vitro.
Выше мы уже познакомились с явлениями митотического кроссинговера и соматическими мутациями у животных и растений. Они убеждают в том, что, комбинируя у гетерозиготного организма различные сцепленные мутации, по мозаичному проявлению их в фенотипе можно наблюдать рекомбинации, а воздействуя мутагенами на ранние стадии развития организма, можно вызывать мозаичное проявление мутаций в тех участках ткани, которые развились из мутантных клеток.
У вегетативно размножающихся растений изучение соматических мутаций удобно вести на гаплоидных организмах. Гаплоидные формы получены у ряда высших растений: томатов, кукурузы и др. У томатов гаплоидное растение непрерывно воспроизводят с помощью черенков. Под воздействием рентгеновских лучей в отдельных соматических клетках таких черенков могут быть получены мутации. Поскольку клетки содержат гаплоидный набор хромосом, то в случае, если из мутантной клетки разовьется побег, эта мутация проявится, даже если она рецессивна. Мутантный побег отделяют и укореняют, а затем обрабатывают колхицином с тем, чтобы получить диплоидный побег, т. е. перевести мутацию в гомозиготное состояние.
Получение гомозиготных диплоидных мутантов у гаплоидных томатов
Если мутантная ткань даст начало генеративному побегу, то такую соматическую мутацию станет возможно поддерживать и через семенное размножение.
Эффективным методом изучения генетики соматических клеток становится пересадка тканей между разными мутантными линиями животных и растений. Применяемый с этой целью метод культуры клеток и тканей in vitro в принципе не отличается от методов генетики микроорганизмов. Однако он имеет целый ряд преимуществ, поскольку позволяет точно контролировать условия среды и генотип одиночной клетки. Применяя метод культуры клеток in vitro, клетки ткани размножают на синтетических питательных средах, в которые входят аминокислоты, витамины, ростовые факторы, соли и другие соединения (глюкоза), а также белки (нормальный сывороточный альбумин и фетуин) и др.
Как было отмечено выше, каждая ткань представляет собой популяцию клеток в том смысле, что она в какой-то мере всегда генетически неоднородна. Это происходит в силу непрерывно текущих в ней процессов наследственной изменчивости. Кроме того, клетки одной ткани в каждый момент могут находиться на разных стадиях митотического цикла. По-видимому, в силу функциональной деятельности органа его клетки и ткани интегрированы в систему, которая регулируется работой целого организма. В случае культуры клеток in vitro, когда снят контроль со стороны организма, популяция таких клеток оказывается дезынтегрированной, т. е. более динамичной в отношении наследственной изменчивости. В культуре появляются клетки с разной плоидностью, хромосомными перестройками, различными биохимическими и морфологическими мутациями. Естественно, что такие клетки имеют разную селективную ценность в однородной среде: одни клетки начинают размножаться быстрее, другие, напротив, медленнее. Поэтому в культуре клеток главным является получение клонов клеток с точной генетической характеристикой и поддержание их в культуре.
Клоны соматических клеток выводят путем изоляции одиночных клеток с помощью микрокапилляра и последующей их инкубации в специальных флаконах. Клоны выращивают также путем разбавления суспензии одиночных клеток на различных средах в чашках Петри. Для культуры клеток человека и животных используют эмбриональные ткани (эпителиальные, соединительные, мышечные и др.). Сейчас исследуется культура клеток растительных тканей.
Специфичность генетических процессов в соматических клетках обусловлена тем, что в них не происходит мейоза и генетические процессы осуществляются на основе митотического цикла клетки.
Исследование животных клеток в культуре показало, что в них возникают различные мутации:
- морфологические — двух типов: тип эпителиальный и тип фибробластов, а также в отношении характера образования колоний,
- биохимические — с разными потребностями в ростовых веществах в культуральной среде и различной ферментативной активностью в самих клетках при размножении in vitro,
- мутации резистентности к фармакологическим веществам, антибиотикам, вирусным инфекциям и химическим мутагенам.
В соматических клетках особенно сильно подвержено изменению число хромосом, т. е. нередко наблюдаются полиплоидия и гетероплоидия. Примером изменения плоидности ядер в культуре тканей кожи мыши могут служить данные, где генерация клеток отражает число пассажей в течение жизни культуры. Как видно, в ряде случаев по мере жизни культуры вытесняются диплоидные клетки, а число полиплоидных увеличивается.
В соматических клетках млекопитающих и человека относительно часто наблюдаются также различные хромосомные перестройки — фрагментация, делеции, транслокации и т. д. С возрастом организма в популяции клеток нормальной ткани частота хромосомных перестроек увеличивается.
В настоящее время с некоторым основанием можно утверждать, что в соматических клетках in vitro происходят генетическая трансформация и, по-видимому, трансдукция. Если культуру клеток, взятых от человека или животного-реципиента, с нормальным генотипом подвергать воздействию ДНК, взятой от донора, обладающего мутантным генотипом, то после инкубации в течение нескольких часов или дней часть клеток реципиента в культуре приобретает свойства донора.
Происходят ли эти процессы в многоклеточном организме, остается неясным. Однако нет никаких оснований отрицать такую возможность. Дело в том, что между эмбриональными клетками, а также в дифференцированной ткани имеют место индукционные отношения, которые приводят к взаимовлиянию тканей. Но механизм этих процессов остается неясным.
Наконец, к генетическим процессам в соматических клетках следует отнести и явление гибридизации соматических клеток. Биологи уже давно наблюдали кариогамию — слияние соматических клеток в двуядерные клетки. Однако без цитогенетического и генетического контроля такие наблюдения останавливали исследователей у поверхности явлений. Необходимо было получить прямое доказательство переноса ядерных генов от одной клетки к другой или совмещения геномов от двух клеток в одной с последующим воспроизведением их в клеточных поколениях. Такие опыты были проведены.
Б. С. Эфрусси взял клетки двух линий мышей: NCTC 2472 — «высокораковую», т. е. дающую высокий процент заболевания раком при перевивке опухоли, и NCTC 2555 — «низкораковую», т. е. дающую небольшой процент раковых опухолей. Обе эти линии имели гипотетраплоидный кариотип, но с четкой модальной характеристикой кариотипов каждой из двух линий. Затем клетки этих линий в равном количестве (по 2 · 105) смешивали и инкубировали в течение 2,5 месяцев. В результате изучения метафазных пластинок в культуре были обнаружены гибридные клетки. Анализ количества и морфологии хромосом гибридных клеток свидетельствует о том, что при совместной инкубации произошло слияние клеток двух линий. Такие гибридные клетки были названы клетками М. В некоторых смешанных культурах их число достигало 100%. Из них были получены клоны, которые сохранялись до одного года. При более длительном культивировании М-клетки теряли часть своих хромосом. Оказалось, что М-клетки совмещают не только хромосомы, но и наследственные свойства смешиваемых линий, в частности способность вызывать при прививке злокачественные опухоли у животных.
Пока трудно сказать, происходит ли подобная гибридизация — объединение соматических клеток — в тканях внутри целостного организма и как часто это случается. Быть может, такого рода гибридные клетки могут давать начало патологическим митозам с нарушением нормального митотического цикла клеток. При половом размножении организма подобная гибридизация соматических клеток в эволюции не может играть роли, однако для изучения генетических процессов в онтогенезе, полиморфизма клеточных популяций в тканях и других явлений она приобретает исключительное значение.