Том 3 (1129748), страница 79
Текст из файла (страница 79)
Однако знать путь дифференцировки клетки в таком смыслеозначает почти ничего не знать о внутренней (собственной) характеристике клетки. В одной крайности клетка, которая должна стать, скажем, нейроном, можетбыть уже специализирована таким способом, который гарантирует, что она станетнейроном независимо от того, как будет нарушаться окружающая ее среда; говорят, что такая клетка детерминирована к своей цели дифференцировки. В другойкрайности клетка может быть биохимически идентична другим клеткам, предуготовленным к иным путям дифференцировки, и единственное различие между нимибудет заключаться в случайном попадании в то или иное место в теле зародыша,от которого-то и будут зависеть дальнейшие пути дифференцировки.Состояние предопределенности клетки может быть установлено путем еепересадки в разные окружающие среды (рис.
22.7). Один из ключевых выводовэкспериментальной эмбриологии — благодаря клеточной памяти клетка можетстать предопределенной задолго до того, как она показывает какой-либо очевидныйпризнак своей дифференцировки.Рис. 22.7. Стандартная проба на предопределенность клеток.Между крайностями абсолютно предопределенной и совершенно непредопределенной клетки лежит целый спектр возможностей. Например, клетка может быть уже отчасти специализированной для своего нормального пути дифференцировки, с сильным тяготением к развитию в этом направлении, но все ещеспособной измениться и пойти по иному пути, если будет помещена в достаточноспособствующую этому среду. (Некоторые специалисты в области биологии развития описали бы такую клетку как специализированную или коммитированную, ноеще не детерминированную.) Или же клетка может быть предопределена, скажем,к развитию в клетку мозга, но еще не детерминирована относительно того, предстоитли ей стать нейронной или глиальной составляющей мозга.
И часто оказывается2006Часть 5. Клетки в контексте их совокупноститак, что прилегающие друг к другу клетки одного и того же типа взаимодействуюти зависят от взаимной поддержки для сохранения своего специализированногохарактера, так что они будут вести себя как детерминированные, если останутсявместе в одной группе, и забудут об этом, если их разобщить.22.1.7. Клетки запоминают позиционные значения, которыеотражают их местоположение в телеВо многих системах, еще задолго до того как клетки станут коммитированнымина специфический путь дифференцировки, они становятся регионально детерминированными: то есть они включают и поддерживают экспрессию тех генов, которыенаилучшим образом могут быть описаны как маркеры точного положения или целойобласти в теле. Такой позиционный признак клетки называют ее позиционнымзначением, оно оказывает влияние на поведение клетки на последующих этапахформирования структуры организма.Развитие ноги и крыла курицы дает нам яркий пример.
И нога, и крыло взрослой птицы состоят из мышц, костей, кожи и так далее — почти одного и того женабора дифференцированных тканей. Различие между этими двумя конечностямизаключается не в типах тканей, а в способе расположения этих тканей в пространстве. Так как же возникает это различие?В зародыше курицы нога и крыло появляются примерно в одно и то же время в виде маленьких, имеющих форму языка почек конечностей, расположенныхпо бокам тела.
Клетки в обеих парах почек конечностей сначала кажутся похожимии одинаково недифференцированными. Но простой эксперимент показывает, чтотакое кажущееся единообразие обманчиво. Маленький кусочек недифференцированной ткани в основании зачатка ноги, из области, которая в норме превратиласьбы в часть голени, может быть вырезан и пересажен на кончик зачатка крыла.Примечательно, что привитая тканьформирует ни соответствующуючасть кончика крыла, ни неуместную в этом месте часть ткани голени, но палец ноги (рис. 22.8).Этот эксперимент показывает, чторанние клетки зачатка ноги ужедетерминированы на принадлежность к ноге, но еще не направлены безвозвратно на формированиекакой-то конкретной ее части: онивсе еще могут отвечать на стимулызачатка крыла, так что они формируют структуры, соответствующиекончику предопределенной им коРис. 22.8.
Потенциальная ткань голени,пересаженная на кончик зачатка крыла курицы, формирует пальцы лапки. (На основе J. W. Saunders et al., Dev. Biol. 1: 281–301,1959. С любезного разрешения издательстваАсаdemic Press.)22.1. Универсальные механизмы развития животных 2007нечности, а не ее основанию. Очевидно, сигнальная система, которая управляетразличиями между частями конечности, одинакова у ноги и у крыла. Различиемежду этими двумя конечностями следует из различия во внутренних состоянияхобразующих их клеток, установившихся в начале развития конечности.Различие позиционного значения между клетками передней конечности позвоночного и клетками задней конечности обусловливает экспрессию разных наборовгенов, кодирующих регуляторные белки, которые, как думают, заставляют клеткив зачатках обеих конечностей вести себя по-разному (рис.
22.9). Позже в этой главемы объясним, как в отдельном зачатке конечности устанавливается следующий,более детальный уровень структуры.Рис. 22.9. Зародыши курицы на 6-й день инкубации; видны зачатки конечностей, окрашенные путемгибридизации in situ с зондами для обнаружения экспрессии генов Tbx4, Tbx5 и Pitx1, кодирующихродственные регулирующие гены белки. Клетки, экспрессирующие ген Tbx5, формируют крыло; чтоэкспрессирующие гены Tbx4 и Pitx1, формируют ноги. Искусственная экспрессия гена Pitx1 в зачаткекрыла приводит к развитию этой конечности с признаками, свойственными ноге. (Снимки любезнопредоставлены Malcolm Logan.)22.1.8. Индуктивные сигналы могут привести к появлению упорядоченных различий между первоначально идентичными клеткамиНа каждой стадии своего развития клетке зародыша предоставляется ограниченный набор вариантов, зависящий от состояния, которого она достигла: клеткапродвигается по многократно разветвляющемуся пути развития.
В каждой ветвипути она должна делать выбор, и последовательность сделанных ею выборовопределяет ее конечное специфическое состояние. Таким вот образом создаетсясложное множество клеток разного типа.Чтобы понять развитие организма, нам необходимо знать, чему подчинен каждый выбор между вариантами, и как эти варианты зависят от выборов, сделанныхранее. Сведем этот вопрос к его наипростейшей форме: за счет чего две клеткис одним и тем же геномом, но разделенные в пространстве, все более и более различаются друг от друга по ходу развития?Наиболее прямой способ сделать клетки различными — подвергнуть их воздействию разных окружающих сред, причем наиболее важные внешние стимулы,воздействующие на клетки зародыша, — это сигналы от соседних клеток. Такимобразом, в соответствии с самой общей схемой образования структур, группа клетокначинает с того, что состоит из элементов с одинаковым потенциалом развития.Затем сигнал от клеток извне этой группы переводит одного или нескольких ее2008Часть 5.
Клетки в контексте их совокупностичленов на разные пути развития,изменяя их признаки. Этот процесс называют индукционнымвзаимодействием. Вообще, сигнал ограничен во времени и пространстве, так что только малаягруппа компетентных клеток, самых близких к источнику сигнала, приобретает такой индуцированный признак (рис. 22.10).Одни индукционные сигналы относят к сигналам «ближнего действия», особенно передающиеся через межклеточныеконтакты; другие классифицируют как сигналы «дальнегодействия», опосредствуемые молекулами, способными распространяться через внеклеточнуюсреду.
Группу первоначально поРис. 22.10. Отправление индуктивных сигналов.добных клеток, компетентныхотвечать на сигнал, иногда называют группой эквивалентности, или морфогенетическим полем. Эта группаможет состоять только как из двух, так и из тысяч клеток, причем в зависимостиот силы и распределения сигнала, индуцировано может быть любое их число.22.1.9. При асимметричном делении клетки могут возникнутьотличающиеся друг от друга сестринские клеткиРост многообразия клеток не всегда должен зависеть от внеклеточных сигналов:в некоторых случаях сестринские клетки рождаются разными в результате асим‑метричного деления клетки, при котором во время деления материнской клеткинекоторый значительный набор молекул неравноценно распределяется между обеимидочерними клетками.
В дальнейшем такая асимметрично разделенная молекула(или набор молекул) выступает в роли определителя, или детерминанта одногоиз путей дифференцировки клетки путем прямого или косвенного изменения экспрессии генов в дочерней клетке, которая ее получила (рис. 22.11).Асимметричные деления часто происходят в начале развития, когда оплодотворенная яйцеклетка делится на дочерние клетки с различными путями дифференцировки, но встречаются также и на некоторых более поздних стадиях — например,в ходе образования нервных клеток.22.1.10. Положительная обратная связь способна вызватьасимметрию там, где ее раньше не былоОтправление индукционных сигналов и асимметричное деление клеток представляют собой две разные стратегии создания различий между клетками.
Однакообе они предполагают наличие в системе некоторой предварительной асимметрии:источник индукционного сигнала должен быть распределен таким образом, чтобы22.1. Универсальные механизмы развития животных 2009Рис. 22.11. Два пути получения неодинаковых сестринских клеток.некоторые клетки получали интенсивный сигнал, а другие не получали его вовсе;либо материнская клетка должна уже иметь перед делением внутреннюю асимметрию. Очень часто история системы гарантирует наличие некоторой начальнойасимметрии будет иметь место.
Но что если ее нет, или если начальная асимметрияочень слабая?Ответ заключается в положительной обратной связи: за счет положительнойобратной связи система, которая начинает свое развитие однородной и симметричной,может самопроизвольно себя структурировать даже там, где вообще нет никакогоорганизованного внешнего сигнала. А там, где, как очень часто бывает, окружающая среда или начальные условия налагают некоторую слабую, но определеннуюначальную асимметрию, положительная обратная связь обеспечивает средстваусилить этот эффект и дать начало полностью развитой структуре.Чтобы показать эти представления об обратной связи, рассмотрим пару смежных клеток, которые начинают свой путь во взаимно подобном состоянии и могутобмениваться сигналами, чтобы влиять на поведение друг друга (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
