Том 3 (1129748), страница 81
Текст из файла (страница 81)
Конечности позвоночного показывают яркий пример действия морфогена: группа клеток на одной стороне зачаткаконечности зародыша специализируется в сигнальный центр и выделяет белокSonic hedgehog — член семейства сигнальных молекул Hedgehog. Этот белок распространяется из своего источника и формирует градиент морфогена, которыйуправляет свойствами клеток зачатка конечности, расположенных по оси от большогопальца к мизинцу. Если на противоположную сторону зачатка пересаживается дополнительная группа сигнальных клеток, то происходит зеркальное дублированиегруппы пальцев (рис. 22.13).22.1.14. Внеклеточные ингибиторы сигнальных молекулформируют ответ на индукторСигнальным молекулам, в особенности таким, которые могут действоватьна расстоянии, ограничивать действие своего сигнала не менее важно, чем испускатьего.
Большинство сигнальных белков, связанных с развитием, имеют внеклеточныеантагонисты, способные ингибировать их функции. Эти антагонисты, как правило,представлены белками, которые связываются с сигнальной молекулой или с ее рецептором и тем самым препятствуют протеканию продуктивного взаимодействия.Удивительно большое число решений, связанных с развитием, фактическирегулируется ингибиторами, а не первичной сигнальной молекулой.
Нервная система в зародыше лягушки возникает на основе поля клеток, способного даватьнервную либо эпидермальную ткань. Индуцирующая ткань выделяет белок хордин,спсособствующий образованию нервной ткани. Хордин не имеет своего собственного рецептора.
Вместо этого, он выступает в роли ингибитора сигнальных белковиз семейства BMP/TGFβ, которые индуцируют развитие эпидермальной ткании присутствуют во всей нейроэпителиальной области, где формируются нейроныи эпидермис. Таким образом, индуцирование нервной ткани происходит за счетингибирующего градиента антагонистического сигнала (рис. 22.14).2014Часть 5. Клетки в контексте их совокупностиРис. 22.13. Sonic hedgehog, выступающий в роли морфогена в ходе развития конечности курицы.
а) Экспрессия гена Sonic hedgehog в 4-дневном зародыше курицы, определенная методомгибридизации in situ (вид со спины на туловище на уровне зачатков крыльев). Ген экспрессируется по средней линии тела и по задней границе (поляризующая область) каждого из двух зачатковкрыльев. Белок Sonic hedgehog распространяется из этих источников.б) Нормальное развитие крыла.
в) Пересаженный участок ткани из поляризующей области вызываетзеркальное дублирование структуры принявшего его крыла. Тип развивающегося пальца, как полагают,обусловлен локальной концентрацией белка Sonic hedgehog; поэтому пальцы разного типа (помеченныеномерами 2, 3 и 4) формируются в соответствии с их расстоянием от источника белка Sonic hedgehog.(Изображение а любезно предоставлено Randall S. Johnson и Robert D. Riddle.)22.1.15. Сигналы к развитию могут распространяться через тканьнесколькими различными путямиМногие сигналы к развитию, как думают, распространяются через ткани путемпростой диффузии через межклеточное пространство.
Если некоторая специализированная группа клеток с неизменной скоростью производит сигнальную молекулуи этот морфоген затем деградирует по мере диффузии и распространения от этогоисточника, то с течением времени установится плавный градиент с максимумом22.1.
Универсальные механизмы развития животных 2015Рис. 22.14. Два способа установления градиента морфогена. а) Путем ограниченного в пространствепроизводства индуктора — морфогена, — который диффундирует от своего источника. б) Путем ограниченного в пространстве производства ингибитора, диффундирующего от своего источника и блокирующего действие равномерно распределенного индуктора.в источнике морфогена. Скорость диффузии и время полураспада морфогена будутсообща определять крутизну этого градиента (рис. 22.15).Рис.
22.15. Установление градиента сигнала за счет диффузии. На графиках показаны последовательные стадии наращиванияконцентрации сигнальной молекулы, которая производится источником с постояннойскоростью, причем производство начинается во время 0. Молекула подвергаетсядеградации по мере диффузии от источника, в силу чего устанавливается градиентконцентрации с пиком в источнике.
Графики рассчитаны с допущением: диффузияпротекает вдоль одной оси пространства,время полураспада молекулы t1/2 = 20 минут и она диффундирует с постоянным коэффициентом диффузии D = 0,4 мм2·ч–1, типичным для маленькой (30 кДа) белковоймолекулы в воде. Обратите внимание, чтопо прошествии часа градиент уже близокк его стационарной форме, а концентрацияморфогена в стационарной форме (большие значения времени) падает по экспоненте с увеличением расстояния.2016Часть 5. Клетки в контексте их совокупностиЭтот простой механизм может видоизменяться многими способами, изменяяформу и крутизну градиента.
Рецепторы на поверхностях клеток могут улавливатьдиффундирующий морфоген на его пути и подвергать эндоцитозу и деградации,сокращая время его эффективного периода полураспада. Или он может связыватьсяс молекулами во внеклеточном матриксе и тем самым снижать свою эффективнуюскорость диффузии. В некоторых случаях оказывается, что морфоген забираетсяклетками путем эндоцитоза и затем выводится обратно — только для того, чтобыбыть поглощенным и снова, в свою очередь, выведенным другими клетками, такчто сигнал распространяется в большей степени по внутриклеточному пути.Еще один механизм распределения сигнала в пространстве зависит от длинныхтонких филоподий, или цитонем, которые в некоторых эпителиальных тканях простираются от клеток более чем на несколько клеточных диаметров.
Клетка можетвыпускать цитонемы и создавать контакты с отдаленными клетками — чтобы посылатьим сигналы или получать их самой. Таким образом, клетка, например, может осуществлять латеральное ингибирование широкой группы соседей через путь Notch.22.1.16. Часто хронологию развития клетки определяютзаложенные в нее программыСигналы вроде тех, которые мы только что описали, играют большую рольв управлении хронометражем событий в ходе развития, но было бы неверно представлять, что каждому изменению, связанному с развитием, нужен индуктивныйсигнал для его запуска.
Многие из механизмов, изменяющих свойства клетки,присущи самой клетке и не требуют никакого стимула из окружающей ее внешнейсреды: клетка проходит свою программу развития даже в том случае, если выдерживается в неизменной среде. Известны многочисленные случаи, когда можно былобы подозревать, что в ходе управления продолжительностью процесса развитияпроисходит что-то подобное. Например, у мыши нервные клетки-предшественникив коре головного мозга продолжают делиться и образуют нейроны на протяжениивсего 11 клеточных циклов, у обезьяны — в течение примерно 28 циклов, послечего останавливаются. На разных шагах этой программы производятся нейроныразных видов, исходя из чего можно предположить, что, по мере того как клеткапредшественник стареет, она изменяет предписания, которыми снабжает дифференцирующиеся клетки потомства.Конечно, в контексте интактного зародыша трудно доказать, что такая чередасобытий является результатом лишь автономного для клетки процесса хронометрирования, так как окружающая среда клетки изменяется.
Однако эксперименты наклетках в культуре явно свидетельствуют об этом. Например, глиальные клеткипредшественники, выделенные из зрительного нерва на 7-й день после рождениякрысы и выращиваемые в культуре при неизменных условиях в надлежащей среде,продолжают пролиферировать в течение строго ограниченного времени (соответствующего не более чем восьми циклам деления клеток) и затем дифференцируютсяна олигодендроциты (глиальные клетки, которые формируют миелиновые оболочкивокруг аксонов в мозгу), повинуясь расписанию, подобному тому, которому ониследовали бы, если бы их оставили на своих местах в зародыше.Молекулярные механизмы, лежащие в основе таких медленных изменений вовнутренних состояниях клеток, которые длятся днями, неделями, месяцами илидаже годами, все еще неизвестны. Единственная возможность состоит в том, что22.1. Универсальные механизмы развития животных 2017они отражают последовательные изменения в состоянии хроматина (о которыхговорили в главе 4).Механизмы, которые управляют хронометражем более быстрых процессов,хотя также плохо изучены все же не являются столь загадочными.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
