Том 3 (1129748), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Позже мы обсудим пример — осцилятор экспрессии генов, известный как часы сегментации,который управляет формированием сомитов у зародышей позвоночных — зачатковряда позвонков, ребер и связанных с ними мышц.22.1.17. Исходные структуры закладываются в небольших ареалах клеток, а затем, по мере того как зародыш растет, уточняютсяза счет последовательной индукцииСигналы, которые организовывают пространственную структуру организмазародыша, обычно действуют на коротких расстояниях и управляют относительнопростыми выборами. Морфоген, к примеру, обычно действует на расстоянии не более1 мм — эффективный диапазон для диффузии (см.
рис. 22.15) — и управляет выборомв клетках, на которые он воздействует, между не более чем несколькими вариантамидальнейшего пути развития. Но развивающиеся в конечном счете органы намногокрупнее и гораздо сложнее, чем такая микроскопическая клеточная область.Пролиферация клеток, которая следует за первичной специализацией, объясняет увеличение размеров, тогда как уточнение исходной структуры объясняется рядомместных индукций, которые последовательными уровнями детализации украшаютпервоначальный грубый набросок ткани. Как только возникают клетки двух видов,одни из них могут производить некий фактор, который будет индуцировать подгруппу соседних клеток специализироваться каким-либо третьим образом.
Клеткитретьего типа могут, в свою очередь, направлять сигнал обратно к расположеннымпоблизости клеткам других двух типов и дать начало клеткам четвертого и пятоготипов и так далее (рис. 22.16).Такую стратегию создания последовательно усложняющейся структуры называют последовательной индукцией. Именно через ряд последовательных индукцийобщее строение организма развивающегося животного, сначала от набросаннойвчерне миниатюры, чаще всего и превращается в искусно прорабатываемую во всеболее и более тонких деталях по мере протекания развития картину.Рис. 22.16. Формирование пространственных структур организма путем последовательной индукции.Ряд индуктивных взаимодействий может вызывать образование множества типов клеток из несколькихисходных типов.2018Часть 5. Клетки в контексте их совокупностиВ последующих параграфах мы сосредоточимся на маленькой подборке модельных организмов, чтобы увидеть, как принципы, изложенные в общих чертахв этом первом параграфе, работают на практике.
Начнем мы с круглого червяCaenorhabditis elegans.ЗаключениеЗаметные изменения в поведении клетки, которые мы наблюдаем по мереразвития многоклеточного организма, являются внешними проявлениями сложнейших молекулярных вычислений, зависящих от клеточной памяти, котораявозникает и поддерживается в клетках, когда они получают и обрабатываютсигналы от своих соседей и посылают сигналы в ответ.
Таким образом, конечная структура, состоящая из дифференцированных клеток разнообразныхтипов, является результатом скрытой на еще более глубоком уровне программыспециализации клеток — программы, проявляющейся в изменяющихся уровняхэкспрессии генов регуляторных белков, благодаря чему потенциальные возможности одной клетки могут отличаться от возможностей другой клетки задолгодо того, как начнется окончательная дифференцировка. Ученые в областибиологии развития стремятся расшифровать эту скрытую от нас программуи связать ее за счет данных генетических и микрохирургических экспериментовс сигналами, которыми клетки обмениваются по мере того, как разрастаются,взаимодействуют и перемещаются.Такие, казалось бы, разные животные (червь, муха и человек) используютдля управления своим развитием удивительно схожие наборы белков, такимобразом, что открытое на одном организме, очень часто дает нам пониманиео других организмах.
Чтобы согласовать построение организованной многоклеточной структуры, разные организмы используют лишь несколько эволюционноконсервативных путей передачи межклеточных сигналов, к которым многократно обращаются разные типы клеток. Различия в общем плане строенияорганизма, оказывается, возникают во многом из различий в регуляторной ДНК,управляющей каждым геном. Такая ДНК играет центральную роль в определении последовательной программы развития — она вводит гены в действиев определенные моменты времени и в надлежащем месте, в соответствиис картиной экспрессии генов, имевшей место в каждой клетке на предыдущейстадии развития организма.Различия между клетками зародыша возникают несколькими путями.Положительная обратная связь может привести к нарушенной симметриии породить радикальное и неизменное различие между клетками, которые изначально являлись почти идентичными.
В результате асимметричного деленияклетки могут возникать разные сестринские клетки. Или же группа изначальноподобных клеток может подвергнуться воздействию разных индукционныхсигналов от клеток вне группы; индукторы дальнего действия с градуальнымиэффектами, называемые морфогенами, могут организовать сложную структуру. Посредством клеточной памяти такие кратковременные сигналы могутоказывать длительное действие на внутреннее состояние клетки, побуждаяее, например, пойти по определенному пути дифференцировки. Таким образом,последовательности простых сигналов, действующих на массивы растущих клеток в нужное время и в нужном месте, дают начало сложным и разнообразныммногоклеточным организмам, которые заполонили окружающий нас мир.22.2. Caenorhabditis elegans: развитие с точки зрения отдельной клетки 201922.2. Caenorhabditis elegans: развитие с точки зренияотдельной клеткиКруглый червь из класса нематод Caenorhabditis elegans — маленький, относительно простой и отчетливо структурированный организм.
Анатомия его развитияописана необычайно подробно, и можно составить точную карту последовательностипоколений практически каждой клетки в его теле. Полная последовательность егогенома также известна, и проанализированы большие числа мутантных фенотиповс целью определения функций генов.
Если и существует какое-либо многоклеточноеживотное, развитие которого мы должны уметь объяснить с позиций генетическогоуправления, то это именно нематода C. elegans.Сравнения последовательностей ДНК показывают, что, хотя линии эволюционного древа, ведущие к нематодам, насекомым и позвоночным, отклонились другот друга приблизительно в одно и то же время, скорость эволюционных измененийв линии нематод была значительно выше: их гены, структура тела и стратегии развития отстоят дальше от наших, чем у дрозофилы. Тем не менее, на молекулярномуровне многие из присущих ему механизмов развития подобны таковым у насекомыхили позвоночных и управляются системами генов, гомологичных генам животныхпоследних двух типов.
Если кто-то желает узнать, как развивается глаз, конечностьили сердце, то ответ нужно искать в каком-нибудь другом месте: у C. elegans нетэтих органов. Но на более фундаментальном уровне он очень полезен: он наглядно излагает основные общие вопросы развития животного в относительно простойформе и позволяет нам ответить на них в понятиях функций генов и поведенияотдельных отождествленных с теми или иными ролями клеток.22.2.1. В анатомическом отношении Caenorhabditis elegansдовольно простВзрослый червь C. elegans состоит всего лишь из примерно 1 000 соматическихклеток и 1 000–2 000 зародышевых клеток. Если говорить точно, то у гермафродитов959 ядер соматических клеток и приблизительно 2 000 зародышевых клеток, а у самцов — 1 031 ядро соматических клеток и около 1 000 зародышевых клеток (рис. 22.17).Рис.
22.17. Caenorhabditis elegans. Показан взрослый гермафродит на виде сбоку. (Заимствованоиз J. E. Sulston and H. R. Horvitz, Dev. Biol. 56: 110–156, 1977. С любезного разрешения издательстваAcademic Press.)2020Часть 5. Клетки в контексте их совокупностиАнатомия этого червя восстановлена клетка за клеткой с помощью электронноймикроскопии серии последовательных срезов. Общее строение его организма простое: он имеет билатерально симметричное, продолговатое тело, состоящее из тех жеосновных тканей, что и другие животные (нервная, мышечная, кишечная, покровная),в переднем конце находится рот и мозг, а в заднем — анальное отверстие.
Внешняястенка тела состоит из двух слоев: защитный эпидермис, или «кожа», и нижележащая мышечная оболочка. Трубка эндодермальных клеток образует кишечный тракт.Вторая трубка, расположенная между кишечником и стенкой тела, образует гонаду;ее стенка состоит из соматических клеток, внутри расположены половые клетки.Черви C. elegans двуполы, существуют гермафродиты и самцы. Для простоты,гермафродита можно рассматривать как самку, которая производит ограниченноечисло сперматозоидов: червь может размножаться путем самооплодотворения,используя свои собственные сперматозоиды, либо путем перекрестного оплодотворения сперматозоидами, полученными от мужской особи в ходе спаривания.Самооплодотворение позволяет одинокому гетерозиготному червю давать гомозиготное потомство.
Это важная особенность, благодаря которой C. elegans являетсяисключительно удобным организмом для генетических исследований.22.2.2. Судьба каждой клетки развивающейся нематодыпредсказуемаЧервь C. elegans начинает жизнь с одной-единственной клетки — оплодотворенного яйца, которая путем последовательных клеточных делений дает начало558 клеткам, из которых состоит к моменту вылупления из яйцевой оболочкималенький червь. После вылупления дальнейшие деления клеток обусловливаютрост и половое созревание червя по мере прохождения им четырех последовательных личиночных стадий, отделенных линьками. После заключительной линькиобразуется взрослый червь-гермафродит, который начинает производить своисобственные яйца. Полная последовательность этапов развития, от яйца до яйца,занимает около трех суток.Последовательность клеточных поколений всех клеток от одноклеточногояйца до многоклеточного взрослого организма определена при помощи прямогонаблюдения развивающимся животным.
У всех особей нематоды данная клеткапредшественник следует одной и той же схеме клеточных делений, и с очень немногими исключениями путь дифференцировки каждой клетки-потомка может бытьпредсказан по занимаемой ею позиции в дереве клеточных линий (рис. 22.18).В развитии более крупных животных такая степень стереотипной точностине наблюдается. Исходя из этого, на первый взгляд могло бы показаться, что каждаяклеточная линия в зародыше нематоды строго и независимо запрограммирована наследование установленной схеме деления и специализации клеток, в силу чего этотчервь, к сожалению наблюдателя, являет собою не показательный в отношенииразвития модельный организм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
