Том 3 (1129748), страница 84
Текст из файла (страница 84)
Схема делений клеток в зародыше C. elegans на ранних стадиях развития; обозначены названия и пути дифференцировки отдельных клеток.Короткие черные линии соединяют сестринские клетки.(Переработано на основе K. Kemphues, Cell 101: 345–348,2000. С любезного разрешения издательства Elsevier.)сигнала Wnt от клетки P2. Одна дочерняяклетка, MS, даст начало мышцам и разнымдругим частям тела; другая дочерняя клетка, E, является клеткой-основательницейкишечника, направленной исключительно напорождение всех клеток кишечного тракта(см. рис. 22.21).Набросав абрис причинно-следственнойцепи в зародыше нематоды на ранних стадиях развития, сейчас мы рассмотрим некоторые из методов, которые использовалисьдля ее расшифровки.22.2.5. Микрохирургия и генетикараскрывают логику контроляразвития, клонированиеи секвенирование генов —его молекулярные механизмыЧтобы открыть причинные механизмы,нам нужно знать потенциал развития отдельно взятых клеток зародыша, то есть ответить на следующий вопрос: в каких схемусвоей жизни они подвергаются решающимвнутренним изменениям, которые предопределяют их к конкретному пути дифференцировки, и когда они зависят от сигналовдругих клеток? В нематоде при помощилазерной микролучевой микрохирургии можно точно убивать одного и более соседей выбранной клетки и затем непосредственно наблюдать, как эта клетка поведетсебя в изменившихся обстоятельствах.
Альтернативно: клетки зародыша на раннихэтапах развития можно передвигать и перестраивать внутри оболочки яйца посредством тонкой иглы. Например, относительные положения клеток ABa и ABp можнопоменять местами на четырехклеточной стадии развития. Тогда клетка ABa идетпо обычному пути дифференцировки клетки ABp, и наоборот; это показывает, чтоданные две клетки изначально имеют один и тот же потенциал развития и зависятот посылаемых соседними клетками сигналов, которые и обусловливают их различия. Третья тактика состоит в удалении яйцевой оболочки с зародыша C. elegansна ранней стадии развития, путем переваривания ее ферментами, и дальнейшемманипулировании клетками в культуре. Существование поляризующего сигнала отклетки P2 к клетке EMS выявлено как раз этим способом.22.2. Caenorhabditis elegans: развитие с точки зрения отдельной клетки 2025Рис. 22.21.
Пути передачи межклеточных сигналов, управляющие назначением клеткам различных характеров в четырехклеточном зародыше нематоды. Клетка P2 используетсигнальный путь Notch, чтобы послать индуктивный сигналклетке ABp, заставляя ее принять специализированный характер. У клетки ABa есть весь молекулярный аппарат, чтобыреагировать таким же образом на тот же сигнал, но она неделает этого, потому что находится вне контакта с клеткой P2.Тем временем сигнал Wnt от клетки P2 заставляет клеткуEMS ориентировать свое митотическое веретено деленияи произвести две дочерние клетки, которые направляютсяна разные пути дифференцировки в силу их разной подверженности действию белка Wnt, — клетку MS и клетку E(клетку-основательницу кишечника).С целью определения генов, вовлеченныхво взаимодействие клеток P2 и EMS, применялигенетический скрининг.
Проводили поиск мутантных линий червей, у которых не индуцировалосьни одной клетки кишечника (названных мутантами Mom, потому что они имели больше (more)мезодермы (mesoderm), так как при нарушениииндукции конечной целью дифференцировкиобеих дочерей клетки EMS является мезодерма). Клонирование и секвенированиегенов Mom показало, что один из них кодирует сигнальный белок Wnt, которыйэкспрессируется в клетке P2, тогда как другой кодирует белок Frizzled (рецепторбелка Wnt), который экспрессируется в клетке EMS. Второй генетический скринингпроводили для поиска мутантных линий червей с противоположным фенотипом,у которых индуцируются лишние клетки кишечника (названных мутантами Popпо причине нарушения развития задней глотки (posterior pharynx)).
Оказалось,что один из генов Pop (Pop1) кодирует регуляторный белок (гомолог LEF1/TCF),активность которого у C. elegans подавляется в ответ на сигнал Wnt. Когда активность белка Pop1 отсутствует, обе дочерние клетки EMS ведут себя, как если быони получили сигнал Wnt от клетки P2. Подобные генетические методы применялии для определения генов, продукты которых опосредствуют зависимый от белкаNotch сигнальный путь от клетки P2 к клетке ABa.Продвигаясь дальше по этому пути, можно выстроить детальную картинурешающих событий в ходе развития нематоды, а также генетически детерминированных механизмов, которые этими событиями управляют.22.2.6. Со временем способность клеток реагировать на связанныес развитием сигналы изменяетсяСложность организма взрослой нематоды достигается за счет повторного включения немногих формообразующих механизмов, в том числе тех, которые мы толькочто видели в действии на примере зародыша, делающего первые шаги в этой жизни.К примеру, клеточные деления с молекулярной асимметрией, зависящей от регулирующих гены белков Pop1, происходят на протяжении всего развития C. elegans,создавая передние и задние сестринские клетки с разными свойствами.2026Часть 5.
Клетки в контексте их совокупностиКак подчеркивалось ранее, хотя в разное время и в разных местах неоднократно действует один и тот же набор сигналов всего лишь нескольких типов,эффекты, которые они оказывают, отличаются между собой, потому что клеткизапрограммированы реагировать на эти сигналы по-разному, в зависимости отих возраста и предыстории. Так, например, мы видели, что на четырехклеточнойстадии развития зародыша одна клетка, ABp, изменяет свой потенциал развитияиз-за сигнала, полученного через путь Notch. На 12-клеточной же стадии развитияи внучки клетки ABp, и внучки клетки ABa получают еще один сигнал Notch, на сейраз от дочерней клетки EMS.
Внучка клетки ABa в ответ на этот сигнал изменяетсвое внутреннее состояние и начинает формировать глотку. Внучка же клетки ABpничего такого не делает — в результате действия предыдущего сигнала Notch онастала неотзывчивой к нему. Таким образом, в разное время своей истории и клеткилинии ABa, и клетки линии ABp реагируют на сигнал Notch, но исходы разнятся.Так или иначе, на 12-клеточной стадии сигнал Notch индуцирует образование глотки,но на 4-клеточной стадии тот же сигнал Notch оказывает уже другие воздействия,в числе которых и предотвращение индукции глотки сигналом Notch на более поздней стадии развития.
Данное явление, когда один и тот же сигнальный механизм наразных стадиях развития и в разных контекстах вызывает разные последействия, —наблюдается в развитии всех животных, и у всех них сигнальный механизм Notchиспользуется неоднократно и действует подобным же образом.22.2.7. Гетерохронные гены управляют временным режимомразвитияДля изменения клетке не обязательно нужен какой-либо внешний стимул: однагруппа регуляторных молекул внутри самой клетки может вызвать производстводругой группы, и клетка может таким образом проходить через ряд различныхсостояний за счет своих собственных внутренних механизмов.
Эти состояния отличаются не только по способности клетки к реагированию на внешние сигналы, нотакже и в других отношениях их внутренней химии, в том числе по наличию илиотсутствию белков, которые останавливают или запускают цикл деления клетки.Таким образом, внутренние механизмы клетки, наряду с полученными в прошломи получаемыми в настоящем сигналами, диктуют как последовательность биохимических изменений в клетке, так и хронологию ее делений.Определенные молекулярные детали механизмов, управляющих временнойпрограммой развития, все еще лежат под покровом тайны.
Например, удивительно мало известно (даже в отношении зародыша нематоды при всей его надежнопредсказуемой схеме клеточных делений) о том, каким образом управляется последовательность делений клеток. Однако для более поздних стадий развития, когдаличинка уже кормится, растет и линяет, чтобы поскорее стать взрослой особью,удалось определить хотя бы некоторые из генов, которые управляют контролемклеточных событий во времени. Мутации в этих генах порождают гетерохронныефенотипы: клетки в личинке на одной стадии ведут себя так, как если бы они принадлежали личинке на другой стадии, или же клетки во взрослом организме продолжают делиться, как если бы они все еще пребывали в личинке (рис. 22.22).При помощи серии процедур генетического анализа можно установить, чтопродукты гетерохронных генов действуют последовательно, формируя регуляторные каскады.
Любопытно, что два гена, начинающие свои каскады, названные Lin4и Let7, кодируют не белки, а микроРНК — короткие нетранслируемые молекулы22.2. Caenorhabditis elegans: развитие с точки зрения отдельной клетки 2027Рис. 22.22. Гетерохронные мутации в гене Lin14 у C. elegans. Здесь показаны воздействия только на однуиз многих затронутых линий. Мутация потери функции (рецессивная) в гене Lin14 вызывает преждевременное срабатывание схемы деления и дифференцировки клеток, характерной для поздней личинки, такчто животное достигает своего конечного состояния преждевременно и с неестественно малым числомклеток. Мутация приобретения новой функции (доминантная) имеет противоположный эффект — оназаставляет клетки вновь повторять схемы деления, характерные для первой личиночной стадии, в силучего личинка проходит целых пять или шесть циклов линьки и продолжает оставаться на стадии изготовления кутикулы незрелого типа.
Крестик обозначает запрограммированную смерть клетки. Зеленыелинии представляют клетки, содержащие белок Lin14 (который связывается с ДНК), красные линии — те,что его не содержат. В ходе нормального развития личинки к началу ее питания запускается изъятиебелка Lin14 из протеома. (Переработано на основе V. Ambros and H. R. Horvitz, Science 226: 409–416, 1984,с любезного разрешения издательства AAAS, и P. Arasu, B. Wightman and G. Ruvkun, Growth Dev. Aging 5:1825–1833, 1991, с любезного разрешения издательства Growth Publishing Co.)регуляторной РНК, длиной в 21 или 22 нуклеотида. Принцип их действия основанна том, что они связываются с комплементарными последовательностями в некодирующих областях молекул мРНК, транскрибируемых с других гетерохронныхгенов, и таким образом ингибируют их трансляцию и способствуют их деградации,как описано в главе 7.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
