Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 423
Текст из файла (страница 423)
Асимметричные деления часто происходят в начале развития, когда оплодотво ренная яйцеклетка делится на дочерние клетки с различными путями дифференци ровки, но встречаются также н на некоторых (юлее поздних стадиях -- например, в ходе образования нервных клеток. 22,1Л О. Положительная обратная связь способна вызвать асимметрикк там, где ее раньцге не бь~ло Отправление индукционных сигназов и асимметричное деление клеток пред ставляют собой две разные стратегии создания различий между клетками.
Однако обе они предполагают наличие в системе некоторой предварительной асимметрии: источник индукционного сигнала должен быть распределен таким образом, чтобы / ввьеввзФФвг(ввььв на разные пути развития, изменяя их признаки. Этот процесс называют индукционным взаимодействием. Вообгце, сигнал ограни чсн во времени и пространстве, так что только малая группа ком пстентньгх клеток, самых близких к источнику сигнала, приобретает такой индуцированный признак (рис. 22.(0). Одни индукционные ситца лы относят к сигналам «ближнего действия», особенно передающиеся через межклеточные контакты; другие классифицируют как сигналы «дальнего действия», 201 0: .
ЧаСть 5. КЛатКИУ В КчбатаКСта ИКСаВОКуПНОСтт»; ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ: асимметрия самовозрастает ®О О® ДВА СТАБИЛЬНЫХ СОСТОЯНИЯ: альтернативные исходы по принципу «все ипи ничегоз представляют устойчивую память Рис. 22Д2. Появление асимметрии за счет положительной обратной связи. В этом примере две клетки взаимодействуют между собой: каждая из них производит вещество Х, которое воздействует на другую клетку и подавляет производство ею вещества Х, то есть осуществляет так называемое латеральное ингибированне.
Увеличение содержания вещества Х в одной из клеток ведет к установлению положительной обратной связи, которая стремится еще больше увеличить содержание вещества Х в этой клетке и уменьшить его содержание в соседней. Это может породить быстро нарастающую неустойчивость и сделать эти две клетки совершенно разными. В конечном счете система останавливается в том или ином из двух противоположных устойчивых состояний. Последнее выбранное состояние представляет собой некую форму памяти: слабое влияние, которое первоначально обусловило его выбор, более не требуется для его поддержания.
колебаний, или «шум໠— неизбежного регуляции генов в клетках, о чем гово рилось в главе 7. В любом случае, латеральное ингибирование означает, что если клетка 1ч1т! производит немного больше продукта Х, то она тем самым вынуждает клетку 1че 2 вырабатывать его меньше; а потому, что кчетка 1че 2 делает меньше про дукта Х, она посылает меньше тормозящего сигнала клетке Хе 1 и таким обраюм позволяет клетке 1че! еще больше повышать количество продукта Х, и так далее, пока не будет достигнуто устойчивое состояние, в котором клетка 1ч! 1 содержит много продукта Х, а клетка М*2 содержит его очень мало. Математический анализ показывает, что зто явление зависит от силы воздей ствия латерального ингибирования: если оно будет слишком слабым, то колебания угаснут и не будут оказывать никакого длительного воздействия; но если оно будет довольно сильным и достаточно резким, то они будут самоусиливаться безудержным образом, нарушая начальную симметрию между этими двумя клетками.
Латеральное ингибирование, часто опосредствуемое обменом сигналами в местах межклеточных 22.1. Универсальные механизмы развития животных 2011 контактов через путь передачи сигналов Ыо(сй (обсуждавшийся нами в главе 15), является обычным механизмом увеличения многообразия клеток в тканях животных, побуждающим соседние клетки специализироваться разным образом. 22.1.11. Положительная обратная связь создает структуры организма, обеспечивает ответ «все или ничего» и клеточную память До некоторой степени подобные процессы положительной обратной связи могут работать и в более крупных группах клеток, порождая пространственные структуры многих типов. Например, вещество А (активатор ближнего действия) может стимулировать свое собственное производство в клетках, которые его содержат, и в их ближайших соседях, наряду с этим заставляя их производить сигнал Н (ингибитор дальнего действия), который распространяется на значительное расстояние и тормозит производство активатора А в далеко отстоящих клетках.
Если все клетки начинают свой путь на одинаковой основе, но одна группа клеток получает небольшое преимущество и производит немного больше вещества А, чем остальные, то такая асимметрия может самоусиливаться. Активация ближнего действия, сочетающаяся описанным образом с ингибированием дальнего порядка, может служить объяснением формирования в пределах изначально однородной ткани групп клеток, которые специализируются в сосредоточенные сигнальные центры, На другом конце размерного диапазона положительная обратная связь также может быть средством, с помощью которого отдельная клетка становится самопроизвольно поляризованной и внутренне асимметричной за счет систем внутриклеточпых сигналов, которые делают слабую начальную асимметрию самоусиливающейся.
Через все эти и многие другие разновидности положительной обратной связи просматриваются некоторые общие принципы. В каждом из вышеупомянутых примеров положительная обратная связь ведет к нарушенной симметрии, и нарушение симметрии представляет собой явление типа «все или ничегою Если обратная связь ниже некоторой пороговой силы, то клетки остаются почти одинаковыми, если же обратная связь выше этого порога, то они становятся резко отличающимися.
Выше этого порога система бистабильна или даже мультистабильна — она смещается к тому или иному из двух и более резко отличающихся исходов, в зависимости от того, которая из клеток (или который из концов одной клетки) получает первоначалыюе преимущество. Выбор между альтернативными исходами может быть продиктован внешним сигналом, который дает одной из клеток маленькое начальное преимущество. Но как только положительная обратная связь сделает свою работу, этот внешний сигнал становится несущественным. Если установлена нарушенная симметрия, то она очень трудно поддается изменению в обратную сторону: положительная обратная связь делает выбранное асимметричное состояние самоподдерживающимся, даже после того как сигнал смещения исчезает.
Таким образом, положительная обратная связь обеспечивает систему памятью о предыдущих сигналах. В развивающихся организмах все эти действия положительной обратной связи — нарушение симметрии, ответы типа «все или ничего», взаимоисключающие состояния и память — идут рука об руку и проявляются вновь и вновь много раз. Они основополагающи для создания четко очерченных, устойчивых структурированных групп клеток, пребывающих во множестве различных состояний. 2012 '-: с(1гсть б, Кггетка(вконтейсгвснх срвггкупиастя 22.1.12.
Программами развития управляет небольшой набор многократно используемых сигнальных путей Что же это за молекулы, которые служат сигналами, координирующими формирование пространственных структур в зародьппе, или создают асимметрию с(е попо, или выступают в роли индукторов, выделяемых установившимися сигнальными цен трами и управляющих ростом мнопюбразия соседних клеток В принципе, это может быть внеклеточн и молекула любого рода. На практике, большинство известных событий индукции в ходе развития животного управляется лишь горсткой сигнальных белков из сильно консервативных семейств, которые используются снова и снова в различных контекстах. Открытие такого ограниченного словаря, используемого клетками для общения в ходе развития организма, явилось за последние 10 или 20 лет одним из великих открытий, упрощаюших биолоппо развития.
В таблице 22.1 мы вкратце описываем шесть главных семейств сигнальных белков, которые многократно служат индукторами в ходе развития животного. Детали внутриклеточных механизмов, через которые эти молекулы действуют, изложены в главе 15. зиикииаан '(гТФ' ' ' Гбс(йгапСйеза1 ' ' МГ(Вгеат(т(есс1 ногсй' ' .'- ' 0ейв' - ' " ноге(т Агугс с(тогсИп'(бо91, п(щ9(п (хс(с(горФ Сегьргцв Конечный результат большинства событий индукции — изменение транскрипции ДНК в отвечающей на сипгал клетке: одни гены включаются, а другие выключаются. Разные сигнальные молекулы активируют разные виды регулирующих гены белков. Более того, эффект активации данного регуляторного белка будет зависеть от того, какие другие регуляторные белки также присутствуют в клетке, так как они, вообще-то, работают сообща. В результате клетки разного тина, как правило, по разному отвечают на один и тот же сигнал, а одни и те же клетки зачастую поразному реагируют на один и тот же сигнал, посылаемый в разное время.
Реакция будет зависеть как от других регуляторных белков, которые присутствовали до по. лучения сигнала, — что отражает память клетки о сигналах, полученных ранее,— так и от других сигггалов, получаемых клеткой наряду с этим сигналом. 22.1 13. Морфогеньг — индукторы дальнего действия, которые обеспечивают градуальный эффект Сигнальные молекулы, как это часто оказывается, управляют простым выбором типа «да — нетгс один ответ, когда их концентрация высока, другой, когда она низка.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
