Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем
Шрифт:
Точно так же выстраиваются в необходимом порядке и клетки эмбриона. Клетки получают соответствующую информацию и, согласно ей, занимают позицию в ряду других клеток, ориентируясь на границы этого ряда. После обретения клетками своих мест в них включаются генетические программы: клетки из левой трети становятся синими, из центральной трети — белыми, а из правой трети — красными. Смысл этого механизма в том, что на основе использования одного и того же позиционного значения могут развиться различные формы клеток — это происходит благодаря тому, что, в соответствии с заложенной в них генетической программой, клетки способны интерпретировать свое позиционное значение различным образом. Этот же механизм с успехом действует и в двухмерной системе координат, в которой интерпретирование позиционного значения происходит по двум осям. Далее мы рассмотрим подобные примеры.
Как клетки определяют свою позицию по отношению к начальной и конечной границам группы клеток, к которой они принадлежат? Это непростая проблема. Поскольку все схемы последующего развития клеток изначально формируются внутри небольших клеточных групп, протяженность линии клеток по прямой в любом направлении составляет меньше тридцати клеток. Это заставило Френсиса Крика предположить, что клетки определяют свою позицию благодаря считыванию информации о концентрации того или иного химического соединения. Однако как бы привлекательно ни выглядела эта теория, в настоящее время считается, что распространение сигнала в виде определенной концентрации химического вещества слишком ненадежный способ для получения столь важной информации. Ученые продолжают спорить о том, каким именно образом клетки обретают свои позиционные значения. Возможно, это происходит за счет непосредственного обмена сигналами между клетками в местах их соединения друг с другом.
Как бы то ни было, исследования регенерации тканей дают убедительные доказательства того, что клетки действительно обладают позиционными значениями. Несколько видов лягушек способны регенерировать свои конечности, что требует, чтобы клетки обладали позиционными значениями относительно утраченной конечности, то есть чтобы процесс регенерации начинался с того места, в котором конечность подверглась ампутации, и далее по направлению к кончикам утраченных пальцев.
Ученые выявили специфический белок на оболочках клеток конечности лягушки, концентрация которого уменьшается от плеча к конечностям лягушки. И при этом установили, что возможно изменить позиционные значения клеток, обрабатывая регенерируемую конечность ретиноевой кислотой, которая приводит к появлению у клеток в районе пальцев более высокой концентрации этого белка и уподобляет их клеткам в районе плеча. Если ампутировать лягушке кисть, то при обычных условиях у нее будет регенерирована именно кисть. Но если в процессе регенерации ввести в ткани ретиноевую кислоту, то регенерируемые клетки решат, что они являются клетками плечевой области, и тогда на месте отрезанной кисти вырастет целая лапка.
Другой пример того, что клетки обладают позиционными значениями, дало изучение тканей дрозофилы. В ходе экспериментов ученые установили, что позиционные значения клеток ног и усиков дрозофилы одинаковы, но по-разному интерпретируются из-за воздействия особых контролирующих генов. И ноги, и усики дрозофилы являются довольно длинными образованиями, но при этом ноги вырастают из тела мушки, а усики — из ее головы и весьма сильно отличаются друг от друга по форме. Однако мутация одного-единственного гена может привести к тому, что у дрозофилы вместо усика вырастет нога.
Ученым еще предстоит понять, как действуют контрольные гены, которые следят за интерпретацией клетками своих позиционных значений. Но как бы то ни было, поразительно, что один-единственный ген может иметь столь мощное значение для формирования эмбриона.
Важность контрольных зон генов в деле образования структур тела подтверждается другим примером, почерпнутым из изучения особенностей развития дрозофилы. На ранней стадии развития некоторые гены проявляются в спинной области мушки семью полосками — их можно увидеть, если промаркировать белок, который они кодируют. Изначально исследователи думали, что эти полоски наделяет особыми свойствами и точно устанавливает их очертания и границы лежащая под ними волнообразная структура — что полоски развиваются в районе гребней каждой из волн. Но на самом деле механизм установления очертания и границ полосок основан на других принципах, в число которых, однако, не входит принцип позиционной информации. Дело в том, что каждая полоска отличается от всех остальных. Это происходит из-за того, что имеется семь различных контрольных зон, в результате чего образуется семь разных полосок. Каждая из контрольных зон активируется разными белками, которые играют роль транскрипционных факторов, присутствующих в области каждой полоски.
Формирование структур тела во время развития эмбриона хорошо наблюдать на примере образования конечностей. Особенно полезными в этом плане оказались исследования эмбриона цыпленка, поскольку за развитием его конечностей очень легко вести наблюдение — для этого достаточно вскрыть скорлупу яйца и увидеть эмбрион во всех деталях.
Конечности начинают расти, когда само тело уже достаточно хорошо сформировано. Их зачаток на раннем этапе развития похож на сплюснутый воздушный шарик. При этом одни клетки создают его «оболочку», внутри которой делятся другие клетки; это деление и ведет к росту «шара». Впоследствии внутренние клетки образуют зародышевые элементы костной системы — предтечи костей. На верхушке оболочки «шара» находится утолщенный гребень; он и придает лапке цыпленка ее окончательную форму.
То же самое происходит с конечностями человека. На краю зоны развития в том месте, где будет сформирован мизинец, находится особая сигнальная зона, в которой образуется белок «Акустический еж». Он передает информацию по линии, которая пролегает от большого пальца к мизинцу. Концентрация «Акустического ежа» наивысшая в районе формирования мизинца, она снижается ближе к зоне, где образуется большой палец. Ученые полагают, что степень концентрации «Акустического ежа» определяет позицию клеток, а значит, и то, какой именно палец здесь сформируется.
Присвоим трем пальцам цифры 4, 3, 2 по направлению от мизинца к большому пальцу. Они обычно располагаются согласно формуле «4-3-2», и палец «4» характеризуется высоким содержанием «Акустического ежа», а палец «2» — низким. Если взять у одного эмбриона участок тканей с присутствием «Акустического ежа» и пересадить в область зачатка конечностей другого эмбриона, где должен будет вырасти большой палец, то конечность расширится и на ней появится шесть пальцев по формуле «4-3-2-2-3-4».
«Акустический еж» помогает контролировать развитие пальцев как на руках, так и на ногах. Ответная реакция на него клеток, располагающихся на руках и на ногах, не одинакова — дело в том, что на верхних и нижних конечностях активируются разные гены. Иногда — к счастью, довольно редко — дети рождаются с лишними пальцами; это происходит из-за того, что в районе формирования большого пальца образуется дополнительная сигнальная область с «Акустическим ежом».
В развитии конечностей большую роль играет программируемая смерть клеток — апоптоз, которая заставляет умирать те клетки, которые располагаются между пальцами. Если бы этого не происходило, на руках были бы перепонки и они походили бы на утиные лапки. Апоптоз является частью механизма образования структур тела; он контролируется генами.
По мнению ряда ученых, позиции клеток на основной оси руки, от плеча до кисти, определяются временем, которое клетки проводят в зоне развития. Те клетки, которые находятся в зоне развития дольше всего, становятся пальцами. Те же клетки, которые покидают ее раньше других, образуют кости — лучевые и локтевые. Такая модель, в которой за позиции клеток отвечает механизм, регулирующий время, объясняет эффект препарата талидомида — его прием беременными женщинами приводил к деформациям конечностей у новорожденных младенцев. Талидомид, вероятно, убивает клетки в зоне развития и ломает график их распределения вдоль оси конечности. Это приводит к тому, что из всех тканей руки развиваются только ткани в районе кисти. Есть данные, что талидомид блокирует развитие кровеносных сосудов, и это вызывает незапланированный природой апоптоз в зоне развития, из-за чего дети рождаются с кистью, которая начинается прямо от плеча.
Все клетки мускулов в наших конечностях мигрируют туда из сомитов, о которых мы уже упоминали. В отличие от клеток конечностей, клеткам, которым предстоит развиться в клетки мускулов, не присвоено на ранней стадии никаких позиционных значений; они совершенно одинаковы — в этом смысле между ними царит подлинная демократия. Когда будущие мускульные клетки проникают в ткань конечностей, клетки конечностей, обладающие позиционными значениями, направляют их в нужные места, где эти клетки превращаются в мускульные и прикрепляются к костям и сухожилиям. Они и на этой стадии развития ведут себя абсолютно демократично, без каких-либо претензий, и готовы соединиться с любой костью и сухожилием, с какими войдут в непосредственный контакт. Это показали многочисленные эксперименты на эмбрионах цыплят.