Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем
Шрифт:
Существует и пока еще до конца не понятый механизм, который определяет позиции клеток, располагающихся вдоль основной оси тела, то есть от него зависит, где разовьются шея, ребра, конечности и нижняя часть спины. Этот механизм активирует специальный набор генов, известных как гены Хокса, которые также были открыты во время исследований на дрозофилах. У дрозофилы набор этих генов отображается вдоль ее тела в той последовательности, в которой они отражены в хромосоме. Это — единственный известный пример пространственной взаимосвязи между порядком генов в хромосоме и их расположением в эмбрионе. У нас имеется четыре набора, в которые входят до тринадцати таких генов, называемых гомеотическими, — расположенные на четырех различных хромосомах, что объясняется удвоением первоначального набора в ходе эволюции, они тесно связаны между собой.
Наборы гомеотических генов отображаются на различных позициях вдоль оси нашего тела, идущей от головы к копчику, и определяют развитие тканей в различных локальных секторах — например, то, где вырастут ребра или где разовьются зачатки будущих конечностей. Так, например, ген Хокса А1 отображается в той части тела, которая относится к голове, а ген Хокса А13 — в нижней части нашего позвоночника.
Спинной мозг — это хороший пример морфогенезиса (изменения формы), в основе которого лежат механические процессы, способные восхитить любого инженера. Ткань, из которой в будущем разовьется головной и спинной мозг, выделяется на весьма ранней стадии нашего развития и представляет собой узкую полоску. Формирование трубки, из которой затем разовьется спинной мозг, похоже на складывание листка бумаги. Первой ступенью является образование борозды вдоль срединной линии, в результате чего области ткани, располагающиеся по обеим сторонам от борозды, поднимаются вверх, двигаются в направлении срединной линии, встречаются и соединяются. В результате образуется трубка, состоящая из всего лишь одного слоя клеток и пустая внутри.
За все изменения формы отвечает программа, заложенная в клетках, образующих полоску. Формирование первоначальной борозды вызывается клетками, располагающимися на срединной линии. Они приобретают клинообразную форму — возможно, из-за сжатия клеток, находящихся под оболочкой трубки.
После соединения краев полоски и образования трубки трубка отделяется от окружающей ее ткани. Это становится возможным в результате изменения молекул, располагающихся на клеточных оболочках, которые ранее способствовали соединению и сцеплению клеток, а теперь не препятствуют их разъединению. Обретя самостоятельность, трубка превращается в сплошной стержень, но затем клетки в сердцевине стержня начинают отмирать, в результате чего он вновь превращается в трубку. О развитии спинного мозга мы поговорим далее — в контексте развития всей нервной системы.
Наше лицо в основном образуется группой клеток, принадлежащих к нервному гребешку. Первоначально они обладают способностью превращаться в различные типы клеток и, таким образом, являются мультипотентными клетками. Но позже, начав миграцию, они дифференцируются на клетки различных типов (мой большой нос также обязан своим происхождением нервному гребешку). Путь, проделываемый этими клетками в ходе миграции, определяется клетками, поверх которых они движутся, — движение зависит от выделений, испускаемых нижним слоем клеток. Эти выделения могут как увеличить, так и уменьшить сцепление между клетками и, следовательно, затруднить или ускорить их перемещение. Кроме того, на скорость и направление движения влияет выпячивание клеточной оболочки в нижнем слое.
По мере миграции способность клеток к мультипотенции уменьшается. Причина этого в сигналах, получаемых ими от слоя, над которым они движутся. Эти сигналы направляют их в совершенно определенные места, и то, в какой тип клеток они разовьются, зависит от места, в котором они в конце концов окажутся. Когда клетки прибывают в пункт назначения, они получают сигналы, благодаря которым начинается активация одних и подавление других генов, отвечающих за превращение этих клеток. Что же до числа сигналов, которыми обмениваются клетки, то оно очень велико, и все эти сигналы так или иначе связаны между собой — как правило, каждый следующий сигнал клетки модифицируется на основе информации, пришедшей с предыдущим сигналом. Все это вместе составляет весьма сложную, постоянно меняющуюся картину. Правда, надо иметь в виду, что изменения происходят в заданных рамках.
Наша сосудистая система — это первое, что развивается в эмбрионе. Сердце, вены, артерии и другие сосуды формируются из одних и тех же клеток. Эти клетки, соединяясь, образуют трубки, и один из концов каждой трубки становится центром роста, где клетки размножаются. Клетки, находящиеся на кончике сосуда, имеют длинные сокращающиеся отростки, которые вытягиваются вперед и направляют рост сосуда. При этом они чутко реагируют на сигналы от клеток той ткани, через которую сосуд прорастает.
Трубки, из которых образуются сосуды, уже на самой ранней стадии, еще до того, как они начинают расти, имеют характерные признаки либо артерий, либо вен, однако в процессе развития эти особенности могут исчезнуть. Во время развития сосудов у них появляются многочисленные отростки, на возникновение и направление движения которых опять-таки влияют сигналы, получаемые от локальных групп клеток. Поскольку функция сосудов заключается в том, чтобы доставлять кровь в различные части тела, сигналы им посылают именно те клетки, которые строят органы, нуждающиеся в притоке крови.
Процесс дифференциации, в результате которого образуется множество разных типов клеток, определяется изменениями в поведении генов и процессами синтеза различных белков. Транскрипция гена определяется белковыми транскрипционными факторами, которые связываются с контрольными зонами. В клетках человека существует около 3000 различных транскрипционных факторов, но не все они вовлечены в деятельность по контролю за развитием тканей — некоторые отвечают лишь за контроль над генами, которые необходимы для поддержания обычной жизнедеятельности клетки. При этом многие гены активируются любыми из множества транскрипционных факторов, однако есть и такие, для активации которых нужны совершенно определенные факторы.
Красные кровяные тельца не обладают ни ядром, ни митохондриями. Они наполнены белком гемоглобином, который окрашивает их в красный цвет. Именно гемоглобин, с одной стороны, захватывает кислород в наших легких и снабжает им клетки, а с другой — забирает из клеток двуокись углерода и переносит ее в легкие.
Наш гемоглобин состоит из белковой части — глобина и небелковой — железосодержащего гема, причем молекула гема встроена в каждую цепь глобина. Содержащийся в геме атом железа и связывает кислород. Каждая молекула гемоглобина содержит две цепи альфа-глобина и две бета-глобина, которые кодируются генами, находящимися на различных хромосомах. Цепи альфа-глобина и бета-глобина создаются на разных этапах развития эмбриона, поскольку они с разной степенью силы связывают кислород. Связано это с тем, что потребность в кислороде на разных этапах развития не одинакова.
7. Как мы воспроизводим себя
Как работает механизм мейоза
Яйцеклетки и сперматозоиды — это настоящие короли и королевы клеточного сообщества. Лишь их потомство остается жить тогда, когда все остальные миллиарды клеток погибают. По сути, единственная роль всех этих миллиардов клеток заключается в том, чтобы обеспечить встречу яйцеклетки и сперматозоида.
То, как эволюция пришла к воспроизводству на сексуальной основе, а не на самооплодотворении самой яйцеклетки, — весьма сложная история. Но почему так случилось — понятно. Сексуальный механизм воспроизводства обеспечивает, во-первых, возможность большего генетического разнообразия, а во-вторых, возможность избавления от нежелательных генов. Самый простой способ избавиться от никчемных генов — поступать так, как это делают самки многих позвоночных, которые отказывают самцам с какими-либо изъянами. В известном смысле так же поступают женщины, выбирая одного мужчину и отвергая другого.
Яйцеклетки — это единственные клетки животных, из которых способна развиться целая взрослая особь. Развитие человеческой яйцеклетки инициируется за счет оплодотворения ее сперматозоидом, в результате чего она получает второй набор генов. Схема развития и форма сперматозоида и яйцеклетки весьма различны, однако для оплодотворения нужны они оба, ибо самостоятельно яйцеклетка развиваться не будет. Вместе они передадут по наследству следующему поколению особенности человеческой внешности и строения тела — от цвета глаз до длины носа. Я, признаться, испытываю благоговение перед тем фактом, что мы происходим от одной крохотной яйцеклетки. В этой связи важно знать и понимать, где и как она развивается. Так как же появляются яйцеклетки и сперматозоиды?