Онтогенез. От клетки до человека
Шрифт:
Когда все хромосомы выстроились в линию, клетка может перейти к следующему этапу деления, на котором белки, связывавшие сестринские копии хромосомы, освобождают их, позволяя смещаться к противоположным сторонам клетки. Процесс не начнется до тех пор, пока все хромосомы не выстроены правильно, иначе дочерние клетки получат неправильное число хромосом и лишатся важных генов. Поэтому должна существовать система, предотвращающая преждевременное расхождение. В очередной раз используется способность белков, соединяющих копии хромосом, «ощущать» напряжение, возникающее, когда копии хромосомы крепятся к микротрубочкам из двух разных систем. Когда напряжение отсутствует, белковые комплексы продолжают генерировать сигнал, небольшую молекулу, которая может распространиться по клетке и блокировать переход к следующей стадии клеточного деления. Она как будто кричит «Не сейчас!» на языке биохимии. До тех пор пока все пары хромосомы не будут прикреплены к правильным микротрубочкам и не будут подвергаться растаскиванию, сигналы будут продолжаться и клетка будет ждать. Только тогда, когда натяжение всех белковых комплексов будет отрегулировано, сигналы смолкнут и можно будет начинать следующий этап деления. Опять же, эта система может приспособиться под любое количество хромосом.
Когда
19
Waters JC, Cole RW, Rieder CL. The force-producing mechanism for centrosome separation during spindle formation in vertebrates is intrinsic to each aster. J Cell Biol. 1993; 122:361–72.
В целом описанные выше системы могут показаться очень сложными и запутанными. Однако, если в их устройстве разбираться последовательно, компонент за компонентом, они оказываются очень простыми. У каждого белка своя простая задача. Способность системы выполнять сложные задачи, такие как обнаружение и разделение сестринских хромосом, независимо от их исходного положения в клетке, обеспечивается взаимодействием простых компонентов системы, а не их усложнением. В частности, она связана с тем, что существует обратная связь между поведением компонентов системы и получаемой ими информации о состоянии системы как целого, о том, на какой стадии того или иного процесса она находится в данный момент (например, о том, все ли хромосомы заняли нужное положение). Использование простых компонентов, увязанных в единое целое за счет системы тесных обратных связей, вообще характерно для живой материи, и в этой главе я углубился в детали именно затем, чтобы показать, как системы «глупых» биологических молекул могут организоваться для решения серьезных задач, иначе говоря, чтобы показать, как из простого возникает сложное.
Системы, которые запускали первое деление клетки, продолжают работать в клетках эмбриона, и теперь мы больше не будем обсуждать их в таких деталях. Это вообще типично для биологии: если механизм работает, его можно использовать многократно, иногда с незначительными поправками, в процессе всего эмбрионального развития. Почти сразу после того, как первое деление клетки завершено, каждая из двух образовавшихся клеток начинает копировать хромосомы и делиться. Получается эмбрион из четырех клеток. Синхронные клеточные деления продолжаются некоторое время, но рано или поздно синхронность деления разных клеток теряется, и со стадии примерно шестнадцати клеток число клеток эмбриона начинает отклоняться от значения «два в степени n». Как правило, клетки раннего эмбриона, получившиеся в ходе дробления, расположены довольно свободно относительно друг друга. Иногда, примерно один раз на тысячу двести случаев, клетки распадаются на два отдельных комка. Из каждого комка получится отдельный эмбрион, у которого будет собственная плацента и плодные оболочки. Это один из трех вариантов рождения однояйцевых близнецов, и на него приходится около трети всех случаев. Тот факт, что эмбрион может разделиться и дать начало двум младенцам, говорит нам об очень важной особенности развития: все клетки должны быть способны создать любую часть тела, и нет одной специальной клетки, которая отвечает, например, за создание головы или детерминирована как клетка головы. Если бы клетки с самого начала были разными, если бы одна или несколько клеток были детерминированы к формированию конкретной части тела или если бы одна клетка отвечала за весь процесс, то разделение эмбриона привело бы к тому, что по меньшей мере у одной из половинок не оказалось бы жизненно важных клеток и ее развитие было бы обречено на провал. Тем не менее тысячи живущих в каждой стране однояйцевых близнецов являются красноречивым свидетельством равных возможностей клеток на ранних этапах дробления.
Итак, эмбрион достигает стадии примерно шестнадцати клеток. Это значит, что у него уже достаточно клеток, чтобы изменять форму тела и чтобы начать клеточную дифференцировку, то есть сделать клетки разными. Прелюдия окончена, и начинается основная работа по эмбриональному развитию.
Глава 3
Как создаются различия
Искреннее расхождение во мнениях – хороший признак прогресса.
Суть раннего дробления можно выразить одной фразой: «умножение без изменения». Количество клеток растет в геометрической прогрессии, но каждая новая клетка идентична всем остальным. Действительно, во время первых нескольких делений клетки даже не пользуются собственными генами, а полагаются на запас молекул, помещенных материнским организмом в яйцеклетку и поровну распределяемых при делении между дочерними клетками. [20] Ранние этапы развития полностью посвящены делению. Это имеет смысл: чем больше клеток, тем легче будет в нужный момент создать с их помощью организм. Однако дробление может продолжаться только до определенного момента, так как образующиеся клетки имеют вдвое меньший объем, чем их предшественники. Через некоторое время размер клеток приблизится к минимальному, и им понадобятся паузы для роста между новыми этапами деления. Для роста же необходимы питательные вещества, а чтобы их получить, нужно приложить дополнительные усилия. Это, в свою очередь, означает, что какие-то из клеток должны специализироваться на доставке пищи другим. В эмбрионах многих птиц и рептилий питание осуществляется за счет запасенного в яйце желтка. В случае млекопитающих питательные вещества поступают непосредственно от матери, но общее правило остается неизменным: рано или поздно дробление прекращается и начинается специализация клеток.
20
Braude P, Bolton V, Moore S. Human gene expression first occurs between the four and eight-cell stages of preimplantation development. Nature. 1988; 332:459–61.
Специализация подразумевает, что клетки теряют идентичность. Теперь у разных типов клеток разные функции. На этом этапе эмбрион сталкивается с очень важной проблемой. Создание различий означает необходимость создания нового порядка и новой информации. Увеличение количества информации хорошо иллюстрируется таким примером: для описания асимметричного объекта нам требуется больше слов или, скажем, математических символов, чем для описания симметричного объекта. Так, описать форму кружки с ручкой сложнее, чем описать форму, скажем, стакана. У многих «низших» существ, например насекомых, необходимую информацию обеспечивает мать. Она закладывает пространственную информацию в яйцеклетку в виде градиентов концентрации определенных молекул. Таким образом, во время дробления разные клетки эмбриона наследуют разное количество этих молекул. Затем клетки используют эти различия для выбора пути развития. Этот негенетический метод передачи чрезвычайно важной информации из поколения в поколение очень эффективен, но, насколько мы знаем, у человеческих эмбрионов он не работает, и одна часть яйцеклетки идентична другой. [21] Создание отличительных особенностей – то есть новой информации – представляет собой серьезную логическую задачу для человеческого эмбриона. Как создать закономерность, которой раньше не было? У этой проблемы очень изящное решение: эмбрион получает информацию исходя из законов геометрии.
21
Van de Velde H, Caufman G, Tournaye H, Devroey P, Liebaers I. The four blastomeres of a 4-cell stage human embryo are able to develop individually into blastocysts with inner cell mass and trophectoderm. Hum Reprod 2008; 23:1742–7.
Пока эмбрион состоял из нескольких клеток, каждая из них занимала достаточно большую долю в общем объеме. Часть поверхности каждой клетки была обращена в окружающую среду. Когда в ходе дробления получается тридцать две или шестьдесят четыре клетки, уже достаточно мелкие по сравнению с размерами сферического зародыша, некоторые из них оказываются окружены со всех сторон другими клетками. Другие все еще имеют контакт с внешней средой – примерно одна шестая их мембраны обращена наружу. Клетки «чувствуют», окружены ли они другими клетками или какая-то их часть соприкасается только с жидкостью. Эту информацию они используют для того, чтобы определиться с дальнейшими действиями. Клетки, имеющие «свободную поверхность», активируют ряд ранее неактивных генов и образуют первую ткань эмбриона – трофэктодерму. Клетки, окруженные другими клетками, эти гены не активируют. Использование в качестве источника информации простого физического признака – наличия свободной поверхности – избавляет эмбрион от необходимости иметь заранее подготовленный пространственный план. Кроме того, клеткам не нужно «знать» свое точное расположение в эмбрионе. Им нужно только определить, есть у них свободные участки поверхности или нет.
Задача трофоэктодермы заключается только в создании структур для структурной поддержки и питания эмбриона. Частью ребенка она никогда не станет. [22] В первую очередь трофэктодерма перекачивает в эмбрион жидкость. Эта жидкость накапливается, что приводит к образованию обширной полости (рис. 6). Формирование этой полости, в свою очередь, приводит к тому, что внутренние клетки группируются на внутренней поверхности трофэктодермы в виде эксцентрично расположенного комка, который называется «внутренняя клеточная масса». Если судить только по внешнему виду, эти клетки кажутся менее интересными, чем активные клетки трофэктодермы, постоянно занятые питанием, накачкой жидкости, внедрением в материнский организм. Однако именно из внутренней клеточной массы и формируется ребенок. Иногда эта масса делится на два комочка, каждый из которых развивается, формируя в итоге человеческий организм. Такие близнецы, как и те, о которых рассказывалось в главе 2, будут генетически идентичны, но на этот раз они будут расти в одной общей трофэктодерме. В то же время у каждого из близнецов будет свой желточный мешок и амниотическая полость (см. далее). Таким образом, они надежно изолированы друг от друга. Это самый распространенный механизм появления однояйцевых близнецов, на его долю приходится две трети всех случаев. (Третий, крайне редкий вариант появления близнецов будет описан несколько позже.)
22
Sasaki H. Mechanisms of trophectoderm fate specification in preimplantation mouse development. Dev Growth Difer. 2010; 52:263–73.
К тому времени, когда клетки трофэктодермы закачают внутрь эмбриона объем жидкости, достаточный для создания полости, и создают вздувшуюся структуру, эмбрион должен покинуть фаллопиеву трубу матери, где произошло оплодотворение, и переместиться в матку. Этот орган в норме как бы немного «сдут»: его стенки слипаются, как снятая с руки резиновая перчатка. Особенно «сдувшейся» матка выглядит через неделю после овуляции. Поэтому весьма вероятно, что ранний эмбрион, попав в матку, вскоре столкнется с ее внутренней поверхностью. Когда это произойдет, он закрепляется на ней, используя специальный набор адгезивных молекул. После прикрепления клетки эмбриона образуют новые белки, которые позволяют им внедриться между клетками стенки матки. [23] В течение нескольких часов «пальчики» клеток эмбриона проникнут в ткани матери, и образуется плацента. Многие клетки матки при этом разрушаются, а их остатки становятся пищей для эмбриона. Реакция матери на эту атаку приводит к дальнейшему отмиранию ткани. Таким образом, через десять дней после оплодотворения формируется полость, в которой легко умещается эмбрион. У людей и некоторых животных внутренняя выстилка матки обрастает эмбрион, скрывая место имплантации.
23
Cohen M, Meisser A, Bischof P. Metalloproteinases and human placental invasiveness. Placenta. 2006; 27:783–93.