WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 12 |

«1 2 3 Б. Албертс Д. Брей Дж. Льюис М. Рэфф К. Робертс Дж. Уотсон МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ 2-Е ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ В 3 томах 3 Перевод с английского канд. ...»

-- [ Страница 2 ] --

того, имеются убедительные свидетельства того, что именно повышение рН после оплодотворения индуцирует в оплодотворенных яйцах морского ежа позднюю биосинтетическую активность. Во-первых, если повысить рН в неоплодотворенных яйцах, инкубируя их в среде, содержащей аммиак (рис. 15-48), то процессы синтеза белков и репликации ДНК заметно усиливаются даже без повышения внутриклеточной концентрации свободных ионов Са2 +. Во-вторых, если сразу после оплодотворения поместить яйца в морскую воду, не содержащую ионов Са2+ (так что не будет градиента Na+ для откачивания ионов Н+ ), внутриклеточный уровень рН не повышается и поздние события, связанные с активацией яйца, не наступают.

Такие яйца еще можно спасти, добавив к среде аммиак: тогда рН в клетке возрастает и даже при отсутствии внеклеточного Na+ индуцируется синтез белков и ДНК.

Для заметного усиления белкового синтеза в оплодотворенных яйцах не нужен синтез новой РНК, поскольку этот феномен имеет место и в присутствии антибиотика актиномицина D, ингибирующего синтез РНК. Полагают, что в обычных условиях синтез белков усиливается в результате по меньшей мере двух независимых изменений: 1) ранее запасенные в яйце молекулы мРНК становятся доступными для синтеза белков;

2) происходит активация рибосом, что позволяет им быстрее транслировать мРНК. В отличие от этого ускорение белкового синтеза в неоплодотворенных яйцах, обработанных аммиаком, является следствием одной лишь усиленной мобилизации существующих молекул мРНК.

Если мобилизация мРНК- по всей вероятности, результат повышения внутриклеточного рН, то движение рибосом вдоль цепей мРНК, по-видимому, ускоряется под влиянием какого-то другого фактора. Детали механизмов, лежащих в основе двух указанных типов активации, пока неясны.

Оплодотворение представляет собой в высшей степени уникальный феномен, однако в нем участвуют те же механизмы передачи клеточных сигналов, которые контролируют внутриклеточные процессы в сомати- Таблица 15-1. Последовательность событий после оплодотворения яиц морского ежа Событие Время после оплодотворения Внутриклеточное промежуточное звено 1. Деполяризация плазматической мембраны <5с Индуцированное спермием повышение проницаемости плазматической мембраны для ионов Na+ (и до некоторой степени для Са2 + ) 2. Гидролиз фосфатидилинозитол-бисфосфата < 10 с Активация фосфолипазы С 3. Повышение внутриклеточной концентрации 10-40 с Индуцированное InsP3 высвобождение связанных ионов свободных ионов Са2 + Са2 + из внутриклеточных хранилищ 4. Экзоцитоз кортикальных гранул 10-50 с Повышение внутриклеточной концентрации Са2+ 5. Повышение внутриклеточного значения рН 60 с Активация Na+ - Н + -ионообменника протеинкиназой С 6. Усиление синтеза белков 8 мин Повышение внутриклеточного рН 7. Слияние ядер спермия и яйца 30 мин 8. Начало репликации ДНК 30-45 мин Повышение внутриклеточного рН ческих клетках (см. гл. 12). Последовательность некоторых событий активации яиц морского ежа после оплодотворения приведена в табл. 15-1.

15.4.8. В слиянии пронуклеусов спермиев и яиц морского ежа участвуют центриоли, вносимые спермием [26] Оплодотворенную яйцеклетку называют зиготой. У большинства видов, включая морских ежей, оплодотворение завершается лишь после того, как сольются гаплоидные ядра (называемые пронуклеусами) двух гамет. Поскольку размеры яйцеклетки велики, пронуклеусам яйца и спермия приходится преодолевать значительные расстояния, прежде чем они сольются друг с другом. В связи с этим не вызывает удивления тот факт, что такое передвижение определяется структурой цитоскелета.

Спермий морского ежа вносит в зиготу не только свою ДНК - он отдает еще и две центриоли. Центриолям спермия в процессе оплодотворения принадлежит исключительно важная роль, так как яйцеклетка утрачивает свои центриоли при последнем делении мейоза.

Центриоли спермия становятся центром, от которого расходятся лучи микротрубочек (такая структура называется сперматической звездой), по видимому, направляющих пронуклеус самца к пронуклеусу самки: если с помощью колхицина вызвать деполимеризацию микротрубочек, движение пронуклеусов прекращается. Когда два сблизившихся пронуклеуса приходят в соприкосновение, их мембраны сливаются и формируется диплоидное ядро зиготы. Две центриоли спермия вместе со сперматическими звездами делятся, образуя два полюса митотического веретена для первого деления дробления.

15.4.9. Яйцеклетки млекопитающих могут быть оплодотворены in vitro [27] Изучать яйцеклетки млекопитающих неизмеримо труднее, чем яйца морских ежей. В распоряжении исследователя имеются миллионы яиц морского ежа, тогда как при работе с яйцеклетками млекопитающих ему приходится довольствоваться лишь десятками или сотнями их. Тем не менее сейчас есть возможность оплодотворять эти яйцеклетки in vitro. (Хотя мы будем по-прежнему пользоваться термином «яйцеклетка», следует помнить, что в отношении млекопитающих речь идет об оплодотворенном ооците второго порядка - см. разд. 15.3.7.) Этот путь приносит реальную пользу: оплодотворенные яйцеклетки млекопитающих, пересаженные в матку, могут развиться в нормальных особей;

благодаря такой методике многие бесплодные женщины получили возможность рожать нормальных детей. Оплодотворение яйцеклеток млекопитающих in vitro позволяет также изучать некоторые его механизмы.

Такие исследования показали, что хотя в общих чертах последовательности событий при оплодотворении млекопитающих и морских ежей сходны, отдельные этапы процессов могут существенно отличаться.

Некоторые различия касаются спермиев. Сперматозоиды млекопитающих не способны оплодотворить яйцеклетку, пока они не подвергнутся процессу, называемому капацитацией, который индуцируется выделениями женского полового тракта. Механизм капацитации не ясен;

возможно, она связана с изменениями в липидном и гликопротеиновом составах плазматической мембраны спермия, а также с повышением уровня его метаболизма и увеличением подвижности. Капацитированный спермий мыши проникает через толстый слой фолликулярных клеток и специфически связывается одним из главных гликопротеинов Рис. 15-49. Ход акросомальной реакции при оплодотворении яйцеклетки млекопитающего. Полагают, что у мышей и за связывание спермия, и за индукцию акросомальной реакции ответствен один и тот же гликопротеин zona pellucida. Обратите внимание на то, что спермий млекопитающего подходит к плазматической мембране яйцеклетке по касательной, так что слияние мембран происходит не на верхушке головки сперматозоида, а на ее боковой поверхности. У мышей диаметр zona pellucida состовляет 7 мкм, и спермий проходит это расстояние со скоростью примерно 1 мкм/мин.

zona pellucida - защитной оболочки, равноценной вителлиновому слою морского ежа (см. разд. 15.3.2). По крайней мере у нескольких видов один и тот же гликопротеин яйцеклетки, по-видимому, инициирует у спермия акросомальную реакцию. Например, у мыши zona pellucida состоит лишь из гликопротеинов, которые синтезируются растущими ооцитами и образуют самоорганизующуюся трехмерную структуру из связанных между собой волокон (см. рис. 15-23). Один из этих гликопротеинов, называемый ZP3, отвечает за связывание со спермием и за инициацию акросомальной реакции. Полагают, что при связывании с zona pellucida сперматозоид распознает специфическую углеводородную последовательность гликопротеина ZP3. Молекулы, участвующие в процессе распознавания, локализованы в плазматической мембране спермия, тогда как у морских ежей они располагаются в мембране акросомы. Zona pellucida, как и вителлиновый слой яиц морского ежа, служит барьером для межвидового оплодотворения;

устранение ее часто приводит к исчезновению такого барьера. Например, яйцеклетки хомячка, у которых с помощью специфических ферментов удалена zona pellucida, могут быть оплодотворены сперматозоидами человека. Не удивительно, что такие гибриды («humsters») не развиваются.

При акросомальной реакции спермин млекопитающих высвобождают протеазы и гиалуронидазу, которые играют важную роль в проникновении спермия через zona pellucida. Однако здесь не формируется акросомальный отросток, сходный с тем, который образуется у морского ежа;

у спермиев большинства млекопитающих с яйцеклеткой раньше всего сливается экваториальная (расположенная за акросомой) область плазматической мембраны, а не мембрана акросомы (рис. 15-49). Лишь относительно небольшое число спермиев млекопитающих обычно оказывается в состоянии добраться до претерпевшей овуляцию яйцеклетки (менее 200 из 3 • 108 сперматозоидов человека, выделяющихся при коитусе, достигают места оплодотворения), поэтому необходимость в быстрой блокаде полиспермии несущественна: у млекопитающих не происходит быстрой деполяризации плазматической мембраны, сопровождающей оплодотворение и предотвращающей полиспермию у морских ежей и амфибий. С другой стороны, ферменты, высвобождающиеся при кортикальной реакции яйцеклеток млекопитающих, изменяют структуру яйцевой оболочки, обеспечивая медленную блокаду полиспермии. Например, в мышиных яйцеклетках фермент так видоизменяет гликопротеин ZP3, что он перестает связывать спермии или индуцировать у них акросомальную реакцию. В яйцеклетках некоторых млекопитающих в результате кортикальной реакции перестраивается не zona pellucida, а плазматическая мембрана, вследствие чего предотвращается слияние с яйцеклеткой дополнительных спермиев.

Другой характерной особенностью оплодотворения у млекопитающих является то, что центриоли присутствуют в яйцеклетках, а в спермиях их нет. Кроме того, в оплодотворенных яйцеклетках млекопитающих не происходит непосредственного слияния двух пронуклеусов: они сближаются, однако их хромосомы не соединяются до тех пор, пока мембрана каждого из пронуклеусов не будет разрушена при подготовке к первому делению дробления. Большая часть других ранних событий при оплодотворении яиц морского ежа, приведенных в табл. 15-1 (таких, как + активация с помощью фосфатидилинозитол-бисфосфата и повышение концентрации ионов Са2 в цитозоле), осуществляется и в яйцеклетках млекопитающих. Следующие за этим изменения представляют собой часть процесса эмбриогенеза, в ходе которого зигота развивается в новый организм. Эмбриогенез, возможно, представляет собой самое поразительное явление во всей биологии;

этот процесс - предмет следующей главы.

Заключение Оплодотворение начинается с того момента, когда головка спермия приходит в соприкосновение с защитной оболочкой, окружающей яйцеклетку. Такой контакт индуцирует у спермия акросомальную реакцию, содержимое акросомы высвобождается, и некоторые из выделившихся белков облегчают прохождение спермия через плазматическую мембрану яйцеклетки, что делает возможным слияние с ней плазматической мембраны спермия. В результате оплодотворения благодаря гидролизу фосфатидилинозитол-бисфосфата, содержащегося в плазматической мембране яйцеклетки, инициируются бурные изменения в самой яйцеклетке. При активации яйцеклетки ее поверхность изменяется так, что становится невозможным слияние с ней дополнительных спермиев;

один вид блокады полиспермии является следствием кортикальной реакции, при которой содержимое кортикальных гранул высвобождается, перестраивая яйцевую оболочку. Кроме того, внутри яйцеклетки также происходят определенные изменения, в результате чего после соединения пронуклеусов двух гамет, зигота становится способной к развертыванию программы развития.

Литература Общая Austin С. R., Short R. V., eds. Reproduction in Mammals: I. Germ Cells and Fertilization, 2nd ed., Cambridge, U.K., Cambridge University Press, 1982.

Browder L., Developmental Biology, 2nd ed., Chapters 5, 6 and 8, Philadelphia, Saunders, 1980.

Epel D. The program of fertilization, Sci. Am., 237 (11), 128-138, 1977.

Karp G., Berrill N. J. Development, 2nd ed., Chapters 4 and 5, New York, McGraw-Hill, 1981. Longo F.J. Fertilization, London, Chapman & Hall, 1987.

Цитированная 1. Crow J. F. The importance of recombination. In: The Evolution of Sex: An Examination of Current Ideas (R. E. Michod, B. R. Levin, eds.), pp.

56-73, Sunderland, MA, Sinauer, 1988.

Maynard Smith J. Evolution of Sex, Cambridge, U. K., Cambridge University Press, 1978.

Williams G.C. Sex and Evolution, Princeton, NJ: Princeton University Press, 1975.

2. Ayala F., Kiger J. Modern Genetics, 2nd ed., Menlo Park, CA: Benjamin-Cummings, 1984. Ferris S. D., Whitt G. S. Loss of duplicate gene expression after polyploidization, Nature, 265, 258-260, 1977.

Fincham J.R.S. Genetics, Boston: Jones and Bartlett, 1983.

3. Lewis J., Wolpert L. Diploidy, evolution and sex, J. Theor. Biol., 78, 425-438, 1979.

Spofford J.B. Heterosis and the evolution of duplications. Am. Nat., 103, 407-432, 1969.

4. Evans C. W., Dickinson H. G., eds. Controlling Events in Meiosis, Symp. Soc. Exp. Biol., Vol. 38, Cambridge, U.K., The Company of Biologists, 1984.

Whitehouse H. L. Towards an Understanding of the Mechanism of Heredity, 3rd ed., London, St. Martins, 1973.

Wolfe S. L Biology of the Cell, 2nd ed., pp. 432-470. Belmont, CA: Wadsworth, 1981.

5. John В., Lewis K. R. The Meiotic Mechanism. Oxford Biology Readers (J. J. Head, ed.), Oxford, Eng., Oxford University Press, 1976.

Jones G. H. The control of chiasma distribution. In Controlling Events in Meiosis (C. W. Evans, H.G. Dickinson, eds.), Symp. Soc. Exp. Biol., Vol.

38, pp. 293-320, Cambridge, U.K. The Company of Biologists, 1984. Orr-Weaver T.L., Szostak J. W. Fungal recombination, Microbiol. Rev., 49, 33-58, 1985.

6. Heyting C., Dettmers R. J., Dietrich A. J., Redeker E. J. Two major components of synaptonemal complexes are specific for meiotic prophase nuclei, Chromosoma, 96, 325-332, 1988.

Moses M.J. Synaptonemal complexes, Annu. Rev. Genet., 2, 363-412, 1968.

Smithies O., Powers P. A. Gene conversions and their relationship to homologous pairing. Phil. Trans. R. Soc. Lond. (Biol.), 312, 291-302, 1986.

von Wettstein D., Rasmussen S. W., Holm P. B. The synaptonemal complexes in genetic segregation, Annu. Rev. Genet., 18, 331-413, 1984.

7. Carpenter А. Т. С. Gene conversion, recombination nodules, and the initiation of meiotic synapsis, Bioessaays, 6, 232-236, 1987.

Carpenter A. T. C. Recombination nodules and synaptonemal complexes in recombination-defective females of Drosophila melanogaster, Chromosoma, 75, 236-259, 1979.

8. Buckle V., Mondello C., Darling S., Craig I. W., Goodfellow P. N. Homologous expressed genes in the human sex chromosome pairing region, Nature, 317, 739-741, 1985.

Chandley A.C. Meiosis in man. Trends Genet., 4, 79-84, 1988. Solari A.J. The behavior of the XY pair in mammals, Int. Rev. Cytol., 38, 273-317, 1974.

9. Austin C. R., Short R. V., eds. Reproduction in Mammals: I. Germ Cells and Fertilization, Cambridge, U. K., Cambridge University Press, 1982.

10. Browder L. Developmental Biology, p. 173-231, Philadelphia, Saunders, 1980. Karp G., Berrill N. J. Development, 2nd ed., pp. 116-138, New York, McGraw-Hill, 1981.

11. Browder L.W., ed. Oogenesis, New York, Plenum, 1985.

Davidson E.H. Gene Activity in Early Development, 3rd ed., pp. 305-407. Orlando, FJ, Academic, 1986.

Metz C.B., Monroy A., eds. Biology of Fertilization, Vol. 1: Model Systems and Oogenesis, Orlando FL, Academic, 1985.

12. Bornslaeger E.A., Mattei P., Schultz R.M. Involvement of cAMP-dependent protein kinase and protein phosphorylation in regulation of mouse oocyte maturation. Dev. Biol., 114, 453-462, 1986.

Mailer J.L. Regulation of amphibian oocyte maturation. Cell Differ., 16, 211-221, 1985.

Masui Y., Clarke H.J. Oocyte maturation, Int. Rev. Cytol., 57, 185-282, 1979.

Sadler S. E., Mailer J. L. Inhibition of Xenopus oocyte adenylate cyclase by progesterone: a novel mechanism of action. Adv. Cyc. Nuc. Prot.

Phosphor. Res., 19, 179-194, 1985.

13. Cyert M.S., Kirschner M. W. Regulation of MPF activity in vitro, Cell, 53, 185-195, 1988.

Ford С. С. Maturation promoting factor and cell cycle regulation, J. Embryol, Exp. Morphol., Suppl, 89, 271-284, 1985.

Kirschner M., Newport J., Gerhart J. The timing of early developmental events in Xenopus. Trends Genet, 1, 41-47, 1985.

Lohka M. J., Hayes M. K., Mailer J. L. Purification of maturation-promoting factor, an intracellular regulator of early mitotic events. Proc. Natl.

Acad. Sci. USA, 85, 3009-3013, 1988.

Mailer J.L. Regulation of amphibian oocyte maturation. Cell Differ., 16, 211-221, 1985.

14. Peters H., McNatty K. P. The Ovary: A Correlation of Structure and Function in Mammals, pp. 11-22, 60-84, Berkeley: University of California Press, 1980.

Richards J. S. Hormonal control of ovarian follicular development, Recent Prog. Horm. Res., 35, 343-373, 1979.

15. Bellve A.R., O'Brien D.A. The mammalian spermatozoon: structure and temporal assembly. In Mechanism and Control of Animal Fertilization (J. F. Hartmann, ed.), pp. 56-137, New York, Academic, 1983.

Fawcett D. W. The mammalian spermatozoon, Dev. Biol. 44, 394-436, 1975.

Fawcett D. W., Bedford J. M., eds. The Spermatozoon, Baltimore, Urban & Schwarzenberg, 1979.

16. Browder L. Developmental Biology, pp. 146-172, Philadelphia, Saunders, 1980.

Clermont Y. Kinetics of spermatogenesis in mammals: seminiferous epithelium cycle and spermatogonial renewal, Physiol. Rev., 52, 198-236, 1972.

Karp G., Berrill N. J. Development, 2nd ed., pp. 100-116, New York, McGraw-Hill, 1981.

Metz С. В., Monroy A., eds. Biology of Fertilization, Vol. 2, Biology of the Sperm, Orlando, FL, Academic, 1985.

17. Lindsley D.L., Tokuyasu К. Т. Spermatogenesis. In: The Genetics and Biology of Drosophila (M. Ashburner, T. R. F. Wright, eds.), Vol. 2, pp.

225-294, New York, Academic, 1980.

Willison K., Ashworth A. Mammalian spermatogenic gene expression, Trends Genet, 351-355, 1987.

18. Epel D. Fertilization. Endeavour (New Series), 4, 26-31, 1980.

Hendrick J. L., ed. The Molecular and Cellular Biology of Fertilization, New York, Plenum, 1986.

Longo F.J. Fertilization, London, Chapman & Hall, 1987.

Metz С. В., Monroy A., eds. Biology of Fertilization, Vol. 3, The Fertilization Response of the Egg. Orlando FL, Academic, 1985.

19. Shapiro B.M. The existential decision of a sperm. Cell, 49, 293-294, 1987.

Shapiro B. M., Schackmann R. W., Tombes R. M., Kazazoglou T. Coupled ionic and enzymatic regulation of sperm behavior. Curr.. Top. Cell Regul, 26, 97-113,1985.

Tilney L. G., Inoue S. Acrosomal reaction of the Thyone sperm. III. The relationship between action assembly and water influx during the extension of the acrosomal process, J. Cell Biol., 100, 1273-1283, 1985.

Trimmer J. S., Vacquier V. D. Activation of sea urchin gametes, Annu. Rev. Cell Biol., 2, 1-26, 1986.

20. Gao В., Klein L. E., Britten R. J., Davidson E. H. Sequence of mRNA coding for bindin, a species-specific sea urchin sperm protein required for fertilization, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 83, 8634-8638, 1986.

Glabe C. G. Interaction of the sperm adhesive protein bindin, with phospholipid vesicles. II. Bindin induces the fusion of mixed-phase vesicles that contain phosphatidylcholine and phosphatidylserine in vitro, J. Cell Biol., 100, 800-806, 1985.

Rossignol D.R., Earles B.J., Decker G. L., Lennarz W.J. Characterization of the sperm receptor on the surface of eggs of Strongylocentrotus purpuratus. Dev. Biol., 104, 308-321, 1984.

Vacguier V.D., Moy G. W. Isolation of bindin: the protein responsible for adhesion of sperm to sea urchin eggs. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 74, 2456-2460, 1977.

21. Shatten G., Husler D. Timing the early events during sea urchin fertilization, Dev. Biol., 100, 244-248, 1983.

Trimmer J. S., Vacquier V. D. Activation of sea urchin gametes, Annu. Rev. Cell Biol., 2, 1-26, 1986.

Whitaker M. J., Steinhardt R. A. Ionic signalling in the sea urchin egg at fertilization. In: Biology of Fertilization (C.B. Metz, A. Monroy, eds.), Vol. 3, pp. 168-222, Orlando FL, Academic, 1985.

22. Jaffe L. A., Cross N. L. Electrical regulation of sperm-egg fusion, Annu. Rev. Physiol., 48, 191-200, 1986.

23. Kay E. S., Shapiro В. М. The formation of the fertilization membrane of the sea urchin egg. In: Biology of Fertilization (С. В. Metz, A. Monroy, eds.), Vol. 3, pp. 45-81, Orlando FL, Academic, 1985.

Schuel H. Functions of egg cortical granules. In: Biology of Fertilization (С. В. Metz, A. Monroy, eds.), Vol. 3, pp. 1-44, Orlando FL, Academic, 1985.

24. Eisen A., Reynolds G. T. Source and sinks for the calcium released during fertilization of single sea urchin eggs, J. Cell Biol., 100, 1522-1527, 1985.

Turner P. R., Jaffe L. A., Fein A. Regulation of cortical vesicle exocytosis in sea urchin eggs in inositol 1,4,5-triphosphate and GTP-binding protein.

J. Cell Biol., 102, 70-78, 1986.

Whitaker M., Irvine R.F. Inositol 1,4,5-triphosphate microinjection activates sea urchin eggs. Nature, 312, 636-639, 1984.

25. Dube F., Schmidt Т., Johnson C. H., Epel D. The hierarchy of requirements for an elevated intracellular pH during early development of sea urchin embryos. Cell, 40, 657-666, 1985.

Winkler M. Translational regulation in sea urchin eggs: a complex interaction of biochemical and physiological regulatory mechanisms, Bioessays, 8, 157-161, 1988.

26. Schatten H., Schatten G., Mazia D., Balczon R., Simerly C. Behavior of centrosomes during fertilization and cell division in mouse oocytes and in sea urchin eggs. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 83, 105-109, 1986.

27. Clegg E.D. Mechanisms of mammalian sperm capacitation. In: Mechanism and Control of Animal Fertilization (J. F. Hartmann, ed.), pp. 178 212, New York, Academic, 1983.

Grobstein C. External human fertilization, Sci. Am., 240(6), 57-67, 1979. Wassarman P. M. Early events in mammalian fertilization, Annu. Rev.

Cell Biol., 3, 109-142, 1987.

Wassarman P.M. Zona pellucida glycoproteins, Annu. Rev. Biochem., 57, 415-442, 1988.

16 Клеточные механизмы развития Организм любого многоклеточного животного можно рассматривать как клон клеток, образовавшихся из одной клетки оплодотворенного яйца. Поэтому клетки тела, как правило, генетически идентичны, но различаются по фенотипу: одни становятся мышечными клетками, другие - нейронами, третьи - клетками крови и т. д. В организме клетки разного типа размещены строго упорядоченным образом, и благодаря этому тело обладает характерной формой. Все признаки организма определяются последовательностью нуклеотидов в геномной ДНК, которая воспроизводится в каждой клетке. Все клетки получают одни и те же генетические «инструкции», но интерпретируют их с учетом времени и обстоятельств - так, чтобы каждая клетка выполняла в многоклеточном сообществе свою специфическую функцию.

Многоклеточные организмы часто бывают очень сложными, но их построение осуществляется при помощи весьма ограниченного набора форм клеточной активности. Клетки растут, делятся и погибают, соединяются, движутся и меняют свою форму. Они дифференцируются, т. е.

начинают или прекращают синтез определенных веществ, кодируемых геномом. Клетки выделяют в окружающую среду или образуют на своей поверхности вещества, влияющие на активность соседних клеток. Эти формы клеточного поведения являются универсальной основой развития животных. В данной главе мы попытаемся объяснить, каким образом реализация различных форм клеточной активности в нужное время и в нужном месте приводит к образованию целостного организма.

Мы не будем подробно шаг за шагом прослеживать от начала до конца развитие какого-то одного организма, а рассмотрим различные аспекты клеточного поведения, связанного с развитием, иллюстрируя общие принципы примерами тех животных, у которых они проявляются наиболее четко. Мы обсудим, каким образом и при участии каких сил клеточные перемещения приводят к формированию эмбриона, как под контролем собственных генов данных клеток и межклеточных взаимодействий развертывается пространственная картина дифференцировки и каким образом дифференцированные клетки, возникшие в разных частях эмбриона, оказываются в местах своего назначения, образуя сложные ткани и органы. Все эти вопросы будут рассмотрены на примере развития земноводных, морских ежей, мышей, мух, птиц, тараканов и нематод.

Развитие растений будет обсуждаться в гл. 20.

16.1. Морфогенетические движения и формирование общей пространственной организации тела [1] В этом и следующих разделах речь пойдет о том, как возникает пространственная организация раннего эмбриона и какие физические силы участвуют в его формировании. В качестве примера мы в основном будем обращаться к шпорцевой лягушке Xenopus laevis (рис. 16-1), раннее развитие которой было изучено особенно тщательно. Подобно Рис. 16-1. Схема развития Хепорus laevis от зародышам других земноводных, зародыши Хепорus относительно устойчивы к оплодотворенного яйца до самостоятельно внешним воздействиям и поэтому служат удобным объектом для экспериментов.

питающегося головастика. Вверху - спаривание Для того чтобы облегчить восприятие излагаемого материала, процесс взрослых самца и самки. Ниже представлены эмбриогенеза позвоночных (и многих других групп животных) подразделен на три последовательные стадии развития (ранние стадии - периода. Первый - это дробление оплодотворенного яйца на множество более мелких вид сбоку;

10-часовой эмбрион-вид снизу;

19- клеток, формирующих слой наподобие эпителия, из которого в результате процессов часовой-вид сверху). Все рисунки (кроме верхнего) гаструляции и нейруляции образуются полость первичной кишки и нервная трубка.

выполненны в одном масштабе. [P. D. Nieuwkoop, J. Затем следует период органогенеза, т. е. возникают различные органы и части тела Faber, Normal Table of Xenopus laevis (Daudin), (конечности, глаза, сердце и т. д.). Третий период развития характеризуется тем, что Amsterdam: North-Holland, 1956.] органы, сформировавшиеся в виде небольших структур, растут, пока не достигнут размеров, свойственных взрослому животному. Эти периоды не имеют четких границ и могут в значительной степени перекрываться. Развитие от стадии оплодотворенного яйца до начала органогенеза мы проследим на примере эмбриогенеза у Хепорus.

16.1.1. Полярность эмбриона земноводных определяется полярностью яйца [2] Яйцо земноводных - это сравнительно крупная клетка (около 1 мм в диаметре), покрытая прозрачной неклеточной капсулой - студенистой оболочкой.

Большая часть клетки заполнена желточными пластинками, состоящими в основном из белка и липидов. Желток сконцентрирован в нижней половине яйца, называемой вегетативным полушарием;

верхнюю половину яйца называют анимальным полушарием. Оплодотворение инициирует превращение этой единичной клетки в многоклеточную личинку (головастика), у которой должны определяться передний и задний концы тела, брюшная и спинная стороны, а также срединная плоскость симметрии, разделяющая тело на правую и левую половины. Развитие зародыша удобно описывать, пользуясь системой трех осей: переднезадней (от головы к хвосту), дорсовентральной (от спины к животу) и медиолатеральной (от срединной плоскости влево и вправо). Такая полярность зародыша закладывается у земноводных на очень раннем этапе развития. Еще до оплодотворения анимальный и вегетативный полюсы яйца содержат различные наборы мРНК, равно как и разное количество белка и других клеточных компонентов, но при этом яйцо симметрично относительно анимально вегетативной оси. Эта исходная анимально-вегетативная симметрия достаточна для создания цилиндрического эмбриона, обладающего переднезадней осью.

Оплодотворение обеспечивает углубление различий в содержимом яйца земноводных, реализуемое в появлении дорсовентральной полярности. Наружный обогащенный актином слой цитоплазмы, называемый кортикальным слоем, или кортексом, внезапно поворачивается по отношению к внутреннему содержимому как единый сегмент, так что анимальный полюс кортекса смещается по отношению к анимальному полюсу внутреннего содержимого в направлении будущей вентральной стороны (рис. 16-2).

Направление вращения определяется местом проникновения спермия;

объяснить это, по-видимому, можно влиянием центросомы, привносимой спермием в яйцо. Поскольку такое вращение Рис. 16-2. Первое морфогенетическое движение после оплодотворения яйца лягушки. Кортекс яйца слой, толщиной примерно в несколько микрометров - поворачивается почти на 30° относительно внутренних слоев яйца в направлении, которое определяется местом проникновения спермия. У видов с окрашенной цитоплазмой анимального полюса такое вращение приводит к появлению четко наблюдаемого серого серпа, который расположен напротив места проникновения спермия.

вызывает в яйце смещение пигментных гранул, у некоторых земноводных появляется слабо пигментированная полоска, называемая серым серпом.

Она образуется на стороне яйца, противоположной месту проникновения спермия. Место проникновения спермия соответствует, грубо говоря, брюшку;

на противоположной стороне формируются дорсальные структуры, например спинной мозг (рис. 16-3). В результате воздействий, блокирующих вращение кортекса, развиваются так называемые радиализованные животные с кишечником, расположенным в центре тела, у которых отсутствует дорсовентральная асимметрия.

16.1.2. В результате дробления из одной клетки образуется множество клеток [3] Поворот кортикального слоя завершается примерно через час после оплодотворения и создает условия для осуществления дробления, в ходе которого из одной крупной яйцеклетки за счет повторяющихся митозов образуется множество более мелких клеток -бластомеров;

общая масса эмбриона при этом не меняется. Чтобы выжить, эмбрион должен быстро достичь стадии, когда он сможет самостоятельно питаться, плавать и спасаться от хищников, и поэтому первые деления дробления очень быстро следуют друг за другом;

в этот период длительность клеточного цикла составляет около 30 мин (см. разд. 13.1.9). Высокая скорость репликации ДНК и чередования митозов не позволяет осуществлять транскрипцию генов и дробящийся эмбрион полностью зависит от запасов РНК, белка, мембран и других материалов, которые были накоплены в яйце в процессе его созревания в материнском организме. Только биосинтез ДНК имеет теперь жизненно важное значение, и ее необычно быстрая репликация становится возможной благодаря огромному числу мест, в которых начинается этот процесс (см. разд. 9.3.9). Борозда первого деления дробления делит яйцо по вертикали, т. е. в плоскости, проходящей через анимально-вегетативную ось;

в результате образуются две симметричные половины яйца (рис. 16-4). Следующее деление вновь происходит вертикально, но под прямым углом к плоскости первого деления и приводит к образованию четырех клеток одинаковой величины. Борозда третьего деления дробления располагается горизонтально несколько выше срединной плоскости, поэтому образующиеся четыре верхние клетки меньше по размерам, чем нижние;

к тому же нижние клетки содержат больше желтка. Примерно после 12 клеточных циклов скорость деления клеток резко снижается, нарушается также синхронность делений и начинается транскрипция генома зародыша. Это изменение, известное как переход к средней бластуле (ПСБ), по всей вероятности, отражает истощение определенного клеточного компонента материнского происхождения, который используется для связывания с вновь синтезируемой ДНК.

Рис. 16-3. Асимметрия яйца Хепоpus показана на рис. А. Она определяет расположение осей тела будущего головастика, изображенное на рис. Б. Точная привязка осей яйца к телу головастика сложна, поскольку гаструляционные движения значительно меняют топологию зародыша. В первом приближении анимальный полюс соответствует переднему концу тела (голове), а серый серп соответствует дорсальной стороне тела.

У других животных взаимная ориентация плоскостей последовательных делений дробления может быть иной. В яйцах очень богатых желтком как, например, у птиц, борозды делений дробления не в состоянии разбить желток на части, и поэтому все ядра сосредоточены на анимальном полюсе;

в результате зародыш развивается только из «шапочки» клеток, лежащих поверх желтка.

16.1.3. Бластула представляет собой полый шар, стенка которого образована одним слоем клеток [4] Уже в самом начале развития эмбриона его клетки связаны между собой не только механически, но и с помощью щелевых контактов, через которые способны проходить ионы и другие низкомолекулярные вещества, передавая «послания», которые могут играть важную роль на более поздних стадиях развития (вместе с другими типами сигналов) для координации поведения клеток (см. разд. 14.1.7). На периферии зародыша бластомеры связаны друг с другом плотными контактами (см. разд. 14.1.1);

это позволяет изолировать внутреннюю часть зародыша от окружающей среды. Примерно на стадии 16 бластомеров промежутки между клетками в центральной части зародыша расширяются и образуют единую полость бластоцель;

это результат переноса ионов натрия во внутренние межклеточные пространства через мембраны клеток;

осмотическое давление внутри зародыша повышается и сюда начинает поступать вода.

Клетки, окружающие бластоцель, образуют эпителиоподобный слой;

теперь эту стадию развития называют бластулой (рис. 16-5). То, что клетки бластулы организованы как эпителиальный слой, жизненно важно для координации их дальнейшего поведения.

16.1.4. После гаструляции полый клеточный шар превращается в трехслойную структуру с первичной кишкой [5, 6] После того как клетки бластулы сформировали эпителиальный слой1, наступает время для координированных движений, приводящих к образованию гаструлы. Процесс образования гаструлы называют гаструляцией. Эта радикальная перестройка ведет к превращению полого клеточного шара в многослойную двустороннесимметричную структуру с кишечной трубкой, располагающейся в центре;

в результате сложного Автор в данном случае употребляет не совсем точный термин, называя стенку бластулы эпителием или эпителиальным слоем. Дело в том, что эпителий - это дифференцированная ткань, образующаяся на более поздних стадиях развития из эктодермы (наружного зародышевого листка). Стенку зародыша на стадии бластулы называют бластодермой, и она лишь чисто внешне напоминает эпителиальную ткань. Из чисто технических соображений мы не во всех случаях исправляли эту неточность, и читателю следует иметь это в виду.- Прим. ред.

Рис. 16-4. Стадии дробления у Хеnopus (вид сбоку).

Рис. 16-5. Бластула. На этой стадии развития клетки образуют эпителиоподобный слой, окружающий полость, заполненную жидкостью,-бластоцель. Щелевые контакты обеспечивают электрическое сопряжение клеток, а плотные контакты наружной поверхности изолируют внутреннее пространство эмбриона от окружающей среды. Обратите внимание, что у Xenopus стенка бластулы образована несколькими слоями клеток, и только наружные клетки плотно прилегают друг к другу, как это имеет место в любом типе эпителия.

Рис. 16-6. Гаструляция у морского ежа. На вегетативном полюсе бластулы от ее стенки отделяются клетки первичной мезенхимы (А). Эти клетки «ползут» вверх по внутренней поверхности стенки бластулы (Б). В это время стенка бластулы в области вегетативного полюса (вегетативная пластинка) начинает впячиваться внутрь (В). Клетки на верхушке инвагинирующей вегетативной пластинки образуют филоподии, прикрепляющиеся к поверхности внутренней стенки бластоцеля и подтягивают ее дальше в глубь бластоцеля, образуя полость первичной кишки (Г, Д). Конец кишечной трубки вступает в контакт со стенкой бластулы;

в этом месте впоследствии возникает ротовое отверстие (Е). (L.

Wolpert, T. Gustafson, Endeavour, 26, 85-90, 1967.) процесса инвагинации (впячивания) значительный участок эпителия перемещается с наружной поверхности внутрь зародыша. Последующее развитие теперь уже определяется взаимодействиями внутреннего, наружного и среднего слоев, возникающих в результате гаструляции.

Гаструляция в той или иной форме происходит у всех многоклеточных животных. Так как с геометрической точки зрения гаструляция у земноводных выглядит «искаженной», мы сначала рассмотрим этот процесс у морского ежа -близкого родственника позвоночных (см. рис. 15-40, разд. 15.4.1).

Эмбрион морского ежа прозрачен, поэтому развитие его, внешнее и внутреннее, можно исследовать прижизненно;

в то же время на этом объекте удобно изучать активность отдельных клеток. Исходным материалом для гаструляции является бластула, устроенная довольно просто: это - полый шар, стенку которого образуют около 1000 клеток, расположенных в один слой;

полость бластулы называют бластоцелем. Всю эту структуру покрывает тонкий слой внеклеточного матрикса;

у бластулы можно также различать вегетативный и анимальный полюсы. Гаструляция начинается с того, что на вегетативном полюсе от эпителия отделяются несколько десятков так называемых клеток первичной мезенхимы (рис. 16 6, А). По всей вероятности, эти клетки теряют способность связываться с другими клетками и внеклеточным матриксом наружной поверхности эмбриона и приобретают сродство к обогащенному фибронектином матриксу (см. разд. 14.2.13), который выстилает бластоцель. Эти клетки выходят в полость бластулы и движутся вдоль ее стенки, подтягиваясь на выпускаемых ими длинных тонких отростках (филоподиях) с «липкими» концами (рис. 16-7). Когда Рис. 16-7. Клетки первичной мезенхимы ползут по внутренней поверхности стенки бластулы, выпуская сократимые филоподии с «липкими» концами. (L. Wolpert, Т. Gustafson, Endeavour, 26, 85-90, 1967.) Рис. 16-8. Эта схема иллюстрирует возможный механизм начальных этапов впячивания клеток на вегетативном полюсе. Детали этого процесса на молекулярном уровне рассмотрены в разд. 16.1.6 и 11.6.9.

кончик филоподии вступает в контакт с поверхностью, к которой он может плотно прикрепиться, филоподия сокращается и тянет за собой клетку.

Образовавшиеся филоподии, по-видимому, втягиваются обратно, а вместо них в других местах возникают новые, так что клетка может перемещаться то в одном, то в другом направлении. В конце концов, однако, клетки занимают четко определенное положение, что, по всей вероятности, обусловлено их специфическим сродством к каким-то участкам поверхности бластоцеля. Это было показано в опытах с моноклональными антителами, которые продемонстрировали высокоспециализированные различия между клетками в разных участках эмбриона в отношении химизма их поверхности (к этой теме мы вернемся позже - см. разд. 16.6.1). Коль скоро клетки первичной мезенхимы заняли свое место, они начинают формировать скелет (16-6, Е).

С началом миграции клеток первичной мезенхимы начинает инвагинировать (впячиваться) эпителий в области вегетативного полюса, образуя, таким образом, первичную кишку (рис. 16-6, В). При этом сначала изменяется форма эпителиальных клеток: внутренний конец клетки, обращенный к бластоцелю, становится шире чем наружный, и поэтому клеточный слой прогибается внутрь бластоцеля (рис. 16-8). Следующий этап инвагинации происходит за счет иного процесса-перераспределения клеток. Инвагинирующие клетки активно перестраиваются, но их форма при этом не меняется. В результате поначалу довольно широкая полость гаструлы превращается в длинную узкую кишечную трубку. Одновременно определенные клетки на верхушке этой кишечной трубки выпускают в бластоцель длинные филоподии, которые вступают в контакт со стенками полости, прилипают к ним и сокращаются, как бы помогая направлять процесс инвагинации (рис. 16-6, Г, Д). Движение прекращается после соприкосновения слепого конца кишечной трубки с наружной стенкой зародыша на его противоположном конце (рис. 16-6, Е). Позднее в месте контакта двух соприкасающихся слоев стенка зародыша прорывается, и на месте прорыва образуется вторичный рот. Поскольку клетки, которые своими филоподиями направляли инвагинацию, выполнили свою задачу, они отделяются от эпителия, перемещаются в пространство между кишечной трубкой и стенкой тела и превращаются в так называемую вторичную мезенхиму, которая со временем даст начало стенке целома и мускулатуре.

В результате гаструляции полая сферическая бластула превращается в трехслойную структуру: внутренний слой, т.е. стенку первичной кишки, называют энтодермой;

наружный слой, который так и остался снаружи, - эктодермой, а промежуточный рыхлый слой ткани, состоящий из первичной и вторичной мезенхимы, - мезодермой. Это - три первичных зародышевых листка, характерные для всех высших животных.

Организация трехслойного эмбриона в общих чертах соответствует организации взрослого животного с пищеварительной трубкой внутри, эпидермисом снаружи и органами соединительного тканного происхождения между ними. В первом приближении можно сказать, что эти три типа тканей взрослого организма происходят соответственно из энтодермы, эктодермы и мезодермы, хотя встречаются и исключения (см. разд. 16.1.7, 16.1.8 и 16.1.9).

16.1.5. Гаструляционные движения основаны на четко скоординированных простых движениях клеток [1, 6, 7] Гаструляционные движения основаны на относительно простом наборе основных движений клеток. Клетки могут менять свою форму в результате вытягивания или сокращения;

они приклеиваются или отделяются от других клеток или внеклеточного матрикса;

они могут секретировать вещества внеклеточного матрикса, которые сдерживают или направляют их движения. Такие виды клеточной активности, наряду с ростом клеток и их делением, лежат в основе всех морфогенетических движений как отдельных клеток, так и их групп, включая, в частности, такие процессы, как перераспределение клеток, обеспечивающее инвагинацию и образование первичной кишки. Гаструляция, будучи исключительно важным событием per se, кроме того, демонстрирует различные формы клеточного поведения.

В последующих главах будут обсуждаться механизмы, используемые клетками для изменения своей формы или адгезивных свойств.

Индивидуальное развитие ставит перед нами особую проблему: необходимо понять, каким образом элементарные виды клеточной активности координированы во времени и пространстве;

именно эта координация определяет поведение каждой из частей эмбриона. В настоящее время нам еще не вполне ясны прекрасно срежиссированные гаструляционные движения. Тем не менее эксперименты на земноводных позволяют ответить на вопрос, какие из частей гаструлирующего эмбриона движутся за счет своих собственных возможностей и какие части эмбриона находятся под воздействием внешних сил.

У зародышей земноводных присутствие клеток со значительным избытком желтка существенно замедляет инвагинацию, вследствие чего геометрия процесса становится более сложной, чем у морского ежа. Инвагинация начинается не на вегетативном полюсе, а несколько сбоку, где сначала образуется небольшое углубление, именуемое бластопором. Через него происходит вворачивание клеток будущей энтодермы (рис. 16-9).

По мере углубления процесса инвагинации бластопор приобретает форму кольца, окружающего часть видимой снаружи энтодермы. Эта часть энтодермы называется желточной пробкой;

здесь расположены клетки, обогащенные желтком (позже они попадут в полость кишки и будут переварены). В это же время бластодерма на анимальном полюсе активно расширяется и занимает место клеток, устремляющихся внутрь. В конце концов бластодерма анимального полушария покрывает всю наружную поверхность эмбриона, а размеры бластопора сильно уменьшаются.

В основе процесса инвагинации у земноводных, по-видимому, лежат те же механизмы, что и у морского ежа. Сначала происходит изменение формы клеток в области бластопора. У земноводных это так называемые колбовидные клетки;

они характеризуются широким осно- Рис. 16-9. А. Гаструляция у Xenopus. Внешний вид эмбриона (вверху} представлен со стороны вегетативного полюса;

поперечные разрезы (внизу) проходят в плоскости, показанной штриховой линией. Направление движения клеток указано стрелками. Б. Карта презумптивных зачатков раннего эмбриона Xenopus (вид сбоку) с начала гаструляции указывает на происхождение клеток, которые вследствие гаструляционных движений примут участие в формировании трех зародышевых листков. Различные части мезодермы (боковая пластинка, сомиты, хорда) происходят из более глубоко расположенных клеток области, обозначенной точками;

другие клетки этой области, в том числе наиболее поверхностные, дадут начало эктодерме (серый цвет, вверху) или энтодерме (различные оттенки красного цвета, книзу). (R. Е. Keller, J. Exp. Zoob, 216, 81-101, 1981.) ванием и длинным узким концом, прикрепляющим клетки к внутренней поверхности стенки бластулы (рис. 16-10). Эти клетки тянут эпителий внутрь, вследствие чего на поверхности бластулы возникает продольная борозда. После формирования этой борозды клетки продолжают свое движение внутрь в виде пласта, принимающего участие в формировании кишки. Как и у морского ежа, это движение осуществляется за счет активной переупаковки клеток эпителия, особенно в краевой зоне, прилежащей к губе бластопора (рис. 16-10). Небольшие квадратные фрагменты изолированной ткани краевой зоны в условиях культуры могут спонтанно удлиняться и расширяться вследствие переупаковки клеток (рис. 16-10, Б), как если бы они находились в зародыше и устремлялись внутрь последнего через бластопор. Механизм перераспределения клеток, лежащий в основе этого конвергентного расширения остается загадкой. Вторичная направляющая, или движущая, сила обеспечивается будущими клетками мезодермы, которые мигрируют по внутренней поверхности крыши бластоцеля и тянут энтодерму за собой, подобно тому как это происходит у зародыша морского ежа, только у морского ежа в качестве движущей силы выступают будущие клетки вторичной мезенхимы. Крыша бластоцеля выстлана матриксом, богатым фибронектином, и при инъекции в бластоцель антител или пептидов, блокирующих взаимодействие фибронектина с рецепторами клеточной поверхности (см. разд. 14.2.13), нормальная гаструляция тормозится (в частности, у тритонов и саламандр) (рис. 16-11).

У земноводных, как и у морских ежей, гаструляция приводит к образованию трехслойного зародыша с наружным эктодермальным слоем, внутренней трубкой энтодермы, представляющей собой зачаток кишки, и мезодермой между ними. Ротовое отверстие образуется на переднем конце зародыша, где мезодерма отсутствует, и поэтому эктодерма может вступать в прямой контакт с энтодермой.

Рис. 16-10. А. На срезе через эмбрион Xenopus, сделанном во время гаструляции и проходящем в той же плоскости, что и на рис. 16-9, показаны четыре основных типа движений, лежащих в основе этого процесса. Б. Модель перераспределения клеток, приводящего к конвергентному вытягиванию, которое, возможно, является главной движущей силой процессов гаструляции у Xenopus. (А - из R.E. teller, J. Exp. Zool., 216, 81-101, 1981;

Б-т J. Gerhart, R. Keller, Annu. Rev. Cell Biol., 2, 201 229, 1986.) 16.1.6. Гаструляционные движения организованы вокруг бластопора [2, 7, 8] Движения клеток в процессе гаструляции сложны, но упорядочены, что позволяет еще до гаструляции построить на поверхности эмбриона карту презумптивных зачатков (рис. 16-9, Б), которая показывает, из каких клеток предстоит формироваться различным частям взрослого организма. А как запускается и организуется весь сложный комплекс гаструляционных движений? У земноводных важным предварительным этапом является перераспределение содержимого яйца сразу же после оплодотворения. Инвагинация всегда начинается в том месте, которое соответствует расположению серого серпа (см. разд. 16.1.1): здесь в области будущей дорсальной губы бластопора вращение кортекса яйца по отношению к внутреннему содержимому, вызванное оплодотворением (см. рис. 16-2), по всей вероятности, создает сочетание клеточных компонентов, обладающее уникальными свойствами. Если в начале гаструляции у зародыша-донора удалить дорсальную губу бластопора и пересадить ее другому зародышу, то гаструляция зародыша - реци- Рис. 16-11. А. Нормальный эмбрион тритона в конце гаструляции;

энтодерма и мезодерма инвагинировали внутрь, бластопор приобрел форму кольца, окружающего крупные энтодермальные клетки, еще остающиеся на поверхности. Этот оставшийся участок энтодермы называют желточной пробкой. Б. Такой же эмбрион, у которого гаструляционные движения были блокированы инъекцией в полость бластулы антител против фибронектина. Клетки вегетативного полушария не способны перемещаться внутрь и остаются снаружи (гладкая округлая масса в нижней части рисунка);

клетки анимального полушария образуют структуру, напоминающую пустой мешок, и вследствие гаструляционных движений, которые в норме приводят к его распространению по поверхности эмбриона, он стягивается в складки. [J. С. Boucaut et al., J. Embryol. Exp. Morphol., (Suppl.), 211-227, 1985.] Рис. 16-12. А. Схема эксперимента, показывающего, что дорсальная губа бластопора инициирует и контролирует гаструляционные движения и в случае пересадки организует второй набор структур зародыша. Б. Фотография возникающего в результате такой операции аксолотля, имеющего две головы и два хвоста. Подобные результаты получены и на Xenopus, хотя масштабы дупликации несколько отличаются. (Б-с любезного разрешения Jonathan Slack.) пиента начнется как в области собственной губы бластопора, так и в области, куда была пересажена губа донора (рис. 16-12). Вследствие этой второй гаструляции происходит образование второго набора структур тела и возникает двойной зародыш (наподобие сиамских близнецов). Если для опытов с пересадкой использовать клетки, которые пигментированы иначе, то ткань реципиента легко отличить от имплантированной ткани. С помощью этого метода удалось показать, что имплантированная губа бластопора вовлекает в контролируемый ею процесс инвагинации эпителий хозяина. Далее мы покажем, что для образования трех зародышевых листков в процессе гаструляции исключительно важны химические и физические взаимодействия между клетками. Но сперва мы вкратце рассмотрим дальнейшее развитие энтодермы, мезодермы и эктодермы, из которых состоит эмбрион позвоночных после окончания гаструляции.

16.1.7. Из энтодермы образуется кишка и такие ее производные, как легкие и печень [9] Энтодерма образует трубку-зачаток пищеварительного тракта;

она тянется от рта до ануса. Эта трубка дает начало не только глотке, пищеводу, желудку и кишечнику, но также многим железам: слюнным, печени, поджелудочной железе;

трахея и легкие также формируются из выростов стенки пищеварительного тракта, который вначале устроен весьма просто. Все эти выросты увеличиваются и превращаются в систему разветвленных трубочек, впадающих в кишку или гортань. Если говорить точнее, энтодерма формирует только внутренние эпителиальные компоненты этих структур - выстилку кишечника и секреторные клетки поджелудочной железы, а поддерживающие их мышечные или соединительнотканные элементы возникают из мезодермы.

16.1.8. Из мезодермы образуются соединительная ткань и мышцы, а также сердечно-сосудистая и мочеполовая системы [9, 10] После завершения гаструляции образовавшийся средний зародышевый листок, мезодерма, разделяется на две части -для правой и для левой половины тела. Один из участков мезодермы в этот период специализируется, располагаясь вдоль центральной оси тела, и детерминирует деление тела на две половины - правую и левую. Это-хорда, представляющая собой тонкий клеточный тяж диаметром 80 мкм;

над ней расположена эктодерма, под ней - энтодерма, а по бокам - мезодерма (см. рис. 16-15). Клетки хорды набухают, в них появляются вакуоли;

это приводит к удлинению хорды и как следствие - к выпрямлению зародыша. У самых примитивных хордовых, не имеющих позвоночника, хорда выполняет функции опорной структуры. У позвоночных хорда является той осью, вокруг которой собираются мезодермальные клетки и образуют позвоночник. Таким образом, хорда служит предшествен- ником позвоночного столба не только в процессе эволюции, но и в онтогенезе.

Мезодерма в основном дает начало соединительным тканям - сначала мезенхиме, клетки которой образуют рыхлую сеть, заполняющую промежутки между другими тканями (см. рис. 14-20), а затем кости, хрящу, мышцам и фиброзным тканям, в том числе внутреннему слою кожи (дерме). Мышечные клетки также возникают из мезодермы. Из нее формируется большая часть протоков мочеполовой системы, а также сердечно сосудистая система, включая сердце и клетки крови.

16.1.9. Из эктодермы образуется эпидермис и нервная система [9, 11] Наружная стенка зародыша после гаструляции представлена листком эктодермы, из которой позже образуется наружный слой кожи - эпидермис. Однако этим будущее эктодермы не исчерпывается: из эктодермы формируется также вся нервная система. Процесс образования этой системы называется нейруляцией;

он начинается с утолщения широкого дорсального участка эктодермы, который затем сворачивается в трубку и отделяется от остальной части клеточного слоя. Такое преобразование индуцируется хордой и мезодермой, лежащими под этой областью эктодермы (см. разд. 16.6.3). Трубка, образовавшаяся из эктодермы, носит название нервной трубки;

в процессе дальнейшего развития из нее возникнет головной и спинной мозг. Вдоль линии, по которой нервная трубка отделяется от будущего эпидермиса, от него обособляется еще некоторое число эктодермальных клеток;

позже эти клетки поодиночке мигрируют через мезодерму. Это клетки нервного гребня, из которых образуются практически все компоненты периферической нервной системы (в том числе сенсорные и симпатические ганглии, шванновские клетки, образующие миелиновую оболочку периферических нервов) (см. разд. 19.1.1), а также клетки надпочечников, секретирующие адреналин, и пигментные клетки кожи. В области головы многие клетки нервного гребня дифференцируются в хрящ, кость и иные типы соединительной ткани, которые в других частях тела формируются из мезодермы. Это один из немногих случаев, не укладывающийся в общее представление о соответствии трех зародышевых листков трем «концентрическим» слоям взрослого организма. Органы чувств, передающие нервной системе информацию о зрительных, звуковых, обонятельных и иных стимулах, также развиваются из эктодермальных закладок - одни из нервной трубки, другие - из нервного гребня, третьи - из наружного слоя эктодермы (см. рис. 19-55, разд. 19.7.1). Например, сетчатка образуется как вырост мозга и, следовательно, является производным нервной трубки, тогда как обонятельные клетки дифференцируются прямо из эктодермального эпителия носовой полости.

16.1.10. Нервная трубка образуется в результате координированных изменений формы клеток [6, 12] Образование нервной трубки - это событие, весьма достойное нашего внимания (рис. 16-13). Сначала поверхность гаструлы представляется довольно однородной, но некоторые изменения здесь уже происходят: эктодерма возле средней линии начинает приподниматься, образуя нервную пластинку. Боковые края нервной пластинки утолщаются;

эти утолщения, называемые нервными валиками, постепенно сближаются, а в самой пластинке вдоль средней линии образуется желобок. В конце концов валики сходятся над ним и сливаются, в результате чего Рис. 16-13. Образование нервной трубки у Хепорus. Вид снаружи с дорсальной стороны. Разрезы проходят в плоскости, указанной прерывистой линией. (Т. Е. Schroeder, J. Embryol, Exp. Morphol., 23, 427-462, 1970.) возникает полая нервная трубка, покрытая сверху сплошным слоем эктодермы. Как и в случае гаструляции, все эти процессы обусловлены вытягиванием, адгезией и сокращением отдельных клеток эпителиального слоя. Клетки нервной пластинки связаны между собой прочными латеральными соединениями. Вначале клетки удлиняются в направлении, перпендикулярном клеточному слою. Такое удлинение формы клеток связано с удлинением микротрубочек и необходимо для продолжения нейруляции: при воздействии колхицина - вещества, вызывающего разрушение микротрубочек, нервные валики не образуются вовсе или же - коль скоро они возникли - исчезают. Удлинившиеся клетки приобретают затем клиновидную форму с узкими концами, направленными к верхней (апикальной) поверхности клеточного слоя. Так как клетки прочно соединены между собой боковыми поверхностями, а ширина их у основания остается прежней, клеточный пласт в целом прогибается (рис. 16-14).

Сужение клеток на верхушке происходит вследствие сокращения пучков актиновых филаментов, которые проходят под апикальной поверхностью клеток, там, где клетки соединяются поясами адгезии (см. разд. 14.1.3).

16.1.11. Скопление клеток мезодермы делится, образуя сомиты по обе стороны от продольной оси тела [13] По бокам от вновь образованной нервной трубки лежат обширные участки мезодермы (рис. 16-15). Из утолщенной медиальной области мезодермы образуются позвонки, ребра, скелетные мышцы, а также соединительнотканный слой кожи. Вначале мезодерма на каждой из сторон представлена единой массой ткани, но вскоре она делится на «блоки», называемые сомитами (рис. 16-16). Каждый сомит соответствует одному элементу в возникающем в результате дифференцировки скелете и будет делиться впоследствии на три части. Часть сомита, обращенная к хорде, называется склеротомом и является источником клеток, образующих ребра и позвонки;

часть, обращенная наружу и прилежащая к дорсальной поверхности эмбриона, называется дерматомом и является источником клеток, формирующих соединительнотканный слой кожи, или дерму;

оставшаяся часть сомита именуется миотомом (между склеротомом и дерматомом) и является источником клеток скелетных мышц.

Сомиты обособляются не все сразу, а последовательно один за Рис. 16-14. Изгибание клеточного пласта вследствие изменений формы клеток, опосредованных взаимодействием микротрубочек и актиновых филаментов. По мере сужения апикальных концов клеток мембраны их наружных поверхностей становятся вогнутыми. Это может являться симптомом быстрого изменения формы вследствие сокращений, которые имеют место в условиях плотного соприкосновения боковых поверхностей соседних клеток, где тормозится перетекание избытка мембраны вдоль контактирующих комплексов по бокам клеток.

Рис. 16-15. Схематическое изображение поперечного разреза через туловищную область эмбриона лягушки после замыкания нервной трубки. (Т. Mohun, R. Tilly, R. Mohun and J. M. W. Slack, Cell, 22, 9-15, 1980.) Рис. 16-16. Образование сомитов у Xenopus. Вверху- внешний вид Рис. 16-17. Сравнение эмбриогенеза рыб, амфибий, птиц и зародыша при наблюдении сбоку. Прерывистой линией показана млекопитающих. Ранние стадии развития (вверху) очень сходны;

плоскость горизонтального разреза, изображение которого поздние стадии (внизу) различаются значительно сильнее. Самые представлено в середине. Внизу схема перегруппировки клеток ранние стадии изображены примерно в одинаковом масштабе, а мезодермы в процессе формирования сомитов (при большом более поздние стадии - в разном. (Е. Haeckel, Anthropogenic, oder увеличении). У Xenopus все клетки, из которых потом образуются Entwickelungsgechichte des Menschen. Leipzig, Engelmann, 1874.) сомиты, исходно ориентированы под прямым углом к оси тела. В процессе формирования сомитов все клетки каждой группы поворачиваются одновременно.

другим по направлению от головы к хвосту. Сегментация сопровождается изменением взаимных связей между клетками мезодермы. В ранней, несегментированной мезодерме сохраняется электрическое сопряжение клеток через щелевые контакты, исчезающие непосредственно перед или во время формирования сомитов. Очевидно, сначала изменяется характер взаимосвязи между клетками, затем они собираются в компактные группы и образуют сомиты (см. рис. 16-16). Позже мы увидим, что физическая сегментация коррелирует с появлением химических различий между соседними группами клеток сомитов (см. разд. 16.5.20), сегментирование которых напоминает расположение полосок у зебры. По всей вероятности, селективное сцепление, основанное на различиях в химизме поверхности клеток, является причиной разделения массива клеток на физически обособленные сомиты.

16.1.12. План строения тела позвоночного животного складывается в миниатюре на ранней стадии и сохраняется в период роста эмбриона [9] Длина эмбриона на стадии формирования сомитов не превышает нескольких миллиметров, он обычно состоит из 105 клеток. До сих пор мы имели в виду Xenopus, но форма и размеры эмбриона примерно одинаковы и у саламандры, и у рыбы, и у курицы и у человека (рис. 16-17). На более поздних стадиях эмбрионы будут значительно различаться по величине и форме, но на этой стадии хорошо видно, что план строения у них один и тот же. Детали будут добавляться позже по мере роста зародыша. А пока центральная нервная система представлена нервной трубкой с утолщенным концом, из которого впоследствии разовьется головной мозг;

кишечник и его производные заложены в виде энтодермальной трубки, сегментам туловища соответствуют сомиты. Некоторые типы соединительной ткани сердечно-сосудистой системы представлены более периферической несегментированной мезодермой, а эпидермальный слой кожи - эктодермой. В ходе последующего развития линейные размеры всех этих компонентов могут увеличиваться в 10, 100 и более раз, а суммарный объем и число клеток - в миллионы раз, но общий план строения тела остается прежним.

Заключение Яйца большинства видов животных представляют собой довольно крупные клетки, содержащие запасы питательных веществ и других клеточных компонентов, синтез которых регулируется материнским геномом. У амфибий первым и весьма важным движением после оплодотворения является поворот кортекса яйца по отношению к его внутреннему содержимому. Асимметрия, создаваемая этим поворотом, равно как и исходная асимметрия в распределении содержимого в яйце перед оплодотворением, определяет будущие передне-заднюю и дорсовентральную оси тела. В ходе последующих делений дробления яйцо делится на множество более мелких клеток, однако общий объем зародыша не увеличивается. Клетки наружных слоев эмбриона формируют между собой плотные контакты, изолируя внутреннее содержимое эмбриона от окружающей среды. Внутрь эмбриона проникает жидкость, в результате чего в нем формируется полость (бластоцель). Стенка такого зародыша называется бластодермой, а сам зародыш носит название бластулы.

В процессе гаструляции бластодерма на одном конце зародыша начинает втягиваться внутрь вследствие изменения формы ее клеток.

Полагают, что движущей силой последних этапов гаструляции является конвергентное расширение впячиваемого эпителия за счет изменения упаковки его клеток, что трансформирует эмбрион в трехслойную структуру с внутренней трубкой (энтодермой), наружным покровом (эктодермой) и промежуточным слоем клеток, который отделился от этой эктодермы (мезодермой). Из энтодермы в дальнейшем сформируется выстилка кишки и ее производных, из эктодермы - главным образом эпидермис и нервная система, а из мезодермы - большая часть мышц и соединительной ткани, сердечно-сосудистая система и мочеполовой тракт. В результате гаструляции сближаются и взаимодействуют между собой группы клеток, находившиеся ранее вдали друг от друга.

Например, дорсальная мезодерма вызывает утолщение эктодермы, теперь лежащей над нею;

данный участок сворачивается и отделяется, формируя нервную трубку и нервный гребень. Этот процесс, именуемый нейруляцией, также зависит от изменения формы эктодермальных клеток. В средней части дорсальной мезодермы расположен тяж специализированных клеток, именуемый хордой;

этот тяж образует центральную ось эмбриона. Удлиненные массы мезодермы, лежащие по бокам от хорды, фрагментируются и дают начало сомитам, из которых возникают позвонки и скелетная мускулатура.

16.2. Клеточная память и возникновение разнообразия клеток [14] Из оплодотворенного яйца может развиться самец или самка, морской еж, лягушка или человек. Результат развития определяется геномом: линейная последовательность А-, G-, С- и Т-нуклеотидов в ДНК организма должна направлять создание множества различающихся химически клеточных типов, которые организованы в пространстве определенным образом. Задача биологии развития состоит в объяснении этого процесса. Прежде всего необходимо ответить на вопрос, каким образом в эмбриогенезе возникают различия между исходно одинаковыми клетками. Для иллюстрации основных законов развития обратимся сначала к земноводным, а затем к млекопитающим.

16.2.1. В ходе развития геном сохраняет постоянство, но меняется экспрессия генов [15] Клетки различных типов отличаются друг от друга главным образом потому, что помимо многочисленных белков, необходимых всем им без исключения для поддержания жизнедеятельности, клетки каждого типа синтезируют свой собственный набор специализированных белков.

Например, в клетках эпидермиса синтезируется кератин, в эритроцитах - гемоглобин, в клетках кишечника - пищеварительные ферменты, в клетках хрусталика - кристаллины и т.д. Поскольку для клеток каждого типа характерны специфические наборы генных продуктов, может возникнуть вопрос: не объясняется ли это просто тем, что клетки обладают различными наборами генов? Клетки хрусталика, например, утратили гены кератина, гемоглобина и т.д., но сохранили гены кристаллитов;

или же в них за счет амплификации избирательно увеличилось число копий кристаллиновых генов. Однако целый ряд данных показывает, что это не так: клетки почти всех типов содержат одинаковый полный геном, имевшийся первоначально в оплодотворенном яйце. Причина различия в свойствах клеток заключена не в обладании разными наборами генов, а в их дифференциальной экспрессии. Иными словами, активность генов регулируется: они могут включаться и выключаться (см. гл. 10).

Наиболее убедительные данные о том, что, несмотря на видимые Рис. 16-18. Схема опыта, демонстрирующего, что ядро дифференцированной клетки кожи лягушки содержит весь необходимый генетический материал, обеспечивающий развитие нормального головастика. (J. В. Gurdon, Gene Expression During Cell Differentiation. Oxford, U.K, Oxford University Press, 1973;

с изменениями.) изменения в клетках при дифференцировке, собственно геном остается в них неизменным, были получены в опытах с пересадкой ядер в яйцеклетки амфибий (рис. 16-18). Как правило, размеры яйцеклеток амфибий позволяют с помощью стеклянной микропипетки инъецировать в них ядра, полученные из других клеток. Ядро самого яйца предварительно разрушают, облучая ультрафиолетом. Укол микропипеткой побуждает яйцеклетку к началу развития (см. разд. 15.4.3). Таким образом можно определить, содержит ли ядро дифференцированной соматической клетки полный геном, эквивалентный геному нормальных оплодотворенных яйцеклеток и способный обеспечить развитие. Ответ оказался утвердительным: при замене ядра яйцеклетки ядром кератиноцита из кожи взрослой лягушки или ядром эритроцита были получены нормальные плавающие головастики. Такие эксперименты имеют ряд ограничений: они успешны при использовании ядер лишь некоторых дифференцированных клеток и яйцеклеток определенных видов. Тем не менее результаты и других исследований позволяют прийти к заключению о том, что в процессе развития постоянство генома сохраняется.

Из этого правила известно несколько исключений. Например, у некоторых беспозвоночных в соматических (не половых) клетках часть хромосом, представленных в клетках зародышевой линии (предшественниках гамет), утрачивается уже на ранних стадиях развития. В ооцитах некоторых других животных (в том числе и у Xenopus laevis) происходит избирательная репликация генов рибосомной РНК, а у личинок не- которых насекомых имеет место неравная политенизация хромосом, в результате чего происходит усиленная амплификация каких-то одних определенных генов (см. разд. 9.2.6). Синтез антител и антиген - специфических рецепторов лимфоцитами у позвоночных включает сплайсинг фрагментов ДНК, расположенных в геноме этих специализированных клеток в разных местах. Сплайсинг происходит по мере дифференцировки данных клеток (см. гл. 18).

16.2.2 Различия между бластомерами часто являются следствием асимметрии, присущей яйцеклетке (за исключением млекопитающих) [16] При трансплантации ядра недифференцированной клетки в энуклеированную яйцеклетку Хепорus меняется характер экспрессии генов и такое ядро начинает походить на нормальное ядро яйцеклетки. Следовательно, поведение ядра может контролироваться цитоплазматическим окружением, в котором оно находится. Яйцеклетка Хепорus и многих других видов химически асимметрична, т. е. концентрация некоторых компонентов яйца различна в разных участках цитоплазмы. Вследствие этого с самого начала развития образующиеся эмбриональные клетки по некоторым свойствам отличаются друг от друга, поскольку их цитоплазма наследует неравное количество таких заранее синтезированных веществ.

У разных видов значение локализованных в яйце детерминантов варьирует. Например, яйцеклетки млекопитающих симметричны и поэтому все ранние бластомеры совершенно одинаковые. Вместе с тем хорошо известен феномен «мозаичных» яиц у моллюсков, асцидий, морских нематод (см.

разд. 13.5.17) и животных некоторых других групп. Такие яйца содержат определенный набор локализованных детерминантов. Плоскости первых делений дробления ориентированы в зависимости от расположения определенных веществ в яйце и поэтому каждый из бластомеров наследует предсказуемый набор молекул (рис. 16-19). После разделения ранних бластомеров, которые развиваются в этом случае вне связи между собой, большая часть таких изолированных бластомеров явится источником именно тех типов клеток, что и должны были образоваться из этих бластомеров в нормальном эмбрионе. Эта контролирующая функция содержимого яйцеклетки может быть продемонстрирована при искусственном изменении распределения веществ яйцеклетки по отношению к плоскостям делений дробления. Такие опыты можно поставить на яйцеклетках асцидий Styela (рис. 16-19), где различные участки цитоплазмы легко различимы, поскольку содержат разные пигменты. При нарушении распределения Рис. 16-19. Три последовательные стадии раннего развития асцидий Styela. Справа изображение ранней гаструлы (вид снизу), где можно видеть образующуюся полость кишки. Различные области цитоплазмы яйца пигментированы по-разному. Пигментация носит постоянный характер и связана с определенным типом делений дробления. Судьба каждого бластмера может быть представлена на основе того, какую часть цитоплазмы яйца унаследовали бластомеры (см. также рис. 16-29). (P. P. Grasse, Traite de Zoologie. Paris, Masson, 1966.) этих веществ в эмбрионе можно, исходя из типа наследованной каждым из бластомеров цитоплазмы, легко предсказать характер развития данного бластомера.

Исследование мозаичных яиц ставит интересный для клеточной биологии вопрос: каким образом столь точно коррелированы характер дробления и распределение химических веществ? Возможно, что и то, и другое определяется строением цитоскелета. Некоторые факты свидетельствуют в пользу того, что локализованные химические детерминанты соединены с цитоскелетом и именно цитоскелет контролирует прохождение плоскостей делений дробления (см. разд. 13.5.13).

16.2.3. Химические взаимодействия между бластомерами приводят к возникновению новых типов клеток, расположение которых более детализировано: индукция мезодермы у Xenopus [17] Яйцеклетка Xenopus представляет собой некое усреднение крайностей, примерами которых являются мозаичные яйца и яйца млекопитающих. Асимметричное расположение компонентов в цитоплазме яйцеклетки Xenopus обусловливает различия бластомеров анимального и вегетативного полюсов, что можно рассматривать в качестве характеристики начальных этапов пространственной организации эмбриона.

Создание всего набора типов клеток определяется взаимодействиями между бластомерами. Если ранние эмбрионы Xenopus поместить в среду, + лишенную ионов Са2+ или Mg2, то бластомеры теряют липкость и легко отделяются друг от друга, причем каждый отделившийся бластомер способен развиваться независимо;

в этой ситуации у некоторых бластомеров возникнут признаки, характерные для эктодермы, иные приобретут признаки энтодермы, но экспрессии генов актина (специфического для мышц), являющихся маркером мезодермальной дифференцировки, наблюдаться не будет. Обратный эксперимент подтверждает, что приобретение клетками мезодермальной природы определяется (по крайней мере частично) межклеточными взаимодействиями: при помещении клеток анимального полюса бластулы вблизи клеток вегетативного полюса первые переходят с эктодермального на мезодермальный путь развития (рис. 16-20). Переключение путей развития клеток под влиянием соседней группы Рис. 16-20. Индукция мезодермы у Xenopus. Клетки анимального полюса бластулы, которые в норме формируют только эктодерму, при помещении их в культуру вместе с клетками вегетативного полюса, принимают участие в формировании мезодермы. При нормальном развитии такие индукционные взаимодействия происходят на более ранней стадии;

к этому времени экваториальный участок бластулы уже приобретает способность формировать мезодерму в условиях изоляции в культуре.

Рис. 16-21. В результате серии индукционных взаимодействий из нескольких исходных может возникать множество различных типов клеток.

клеток называется индукцией;

в процессе нормального развития индукционные взаимодействия могут происходить как между клетками, исходно прилежащими друг к другу (индукция мезодермы), так и между клетками, сближающимися в результате морфогенетических движений, например при гаструляции. Взаимодействие нескольких типов клеток, реализуемое в результате серии последовательных индукций, позволяет создать множество разнообразных типов клеток (рис. 16-21).

При индукции мезодермы у Xenopus непосредственный контакт между клетками необязателен, они могут располагаться на некотором расстоянии друг от друга. Отсюда следует, что индуцирующим агентом является диффундирующее вещество. Оказалось, что вместо бластомеров вегетативного полушария можно использовать фактор роста фибробластов (ФРФ) (см. табл. 13-1), который индуцирует клетки из области анимального полюса к развитию по мезодермальному пути;

образование мезодермы можно также индуцировать трансформирующим фактором (2 (ТФ-2), одним из двух вариантов ТФ- (см. табл. 13-1). Действие ФРФ, как правило, вызывает развитие вентральных производных мезодермы (например, клеток крови), а ТФ-2 в основном индуцирует дорсальные производные (например, мышцы). Нормальные эмбрионы Xenopus содержат мРНК, кодирующую ФРФ. мРНК белка Vgl, обладающего частичной гомологией к ТФ-, не только присутствует в яйцеклетке, но, как было показано, локализована в области вегетативного полюса яйцеклетки и ранних эмбрионов (рис. 16-22). Эти наблюдения свидетельствуют о том, что ФРФ, ТФ-2 или родственные им молекулы, опосредуют индукцию мезодермы. Этот и другие примеры, число которых быстро увеличивается, позволяют прийти к выводу, что в регуляции путей развития важную роль играют несколько десятков белков, именуемых факторами роста, которые в организме взрослых животных регулируют клеточные деления и дифференцировку, а также восстановление тканей (см. гл. 17). Подобно нейромедиаторам в нервной системе, такие факторы, по-видимому, используются в разных обстоятельствах для передачи различных сигналов между клетками.

Рис. 16-22. Окрашенные точки указывают на расположение мРНК, кодирующей белок Vgl, в вегетативном полушарии яйцеклетки Xenopus на различных стадиях развития. Это было продемонстрировано методом гибридизации in situ. Белок Vgl частично гомологичен фактору роста ТФ- и может быть составным элементом сигнала, индуцирующего мезодерму, который создается клетками вегетативного полюса на ранней стадии развития эмбриона. Механизм, контролирующий изменение локализации Vgl-мРНК, не изучен.

16.2.4. Эмбрионы млекопитающих развиваются в матке, обеспечивающей их защиту [18] Развитие млекопитающих имеет ряд особенностей. Важнейшая из них состоит в том, что оно происходит в матке, которая защищает эмбрион и освобождает его от необходимости развиваться быстро. Кроме того, поскольку плацента обеспечивает эмбрион питательными веществами за счет материнского организма, яйцеклетке млекопитающих не нужны большие запасы этих веществ в виде желтка. В связи с этим диаметр яйца мыши составляет 80 мкм, и по объему оно примерно в 2000 раз меньше типичного яйца земноводных. Деления дробления происходят не быстрее делений обычных соматических клеток и транскрипция начинается уже на стадии 2-клеточного зародыша. Поздние стадии развития млекопитающих в основных чертах схожи с такими же стадиями развития других позвоночных, например Хепорus. Однако в ходе развития млекопитающих наблюдается большой «крюк», имеющий целью создание сложных структур, прежде всего амниона и плаценты, которые замыкаются вокруг собственно зародыша, защищают его и обеспечивают обмен метаболитами с материнским организмом. Эти структуры, как и остальные органы, образуются из оплодотворенного яйца, но их называют внезародышевыми, так как при рождении они отбрасываются и не участвуют в построении взрослого организма.

Этапы раннего развития мыши изображены на рис. 16-23. Вначале яйцо покрыто прозрачной оболочкой - zona pellucida.

Оплодотворенное яйцо дробится внутри этой оболочки и из него образуется морула, представляющая собой группу клеток, по форме напоминающую ягоду малины (рис. 16-23). При переходе от 8-клеточной к 16-клеточной стадии поверхность морулы становится более гладкой, а форма более округлой, так как в результате изменения взаимной адгезивности клеток они укладываются более компактно (рис. 16-24). Между клетками наружного слоя образуются плотные контакты, и таким образом внутренние участки морулы изолируются от внешней среды. Затем внутренние межклеточные пространства расширяются и возникает бластоцель - полость, заполненная жидкостью. Морула превращается в бластоцисту. Клетки, окружающие бластоцель, образуют на этой стадии сферический Рис. 16-23. Ранние стадии развития мыши. (Фотографии с любезного разрешения Patricia Calarco, из G. Martin, Science, 209, 768-776, 1980.Copyright 1980, American Association for the Advancement of Science.) Рис. 16-24. Мышиный эмбрион на ранних стадиях развития. Микрофотографии получены с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Zona pellucida удалена. А. Стадия двух клеток. Б. Стадия четырех клеток (наряду с четырьмя бластомерами видно полярное тельце, см. разд. 15.3.3).

В. Стадия морулы - 8 — 16 клеток;

происходит компактизация зародыша. Г. Бластоциста. (С любезного разрешения Patrica Calarco;

Г - из Р. Calarco, С. J. Epstein. Dev. Biol., 32, 208-213, 1973.) пузырек, на одном из полюсов которого имеется более массивное скопление клеток. Наружный слой клеток называют трофэктодермой, а скопление клеток внутри трофэктодермы на одном из полюсов бластоцисты - внутренней клеточной массой (рис. 16-23).

Собственно зародыш формируется только из внутренней клеточной массы. Трофэктодерма служит предшественником плаценты и образуется ранее других внезародышевых структур. После исчезновения zona pellucida клетки трофэктодермы вступают в контакт со стенкой матки, в которую имплантируется эмбрион. Тем временем внутренняя клеточная масса растет и начинает дифференцироваться: часть ее также образует внезародышевые структуры, например желточный мешок, а из другой части формируется собственно зародыш. Здесь, подобно соответствующим этапам развития других видов позвоночных, также происходят процессы гаструляции, нейруляции и т.д., хотя в ряде случаев эта гомология внешне далеко не столь очевидна из-за особенностей геометрии зародышей млекопитающих.

16.2.5. Дифференцировка клеток раннего эмбриона млекопитающих зависит от межклеточных взаимодействий [19, 20] Ранний зародыш млекопитающих вплоть до 8-клеточной стадии обладает поразительной способностью к регуляции развития и каждая из его клеток может образовать в дальнейшем любую из частей более позднего зародыша или даже взрослого организма. Примером тому может служить образование идентичных близнецов из одной оплодотворенной яйцеклетки. В данном случае возникают два вполне нормальных индивидуума, каждый из которых сформирован из части нормального зародыша. Если, например, одну из клеток 2-клеточного эмбриона мыши разрушить иглой, а оставшийся неполный эмбрион имплантировать в матку для дальнейшего развития, то в большом числе случаев на свет появится вполне нормальная мышь.

Вместе с тем можно объединить два восьмиклеточных эмбриона мыши в одну гигантскую морулу, которая в результате развития образует мышь нормального размера (рис. 16-25). Животных, возникающих вследствие развития агрегатов генетически различных клеток, называют химерами. Химер можно получать также в результате инъекции клеток ранних эмбрионов в бластоцисты иного генотипа. Введенные чужеродные клетки включаются в состав внутренней клеточной массы эмбриона реципиента и в результате образуется химерное животное. Химер можно получить даже после инъекции одной клетки;

это позволяет выяснить, насколько та или иная клетка сохраняет потенции к развитию. Из результатов подобных экспериментов следует важный вывод: клетки очень ранних эмбрионов млекопитающих (вплоть до 8-клеточной стадии) идентичны и обладают неограниченными потенциями, т. е. они тотипотентны.

Клетки становятся различными вследствие их взаимодействия друг с другом. У эмбриона мыши первые различия между клетками внутренней клеточной массы и трофэктодермы обусловливаются расположением межклеточных контактов. На 8 клеточной стадии все бластомеры занимают примерно одинаковое положение, их внутренняя поверхность контактирует с другими бластомерами, а внешняя поверхность обращена наружу. Каждый из бластомеров обладает полярностью, характеризуемой присутствием микроворсинок на наружной поверхности и асимметричным расположением внутриклеточных компонентов. Результаты экспериментов на бластомерах in vitro показывают, что такая полярность определяется характером межклеточных контактов:

сборка микроворсинок и ассоциированных с ними компонентов осуществляется при условии, что этот участок поверхности не имеет контакта с другими бластомерами.

Плоскость следующего деления ориентирована так. чтобы использовать эту асимметрию для создания двух различных потомков, один из которых (клетка внутренней клеточной массы) обращен внутрь и лишен компонентов, ассоциированных с микроворсинками, а другой (клетка трофэктодермы) обращен наружу и наследует эти компоненты. Таким образом, расположение межклеточных контактов, вероятно, контролирует возникновение первых различий между клетками (рис. 16-26).

16.2.6. Поведение клеток тератокарциномы демонстрирует значение сигналов окружающей среды [21] В раннем развитии млекопитающих судьба каждой из клеток зависит от взаимодействия с соседями, и такой зародыш можно отнести по характеру развития к регуляционным системам. Эксперименты на мышах, описанные ранее, являются хорошим примером этому:

клетки Рис. 16-25. Метод получения химерных мышей путем объединения двух морул с разными генотипами.

Рис. 16-26. А. Поляризация бластомеров мыши на стадии 8-клеточно-го зародыша приводит к тому, что на стадии 16 клеток наружные и внутренние клетки различаются по химическим свойствам. Б. Два бластомера из эмбриона мыши в конце 8-клеточной стадии, меченные флуоресцирующими антителами против клатрина (слева), или флуоресцирующим конканавалином А (справа). На рисунке видно, что имеет место поляризация внутренних компонентов клетки, а также свойств клеточной поверхности. (Б-из В. Maro, M.H. Johnson, S. J. Pickering, D. Louvard, J.

Embryol. Exp. Morphol., 90, 287-309, 1985.) половинных или удвоенных химерных эмбрионов подстраивают свое поведение так, чтобы в результате развития возникло животное, не отличающееся от нормы ни по размерам, ни по строению. Однако в сильно отклоняющихся от нормы условиях развития эмбриональные клетки выходят из-под контроля. Отсюда следует несколько важных выводов.

При трансплантации нормальных ранних эмбрионов в почки или семенники взрослых животных происходит дезорганизация эмбрионов и нарушается нормальный контроль клеточной пролиферации. В результате аномального роста возникает тератома - дезорганизованная масса клеток, содержащая многие дифференцированные ткани (кожу, кости, железистый эпителий и т. д.) вперемешку с недифференцированными стволовыми клетками, которые продолжают делиться и создавать эти дифференцированные ткани. Тератома может возникать и спонтанно в результате случайного нарушения развития. В нормальных условиях дробление и эмбриогенез начинаются только после того, как произойдет оплодотворение яйцеклетки спермием. Это событие служит сигналом к развитию. Но в некоторых случаях ооцит приступает к развитию спонтанно.

Такое спонтанное (без оплодотворения) развитие носит название партеногенетического (см. разд. 15.4.3). Если это происходит до высвобождения ооцита из яичника, то до стадии бластоцисты эмбрион развивается практически нормально, но затем возникает тератома. Тератома может возникать и у самцов из первичных половых клеток в семенниках;

у грызунов образование тератомы можно спровоцировать искусственно путем пересадки взрослому животному развивающихся семенников эмбриона, содержащих первичные половые клетки.

Во всех этих случаях возникают весьма сходные тератомы и все они могут быть использованы для получения перевиваемых злокачественных опухолей тератокарцином. Тератокарцинома способна расти до тех пор, пока не вызовет гибели хозяина. Трансплантируя раковые клетки от одной особи к другой, тератокарциному можно поддерживать неопределенно долго. Тератокарцинома содержит часть недифференцированных стволовых клеток и часть дифференцированных клеток, образующихся из стволовых. Стволовые клетки тератокарциномы можно культивировать in vitro в виде постоянных клеточных линий. В подходящей среде они продолжают пролиферировать без дифференцировки неопределенно долго. Но если среду изменить, добавив индуктор дифференцировки, например ретиноевую кислоту, или создать условия, в которых клетки агрегируют, то стволовые клетки получают импульс к дифференцировке и образуют множество нормальных специализированных типов клеток.

Можно думать, что любопытные свойства стволовых клеток тератокарциномы, как и в случае других видов опухолей, являются следствием мутации генов, ответственных за нормальный контроль поведения клеток (см. разд.

21.1.2). Однако дальнейшие наблюдения показали, что это не так. Оказалось, что очень похожие клетки можно получить, поместив клетки внутренней клеточной массы в культуральную среду и как только они начнут делиться, создать условия для их разобщения. Некоторые диспергированные клетки продолжают делиться неопределенно долго без изменения своих свойств;

их можно использовать для создания постоянных клонов, обладающих многими свойствами нормальных клеток внутренней клеточной массы. Эти клеточные линии почти неотличимы от линий клеток, полученных из тератокарциномы, но их можно получать из нормальных эмбрионов со столь высокой частотой, которая опровергает предположение об их мутационной природе. Вероятно, разобщение клеток и лишение их нормального окружения мешает восприятию сигналов, ограничивающих их пролиферацию в норме и содействующих последовательной дифференцировке.

Более того, аномальное поведение таких стволовых клеток (независимо от того были ли они получены из тератокарциномы или как культура нормальных эмбриональных клеток) может измениться при их помещении в нормальное окружение. Для этого клетки следует инъецировать в полость нормальной бластоцисты (рис. 16-27). Инъецированные клетки включаются во внутреннюю клеточную массу нормальной бластоцисты и участвуют в образовании внешне нормальной химерной мыши: потомки инъецированных эмбриональных стволовых клеток могут быть обнаружены практически во всех тканях этого животного, где они дифференцируются в строгом соответствии с местоположением и даже способны принимать участие в формировании жизнеспособных половых клеток. Эти эксперименты убедительно свидетельствуют о том. что сигналы, воспринимаемые ранними эмбриональными клетками от соседних бластомеров, играют исключительную роль в определении их дальнейшей судьбы.

16.2.7. Поведение клеток многоклеточных животных определяется не только геномом и окружающей средой, но и их предысторией В процессе развития организма определенные группы клеток должны не только приобрести некоторые характерные признаки, отличающие их друг от друга, но, кроме того, они должны сохранить приобретенные ими различия и после исчезновения внешних сигналов, инициировавших такие изменения, а также передать свои особенности клеткам-потомкам. Так, при делении пигментной клетки должны возникать пигментные клетки, при делении клетки печени ее потомки Рис. 16-27. Эксперимент, который, показывает, что в должны оставаться клетками печени и т. д. Отличительные черты клеток возникают результате объединения клеток тератокарцином с вследствие восприятия ими различных воздействий, которым они подверглись в клетками нормальной бластоцисты может получиться период эмбриогенеза;

сохранение этих различий обусловлено способностью клеток здоровая химерная мышь.

каким-то образом закреплять влияние этих прошлых воздействий и передавать их своим потомкам. Даже самые примитивные бактерии в ответ на изменение окружающей среды способны к быстрому изменению своей химической активности.

Но клетки высших животных устроены значительно сложнее;

их поведение определяется не только геномом и нынешним окружением, но также их прошлой историей.

16.2.8. Будущая специализация клеток определяется задолго до появления внешних признаков дифференцировки [14, 22] Наиболее известное доказательство существования клеточной памятистойкое сохранение дифференцированного состояния клеток во взрослом организме (см. разд. 13.4.1). Благодаря клеточной памяти стимул, направивший клетку на тот или иной путь дифференцировки, может оказывать свое действие на ее потомков. Некоторые клетки сомитов позвоночных специализируются как предшественники мышечных клеток на очень ранних стадиях развития и мигрируют из сомитов в различные части тела, в том числе в области формирования конечностей;

все это сложное поведение определяется серией решений, принятых клетками значительно раньше, а именно до и во время гаструляции (см. разд. 16.6.5). Эти клетки-предшественники еще не содержат большого количества сократительных белков, характерных для зрелых мышечных волокон;

они даже внешне не отличаются от других клеток зачатка конечности, имеющих иное происхождение. Только через несколько дней они приобретают внешние признаки, характерные для дифференцированных мышечных клеток и начинают интенсивно синтезировать специфические для этих клеток белки. Остальные клетки будущей конечности, расположенные здесь же, дифференцируются в элементы соединительной ткани.

Следовательно, выбор программы развития (т.е. станет ли клетка мышечной или клеткой соединительной ткани) происходит задолго до того, как проявляются внешние признаки дифференцировки. Вероятно, эта программа записана в клетках в виде трудно уловимых химических модификаций (в данном случае, по-видимому, происходит активация первичного специфического для мышиных клеток регуляторного гена - см. разд. 10.1.8).

Детерминированными называют клетки, которые выбрали программу развития. В эмбриологии «детерминация»-настолько важное и тонкое понятие, что мы должны дать ему более строгое определение. Клетку считают детерминированной, если в ней произошло стойкое внутреннее изменение, которое делает ее и ее потомков отличными от других клеток эмбриона и предопределяет развитие по специализированному пути.

Рассмотрим некоторые пункты этого определения.

1. Изменение должно сделать клетку и ее потомков отличными от других клеток и направить эти клетки по определенному пути развития: клетка не считается детерминированной только потому, что обгоняет другие клетки в процессе своего созревания. Детерминация включает выбор определенного пути развития.

2. Изменения, происходящие в дифференцирующихся клетках, должны быть самоподдерживающимися. Детерминация подразумевает установление различий, наследуемых в ряду поколений клеток. Клетка не считается детерминированной только на том основании, что она занимает определенное положение в теле животного. Чтобы быть таковой, она должна сохранить свои характерные особенности при исчезновении внешних сигналов, вызвавших появление этих особенностей.

Детерминация иногда определяется, как необратимое изменение. Но поскольку мы не в состоянии проверить поведение клетки во всех возможных условиях окружающей среды, нельзя полностью исключить обратимость такого изменения;

более того, в некоторых случаях клеточная память может быть нарушена, и тогда детерминированное состояние станет обратимым. Поэтому мы стремимся избегать крайних выражений и говорим о детерминации, как о самоподдерживающемся изменении свойств клеток.

Термин дифференцировка используется обычно для определения явно выраженной специализации, т.е. для определения клеточных свойств, которые ярко выражены. Обычно клетка становится детерминированной до дифференцировки, хотя в некоторых случаях оба процесса осуществляются одновременно. Однако в принципе дифференцировка может осуществляться без детерминации, если явная специализация клетки носит обратимый характер.

16.2.9. Время детерминации клеток можно определять в экспериментах с пересадками [23] Для доказательства того, что клетка или группа клеток детерминированы, следует выделить у них определенный признак, сохраняющийся даже при экспериментальном изменении условий, в которых он возник. В этом случае обычно используют трансплантацию клетки или клеток, перенося их в необычные условия.

Простейший эксперимент такого рода был проведен на эмбрионах амфибий. Ранее мы уже упоминали, что можно построить карту презумптивных зачатков бластулы или гаструлы, содержащую подробные указания о том, какие органы взрослого организма разовьются из тех или иных областей зародыша. Легко проследить, что при нормальном ходе развития клетки одной области дадут начало эпидермису, а клетки другой - мозгу. Для получения ответа на наш вопрос необходимо поменять местами два кусочка эмбриональной ткани, вырезанные из разных областей, например так, чтобы часть будущего (презумптивного) эпидермиса оказалась на месте будущего мозга и наоборот. Если в момент трансплантации клетки уже детерминированы, то они будут развиваться автономно в соответствии со своим прежним положением, т.е. клетки из области презумптивного эпидермиса, будучи перенесены в область, из которой должен образоваться мозг, образуют эпидермис, а клетки из области будущего мозга после трансплантации в область, дающую начало эпидермису, образуют нервную ткань. Заметим, однако, что на стадии ранней гаструлы клетки еще «не помнят» своего происхождения и дифференцируются в соответствии со своим новым положением. Но если провести такой же эксперимент несколько позже (например, на стадии поздней гаструлы), то клетки презумптивного мозга в области эпидермиса будут дифференцироваться в нервную ткань, а клетки презумптивного эпидермиса, пересаженные в область будущего мозга, - в эпидермис.

Следовательно, обе группы клеток стали детерминированными в какой-то момент между ранней и поздней гаструлой.

16.2.10. Состояние детерминации может определяться цитоплазмой или хромосомами [24, 25] Клеточная память представляет собой одну из наиболее интригующих проблем молекулярной биологии: от чего зависит самоподдерживание определенного характера экспрессии генов? Подробное обсуждение этого вопроса с биохимической точки зрения вы найдете в гл. 10. Здесь же для дальнейшего обсуждения полезно разделить молекулярные механизмы на два класса, которые можно обозначить как цитоплазматические и ядерные.

Когда мы говорим о цитоплазматической памяти, мы подразумеваем, что компоненты, кодируемые определенным набором генов, присутствуют в цитоплазме (либо во внеклеточном окружении) и оказывают прямое или косвенное действие на геном по принципу обратной связи, поддерживая избирательную экспрессию определенного набора генов;

в цитоплазме клеток разных типов содержатся различные контролирующие факторы. Таким образом, при получении ядра из дифференцированных клеток одного типа и инъекции этого ядра в цитоплазму клеток другого типа характер экспрессии генов должен измениться с тем, чтобы соответствовать цитоплазме хозяина. В экспериментах по ядерным пересадкам на яйцеклетках амфибий (см. разд. 16.2.1), равно как и в других экспериментах по искусственному слиянию клеток, были получены данные, свидетельствующие о том, что именно так все и происходит. Это позволяет говорить о важной роли механизмов, обеспечивающих цитоплазматическую память.

Вместе с тем ядерная память, известная также как геномный импринтинг, определяется самоподдерживающимися изменениями, которые обусловлены изменениями свойств хромосом. В ходе этих изменений последовательность нуклеотидов в ДНК остается постоянной, но происходит выбор генов, которые будут экспрессироваться. Наиболее хорошо изучены примеры ядерной памяти, связанные с метилированием ДНК: как объясняется в разд. 10.3.16, существующий характер метилирования цитозинов в ДНК может сохраняться в ряду клеточных поколений и это свойство определяется действием фермента метилазы.

Эмбриональное развитие является как бы экспериментом природы, поставленным ею для изучения ядерной памяти. Спермий и неоплодотворенная яйцеклетка существенно различаются по состоянию клеточной дифференцировки, и тем не менее они содержат практически идентичный набор генов и после оплодотворения их хромосомы объединяются в одной клетке. Сохраняются ли функциональные различия хромосом, происходящих из спермия и яйцеклетки, после их объединения в зиготе? В исследованиях на мышах на этот вопрос был получен положительный ответ.

16.2.11. Наборы хромосом, происходящие из спермия и яйца, несут отпечаток своей истории [25] Как уже упоминалось, неоплодотворенное яйцо можно стимулировать к дроблению без помощи спермия: независимо от того, происходит активация спонтанно или вызвана искусственно, ее результатом является партеногенетический эмбрион (см. разд. 16.2.6). У животных определенных видов, в том числе и позвоночных (например, у некоторых ящериц), такой эмбрион способен развиться в нормальное здоровое взрослое животное. У млекопитающих партеногенетические эмбрионы погибают на ранних стадиях развития;

у этих животных до сих пор неизвестны случаи развития без оплодотворения, несмотря на большой интерес к данной проблеме и многочисленные попытки экспериментаторов.

Причина этих неудач была выявлена в экспериментах на яйцеклетке мыши.

Известно, что оплодотворенное яйцо (зигота) содержит два пронуклеуса, один из которых получен от отца, а второй - от матери.

Используя микропипетку, можно извлечь один из пронуклеусов и заменить его пронуклеусом другого яйца (рис. 16-28). Таким образом мы создаем зиготу, содержащую либо два материнских, либо два отцовских пронуклеуса. В любом случае геном будет одним и тем же (если принять, что отцовский пронуклеус содержал не Y-, а Х-хромосому). Оказалось, что зигота с двумя отцовскими пронуклеусами образует эмбрион, у которого нет структур, развивающихся в норме из внутренней клеточной массы, а зигота с двумя материнскими пронуклеусами образует эмбрион, не содержащий структур, возникающих из трофэктодермы. Так как оба типа зигот обладают одинаковой цитоплазмой, эти эксперименты убедительно свидетельствуют о том, что ядерная Рис. 16-28. Метод трансплантации пронуклеусов позволяет получать яйцеклетки, оба пронуклеуса которых принадлежат самцу (или самке).

Слияние мембран происходит в результате воздействия частично инактивированного вируса Сендай, инъецированного на третьем этапе одновременно с трансплантацией пронуклеуса.

память обусловливает экспрессию различных наборов генов в материнских и отцовских хромосомах;

иными словами, одни гены экспрессируются только тогда, когда они наследуются от отца, а другие - когда наследуются от матери.

Наблюдения на трансгенных мышах показали, что в основе явления геномного импринтинга лежит метилирование ДНК. Например, можно скрестить трансгенных мышей, несущих последовательности чужеродной ДНК, и получить потомство, наследующее внедрившуюся чужеродную последовательность только от отца или только от матери. У таких мышей интегрированные последовательности могут метилироваться по-разному в зависимости от происхождения из спермия или яйцеклетки. Характер метилирования сохраняется в соматических тканях в течение всей жизни взрослого животного, но может измениться в процессе формирования клетками зародышевой линии следующего поколения гамет.

Характер экспрессии одного из генов, о котором известно, что он ведет себя подобным образом, определяется метилированием;

если ген наследуется от матери, он метилирован и не экспрессируется у данного животного, тогда как тот же ген, унаследованный от отца, не метилирован и экспрессируется.

Заключение В процессе развития из оплодотворенной яйцеклетки возникает множество клеток различных типов. За редким исключением геномы дифференцированных клеток сохраняются в неизменном состоянии, изменяется лишь характер экспрессии генов. Различия, возникающие между клетками, могут быть следствием неравного распределения цитоплазматических детерминантов в яйцеклетке до начала деления или следствием последовательного изменения клеточного окружения в эмбрионе. Например, у Xenopus бластомеры анимального и вегетативного полушарий наследуют различные цитоплазматические детерминанты. Бластомеры вегетативного полушария индуцируют анимальные бластомеры к развитию по мезодермальному пути;

в отсутствие такого воздействия анимальные бластомеры дают начало эктодерме. Индукция опосредуется сигнальными молекулами (ФРФ и ТФ-2 или их аналогами), которые в организме взрослых животных участвуют в регуляции роста и дифференцировки клеток.

Яйцеклетки млекопитающих обладают уникальными свойствами, являясь, по сути дела, симметричными. Благодаря этому свойству все бластомеры млекопитающих исходно не отличаются друг от друга;

различия возникают как следствие межклеточных взаимодействий. По этой же причине клетки двух различных эмбрионов, объединенные в одно целое, способны скорректировать программу развития и сформировать химерную мышь. В отсутствие нормального влияния соседних клеток бластомеры раннего зародыша мыши могут, развиваться аномально, образуя тератокарциномы, используемые для получения эмбриональных стволовых клеток. При имплантации нормальным ранним эмбрионам такие клетки восстанавливают нормальное поведение, их потомки дифференцируются в зависимости от окружения и способны участвовать в формировании нормального эмбриона.

В процессе развития эмбриональные клетки приобретают определенные различия, которые они должны сохранить даже после исчезновения воздействия, вызвавшего такую диверсификацию клеток. Для этого необходимо, чтобы клетки обладали памятью, обеспечивающей детерминацию клеток в направлении определенной специализации задолго до проявления внешних признаков дифференцировки. Механизмы клеточной памяти могут быть либо цитоплазматическими, определяемыми как воздействие молекул цитоплазмы на ядро с целью поддержания собственного синтеза, либо ядерными, основанными на модификации хроматина, например метилировании ДНК.

16.3. Программы развития индивидуальных клеток: анализ генеалогии клеток на примере нематод [26] Клетки, обладая памятью подобно компьютерам, способны реализовать сложные программы развития;

в результате реализации таких программ из множества клеток, каждая из которых действует по своей собственной программе, контролируемой в процессе развития, возникает сложное тело взрослого животного. Некоторые типы поведения клеток в процессе развития достаточно автономны, а другие определяются сигналами, идущими от окружающих клеток. Таким образом, клетки эмбриона можно уподобить сети компьютеров, действующих параллельно и обменивающихся информацией. Каждая клетка обладает одинаковым геномом, т.е. содержит одну и ту же программу, но эта программа может существовать во множестве вариантов, направляющих развитие по разным путям в зависимости от сигналов, воспринимаемых клеткой из окружающей среды.

Клеточная память играет чрезвычайно важную роль, и именно по этой причине поведение клеток в определенное время зависит от того выбора, что был сделан ее предками в предыдущих циклах деления. Таким образом, для полного понимания всей программы развития необходимо знать, как осуществлялись клеточные деления, т.е. необходимо знать генеалогию индивидуальных клеток эмбриона. В этом и состоит сущность генеалогического анализа, проведение которого, особенно на примере крупных и сложно организованных животных (например, позвоночных), представляет собой довольно трудную задачу. Если на ранних стадиях развития специфически пометить отдельные клетки, то на более поздних стадиях можно идентифицировать сами клетки или их потомки. Один из способов мечения заключается в микроинъекции специфических молекул, за которыми легко следить (например, флуоресцирующие красители или фермент пероксидазу хрена;

см. разд.. 19.1.5), в клетки ранних эмбрионов (рис. 16-29). Кроме того, отдельные клетки эмбриона можно пометить генетически, например, создавая условия для их инфекции специально выбранным ретро-вирусом (см. разд. 17.5.4) или подвергая эмбрионы действию ионизирующего излучения, вызывающего случайные соматические мутации (см. разд. 16.5.13). Эти методы генеалогического анализа весьма трудоемки и каждый из экспериментов дает лишь небольшую информацию Рис. 16-29. Прослеживание клеточной родословной у асцидии Halocynthia roretzi. А. Эмбрион на стадии 64 клеток. На этой стадии в один из бластомеров инъецируют в качестве метки пероксидазу хрена. В результате становится возможным идентифицировать потомки этого бластомера, подобно тому, как это сделано на рисунке под фотографией. Б. Личинки, развивающиеся из 6 таких эмбрионов, были подвергнуты специальной обработке для выявления фермента (показано черным цветом) в клетках - потомках инъецированных бластомеров. У двух личинок, изображенных слева (вверху и внизу), предковым бластомером, в который вводилась метка, был верхний из показанных красным цветом на рис. А, у двух личинок, изображенных посередине, нижний из этих бластомеров;

для двух личинок, изображенных справа, предковый бластомер на рис. А не виден. У данного вида в процессе развития из одних и тех же бластомеров всегда возникают определенные части зародыша (см. фотографии). (Н. Nishida, Dev. Biol., 121, 526-541, 1987.) о потомках эмбриональных клеток. Ситуация осложняется еще и тем, что у позвоночных и многих других организмов наследственность подвержена случайной изменчивости даже у генетически идентичных животных.

Однако у представителей некоторых низших типов, в том числе у моллюсков, кольчатых и круглых червей, деление и перемещение клеток в высшей степени упорядочены и у всех особей осуществляются одинаково. Столь полная воспроизводимость результатов была использована при изучении крошечной прозрачной нематоды Caenorhabditis elegans. Это животное характеризуется простым и практически неизменным строением, и его развитие можно проследить клетка за клеткой на всем пути от яйца до взрослого организма. Здесь можно вычертить полную генеалогию каждой клетки. На этом фоне удается очень точно отметить эффекты мутаций и иных экспериментальных воздействий. Такой метод позволяет связать определенные гены с конкретными этапами в реализации программ, контролирующих развитие клеток. Однако мы увидим, что изучение внутренней логики программы отнюдь не простая задача, даже в таких благоприятных условиях;

ее сложность во многом обусловлена наличием межклеточных взаимодействий. Мы закончим этот раздел примером, иллюстрирующим применение экспериментов в культуре для непосредственного анализа небольших фрагментов программы, контролирующей развитие отдельных клеток млекопитающих.

16.3.1. В анатомическом и генетическом отношениях нематода Caenorhabditis elegans устроена очень просто [27] Длина взрослой особи С. elegans около 1 мм. Тело червя состоит приблизительно из 1000 соматических клеток и 1000-2000 половых клеток (рис. 16-30). С помощью электронной микроскопии серийных срезов удалось полностью, клетка за клеткой, реконструировать анатомию животного. Общий план строения этого примитивного червя в основных чертах такой же, как и у большинства высших животных. Удлиненное тело обладает билатеральной симметрией и состоит из обычных тканей (нервы, мышцы, кишечник, кожа), организованных обычным способом (рот и мозг на переднем конце тела, анальное отверстие на заднем). Наружная стенка тела состоит из двух слоев - защитной гиподермы («кожи») и подстилающего ее мышечного слоя. Простая трубка, образованная клетками энтодермы, формирует кишечник. Между кишечником и стенкой тела расположена вторая трубка (гонада), построенная из соматических клеток и содержащая половые клетки. Взрослые особи С. elegans представлены двумя формами - гер- Рис. 16-30. Взрослая гермафродитная особь Caenorhabditis elegans (вид сбоку). (J. Е. Sulston, H. R. Horvitz, Dev. Biol., 56, 110-156, 1977.) мафродитами и самцами. Для простоты гермафродитов можно рассматривать как самок, образующих ограниченное количество спермы: самка может воспроизводиться либо путем самооплодотворения своей собственной спермой, либо путем перекрестного оплодотворения гермафродита самцом при спаривании. При самооплодотворении в основном возникают гомозиготные потомки, что превращает С. elegans в исключительно удачный объект для проведения генетических исследований.

Сравнительной простоте анатомии С. elegans соответствует такая же простота генетического аппарата. В 6 парах гомологичных хромосом содержится, по-видимому, всего лишь около 3000 жизненно важных генов. Гаплоидный геном содержит 80 х 106 пар нуклеотидов, что примерно в 17 раз больше, чем у Е. coli и в 38 раз меньше, чем у человека. В настоящее время с помощью мутационного анализа идентифицировано примерно 800 генов. Среди них гены, влияющие на такие признаки, как форма и поведение червей, гены, кодирующие такие известные белки, как миозин, и гены, контролирующие характер и направление развития. Кроме того, получена библиотека генома в виде большого набора перекрывающихся фрагментов ДНК (см. разд. 5.6.3).

16.3.2. Для развития нематод характерно удивительное постоянство [28] Развитие С. elegans начинается с одной клетки - оплодотворенного яйца, которое последовательно делится;

на стадии 558 клеток под яйцевой оболочкой формируется маленький червячок. После вылупления клеточные деления продолжаются, что приводит к дальнейшему росту и половому созреванию червя, который проходит 4 последовательные личиночные стадии, разделенные линьками. В результате последней линьки образуется взрослая особь - червь-гермафродит, начинающий откладывать собственные яйца. Полный цикл развития от яйца до яйца занимает около 3 суток.

Тело червя прозрачно, поэтому здесь можно прижизненно наблюдать деление, миграцию и дифференцировку клеток (рис. 16-31), а также описать генеалогические отношения и поведение всех клеток, начиная со стадии одноклеточного яйца и кончая взрослым животным. Эти исследования показали, что соматические структуры животного образуются по одной неизменной генеалогической схеме. Каждое из множества клеточных делений происходит в строго определенное время. Это означает, что каждая клетка-предшественница и все ее потомки делятся у всех особей одинаково (за несколькими исключениями). Вот почему, Рис. 16-31. Участок средневентральной области живой личинки С. elegans, сфотографированный последовательно четыре раза с интервалом в несколько минут. Видна делящаяся клетка гиподермы. (С любезного разрешения John Sulston, Judith Kimble.) зная положение данной клетки на родословном древе, можно предсказать ее судьбу (рис. 16-32). В отличие от этого, деление клеток зародышевой линии не запрограммировано столь жестко: после вылупления червя из яйца две клетки-предшественницы первичных половых клеток претерпевают несколько делений, давая начало большому числу потомков, судьба которых определяется положением, занимаемым ими в гонаде.

Полное описание генеалогии С. elegans приближает нас к ответу на фундаментальный вопрос. Нематоды, как и большинство животных, состоят из относительно большого числа клеток, которые можно отнести всего лишь к нескольким типам. Зная, что клетки имеют разное происхождение, легко поддаться соблазну и объяснять различия между ними происхождением от разных клонов;

иными словами, все клетки данного типа могут быть потомками одной клетки - «основательницы» и предназначаться для развития по определенному пути. Однако генеалогический анализ показывает, что хотя на ранних стадиях развития отдельные клетки детерминируются в качестве предшественников определенного типа клеток, тем не менее это правило в общем не соблюдается ни для нематод, ни для других животных. Таким образом, у С.

elegans (кроме клеток кишечника и половых клеток) клетки каждого из дифференцированных типов, например клетки гиподермы, нервные, мышечные и клетки гонад, происходят не от одной, а от нескольких клеток-«основательниц», которые возникли в независимых ветвях генеалогического древа (см. рис. 16-32). Следовательно, клетки, обладающие сходными признаками, не обязательно должны быть близкородственными. Напротив (хотя и редко), близкородственными могут оказаться клетки, различающиеся по множеству признаков;

так, у С, elegans некоторые нейроны являются сестринскими по отношению к мышечным клеткам.

Следовательно, наша задача состоит в том, чтобы понять внутренние правила, действующие в каждой из ветвей генеалогического древа, в соответствии с которыми возникает серия клеточных типов, представленных определенным числом клеток.

16.3.3. Гены, контролирующие развитие, детализируют программу, управляющую клеточной генеалогией нематод [29] В процессе развития клетка, подобно компьютеру, совершает выбор различных возможностей: делиться или не делиться, превратиться Рис. 16-32. Родословная клеток, формирующих кишечник С. elegans. Яйцо (вверху) изображено в том же масштабе, что и взрослая особь (внизу).

Следует отметить, что клетки кишечника образуют только один клон (как и клетки зародышевой линии), тогда как в большинстве других тканей клетки могут давать начало нескольким клонам.

в нейрон или в мышечную клетку, стать предшественницей той или этой ветви генеалогического древа. Чтобы понять механизм такого выбора необходимо идентифицировать соответствующие гены. Мутации в этих генах обусловливают нарушение развития, но это не единственный вид мутаций, приводящих к подобным последствиям. Так, некоторые мутации жизненно важных генов могут «укоротить» родословное древо, вызвав преждевременную гибель эмбриона. Мутации в генах, определяющих синтез специализированных белков, приводят к тому, что при внешне нормальном строении тела некоторые типы дифференцированных клеток будут функционировать аномально. В отличие от всех вышеперечисленных случаев мутации генов, затрагивающих выбор программ развития, приводят к нарушению общего плана строения тела: в результате нормальные дифференцированные клетки будут располагаться в организме аномально. Нарушение генеалогического древа может выражаться и в появлении аномального количества определенных клеток. Все перечисленные типы мутаций позволяют идентифицировать гены, контролирующие развитие (рис. 16-33).

Мутации некоторых контролирующих генов приводят к замене одного типа клеток другим на последних этапах реализации программы развития. В данных случаях происходит изменение выбора, сделанного на более ранних стадиях, так что одна ветвь древа полностью замещается другой. Как показано на рис. 16-34, определенный тип развития может воспроизводиться с высокой частотой на нескольких независимых ветвях родословного древа. Такой феномен предполагает существование некой стандартной схемы, реализуемой в различных условиях. В целом возникает ощущение, что каждая из ветвей генеалогического древа контролируется сложной комбинацией генов, Рис. 16-33. Простой фрагмент родословной клеток и некоторые типы вариаций, которые могут происходить вследствие мутаций генов, контролирующих развитие. Анализ мутантных фенотипов позволяет определить в чем состояла нормальная функция мутировавших генов.

Буквенные обозначения указывают внутреннее состояние клетки.

многие из которых задействованы и в контроле других ветвей.

Системным программистам хорошо известно, что даже небольшие изменения программы могут существенно повлиять на результаты ее реализации. Точно также мутация одного контролирующего гена приводит к грубому искажению родословного древа. Это положение хорошо иллюстрируется так называемыми гетерохронными мутациями, в результате которых некоторые наборы клеток ведут себя согласно правилам, действующим на ином этапе нормального развития. Например, дочерняя клетка может вести себя подобно материнской или еще более ранним предшественницам, а ее потомки воспроизводят свойственный им фенотип и т. д. Таким образом, фрагмент генеалогического древа воспроизводится несколько раз и развитие всего организма нарушается. Для объяснения этого феномена на рис. 16-35 представлены эффекты серии мутаций гена lin-14. Вместо того чтобы следовать нормальной схеме клеточной дифференцировки, характеризующей последовательную смену 1-го, 2-го, 3-го и 4-го личиночных возрастов с последующим торможением делений, многие клетки мутантов по lin-14 воспроизводят схему, характерную для 1-го личиночного возраста, проходя по 5-6 циклов линьки и продолжая производить кутикулу незрелого типа. Другие мутации этого гена имеют обратный эффект, вынуждая клетки достигать зрелого состояния преждевременно, что сопровождается утратой промежуточных стадий. В результате животное достигает дефинитивной стадии, обладая аномально малым количеством клеток. Такое преждевременное развитие реализуется у мутантов, характеризуемых дефицитом нормальной активности lin-14;

задержки развития наблюдаются у мутантов с аномально высоким уровнем активности данного гена. Таким образом, эффект продукта гена lin-14 состоит как бы в поддержании клеток в «молодом» состоянии и, по всей вероятности, нормальное развитие подразумевает постепенное ограничение синтеза этого продукта по мере взросления животных.

Рис. 16-34. Родословные схемы, показывающие, каким образом мутации генов, контролирующих развитие (в данном случае гена lin-22), могут приводить к одинаковым заменам одного варианта родословной на другой в нескольких различных ветвях родословного древа. Показаны линии потомков для каждой из 6 клеток-предшественниц гиподермы личинки С. elegans;

расположение этих клеток указано вверху на рисунке, изображающем молодую личинку. Крестиками отмечены случаи запрограммированной гибели клеток, что представляет собой довольно обычное явление при нормальном развитии С. elegans и других видов. (Y. R. Horvitz et al., Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol., 48, 453 463, 1983.) Рис. 16-35. Гетерохронные мутации гена lin-14 у С. elegans и их воздействие на одну из затрагиваемых ими родословных. Мутация с потерей функции (рецессивная) этого гена приводит к тому, что клетки начинают делиться и дифференцироваться так же, как у личинок на поздних стадиях развития;

мутации с восстановлением функции (доминантные) этого гена обладают обратным эффектом. Крестиками отмечены случаи запрограммированной гибели клеток. (V. Ambros, H. R. Horvitz, Science, 226, 409-416, 1984.) 16.3.4. Программа дифференцировки согласована с программой клеточных делений [30] Изучая гетерохронные мутации, исследователи столкнулись с еще одной сложной проблемой. Дело в том, что в процессе развития под контролем генома происходит уточнение программы деления клеток, а также программы клеточной дифференцировки и оба эти проявления клеточного поведения должны быть синхронизированы. У гетерохронных мутантов нарушено и деление, и дифференцировка. Это наводит на мысль о регуляции обоих процессов одним механизмом, поврежденным вследствие мутации.

Можно предположить, что роль такого механизма играет клеточный цикл. Однако факты не подтвержают это предположение:

дифференцировка ранних эмбриональных клеток следует установленной схеме и при искусственном ограничении клеточных делений под влиянием химических веществ, ингибирующих цитокинез или синтез ДНК. Клеточные деления не следует уподоблять периоду колебаний маятника биохимических часов, определяющих темп развития;

скорее ситуация обратная и именно биохимические часы контролируют темп клеточных делений и продолжительность клеточного цикла у множества видов животных. Изменение химического состояния клетки одновременно влияет на принятие решений о делении клеток, а также на время и направление дифференцировки. Молекулярные механизмы контроля клеточных делений в эмбриогенезе практически не изучены и представляют собой одну из центральных проблем современной биологии развития. Генеалогические мутанты нематод могут сыграть ключевую роль в решении этой проблемы.

16.3.5. Автономное поведение клеток и межклеточные взаимодействия взаимосвязаны и определяют характер развития [31] Процессы развития плохо поддаются объяснению в отсутствие данных о степени автономности поведения отдельных клеток и вкладе межклеточных взаимодействий. Наблюдая последствия удаления клеток у нематод, можно оценить важность обмена сигналами между клетками.

Для этого лазерный луч фокусируют в пятнышко диаметром 0,5 мкм (средний диаметр ядра С. elegans составляет около 2 мкм) и повторяющимися импульсами разрушают ядро какой-либо клетки. Клетка с разрушенным ядром погибает, а окружающие ее соседние клетки продолжают развиваться. Напрашивается вывод: большая часть клеток нематод в течение длительного периода своего жизненного цикла следует собственным программам развития и не зависит от сигналов соседних клеток.

И тем не менее межклеточные сигналы играют в развитии С. elegans и других животных очень важную роль. Хороший пример тому представляет развитие влагалища, или вульвы, - отверстия в гиподерме (коже) у гермафродитов для откладки яиц. Вульва располагается на брюшной стороне тела и сформирована из 22 клеток, возникших из трех клеток-предшественниц гиподермы по особой родословной. Одна из клеток гонады, так называемая якорная клетка, прикрепляет, или «заякоривает», расположенную над ней гонаду (матку) к развивающейся вульве для формирования пути выхода яиц из матки в окружающую среду. Результаты опытов с разрушением этой клетки лазерным лучом показывают, что именно она индуцирует развитие вульвы из трех ближайших клеток гиподермы. После уничтожения якорной клетки из этих клеток вместо вульвы возникает участок обычной гиподермы. Таким образом, якорная клетка индуцирует дифференцировку вульвы у С. elegans подобно тому, как вегетативные бластомеры индуцируют дифференцировку мезодермы у ранних эмбрионов Xenopus. Для этой индукции достаточно единственной якорной клетки: нормальное развитие вульвы происходит даже при уничтожении всех клеток гонады, за исключением якорной клетки (см. рис. 16-36, А).

Рис. 16-36. А. Схема экспериментов, в которых было показано, что для развития вульвы необходимо индуктивное влияние якорной клетки. Б.

Увеличенное изображение шести клеток группы эквивалентности вульвы (показаны в цвете) в вентральной гиподерме и нормальная родословная их потомков, приведенная внизу. Все эти 6 клеток (и только они) способны реагировать на индуцирующее воздействие вульвы, но в норме на это воздействие реагируют только 3 из них.

Индуцирующий сигнал якорной клетки обеспечивает пространственно согласованное с расположением гонады развитие вульвы, но эта система обладает определенным запасом гибкости. Три клетки гиподермы, в норме участвующие в формировании вульвы, соседствуют с тремя другими клетками, которые также способны выполнить эту задачу, если они попадают под влияние якорной клетки. При уничтожении лазерным лучом клеток-предшественниц вульвы эти соседние клетки сворачивают с пути своего нормального развития, вероятно, в связи с изменением местоположения, и вместо гиподермы формируют вульву. Другие клетки не способны реагировать на индуцирующий сигнал и не могут участвовать в формировании вульвы ни при каких обстоятельствах. Мы можем ввести понятие группы эквивалентности, примером которой на модели С. elegans (рис. 16-36, Б) могут служить три нормальные клетки-предшественницы вульвы и три соседние клетки, которые индуцируются сходным образом, поскольку эти клетки функционально взаимозаменяемы. Все участники группы эквивалентности отличаются от окружающих клеток тем, что они характеризуются иной предысторией развития. Именно это обстоятельство обеспечивает таким клеткам уникальную возможность реагировать на индуцирующий сигнал. Клетки этой группы приобретают различия под воздействием индуцирующего сигнала. Здесь мы имеем дело с особым примером того, как клеточная программа развития зависит от взаимодействия клеточной памяти (автономного свойства клеток) и сигналов, поступающих от других клеток (внешний контроль).

16.3.6. Эксперименты позволяют уточнить роль генов, контролирующих развитие [32] Эксперименты, описанные в предыдущем разделе, помогают интерпретировать данные генетических исследований. Мутации любого из различных генов могут приводить к образованию фенотипа multivulva, где все 6 клеток группы эквивалентности вступают на путь развития вульвы и вместо 22 клеток вульвы возникают 48 клеток и, как результат, несколько вульв. У этих мутантов все 6 клеток ведут себя, как если бы они застыли в состоянии активации якорной клеткой и разрушение последней не изменяет ход развития вульвы. В данном случае, вероятно, мутации затрагивают гены, которые в норме действуют в клетках группы эквивалентности вульвы, определяя их ответ на сигнал якорной клетки. Мутации другого небольшого набора генов приводят к образованию иного, противоположного фенотипа (vulvaless). И здесь, по всей вероятности, меняется способность клеток группы эквивалентности реагировать на индукцию.

Мутации гена liп-12 (вызывающего образование нескольких вульв) оказывают плейотропное действие: они могут обусловливать либо отсутствие, либо удвоение якорной клетки, меняя таким образом распределение индуцирующего сигнала и правила, согласно которым клетки группы эквивалентности вульвы реагируют на сигнал. Мутации гена liп-12 воздействуют и на иные группы эквивалентности, что наводит на мысль о некоем общем значении гена liп-12 в межклеточных взаимодействиях, посредством которых клетки какой-либо одной группы эквивалентности направляются по различным путям развития. Была определена последовательность нуклеотидов гена liп-12 и оказалось, что белок, кодируемый этим геном обладает гомологией с семейством белков, которые, как полагают, принимают участие в межклеточном общении у позвоночных и насекомых (см. разд. 12.3.12). К этому семейству относятся фактор роста эпидермиса у млекопитающих (ФРЭ), некоторые поверхностные рецепторы клеток млеко- питающих, такие, как рецептор липопротеинов низкой плотности (ЛНП) (см. разд. 6.5.8), и продукт гена Notch, содействующий выбору пути развития эктодермы у дрозофилы: дифференцировка нервной ткани или дифференцировка эпидермиса. Такие находки дают основание полагать, что молекулярные уроки, усвоенные при изучении развития нематод, могут найти применение при изучении развития многих других видов.

16.3.7. Программу развития индивидуальных клеток млекопитающих можно анализировать в клеточной культуре: дифференцировка глиальных элементов зрительного нерва крысы [33] Самый прямой способ отличить автономное поведение клетки от ее поведения под контролем межклеточных взаимодействий состоит в изучении того, как перемещение клеток в другой участок тела или их выделение с целью искусственного изменения среды обитания сказывается на их поведении. Эти вопросы трудно поддаются изучению у С. elegans, поскольку разрушение клеток лазерным лучом не позволяет решить эту задачу. Отсутствие информации о межклеточных взаимодействиях в процессе развития этой нематоды осложняет изучение базовых программ клеточного контроля, даже несмотря на хорошо изученную родословную всех клеток и характеристику многих мутантов по генам, контролирующим развитие. Среду, в которой находится клетка, проще изменять в культуре. Здесь появляется возможность непосредственного анализа как программ, контролирующих поведение клетки, так и межклеточных взаимодействий, управляющих клеточными делениями и дифференцировкой в процессе развития некоторых частей тела позвоночных.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 12 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.