«МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ 2-Е ИЗДАНИЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ В 3 томах 3 Перевод с английского канд. биол. наук В. П. Коржа, канд. биол. наук Н.В. Сониной, ...»

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 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 некоторых 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 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.