Текст книги "Онтогенез. От клетки до человека"

Получение петли из hoxb-кластера также наблюдается в эмбрионе мыши. Скорость «разматывания» и волны активации генов совпадают с той скоростью, с которой гаструляция распространяется по направлению к «хвосту».[97]97
  Chambeyron S, Da Silva NR, Lawson K, Bickmore WA. Nuclear re-organisation of the Hoxb complex during mouse embryonic development. Development. 2005; 132:2215–23.


[Закрыть] Таким образом, можно смело надеяться на то, что описанный выше механизм верен, хотя мы уже знаем, что его сопровождает огромное количество дополнительных сложностей. Необходимо убедиться, что клетки «запоминают» те гены для экспрессии, и это должно быть согласовано с соседними клетками. При этом отключаются гены слева, а те, что справа, подвергаются экспрессии. Тщательная систематизация всего этого процесса может стать делом жизни многих исследователей.

Человеческие HOX-гены (как и мышиные hox-гены) очень важны, поскольку существует связь между набором HOX-генов, экспрессированных сомитом, и типом будущего позвонка.[98]98
  Wellik DM. Hox paterning of the vertebrate axial skeleton. Dev Dyn. 2.


[Закрыть] Например, третий, четвертый и пятый позвонки шейного отдела очень похожи: образовавшие их клетки экспрессируют тот же набор генов. Следующие два позвонка от них отличаются, и их клетки уже экспрессируют другие наборы HOX-генов.

Рис. 29. Постепенное изменение структуры HOX-кластера, от компактной до более рыхлой, высвобождает большее количество генов для транскрипции в том порядке, в котором они расположены в кластере

У различных видов животных число позвонков варьируется. У кур, например, четырнадцать шейных позвонков, а у мышей, как и у нас, – семь. В обоих случаях тем не менее начало экспрессии генов типа HOX6 (Hoxa6, Hoxb6 и т. д.) знаменует конец сомитов, создающих шейные позвонки, и начало тех, которые образуют позвонки грудного отдела. Поэтому гены HOX коррелирует с типом позвонков, а не просто с их числом. Аналогично начало экспрессии генов типа HOX10 означает конец сомитов, идущих на грудные позвонки, и начало тех, которые создают позвонки поясничного отдела. Гены типа HOX11 отвечают за переход от поясничного к крестцовому позвонку. Все это подтверждает, что тип HOX-генов может определять вид позвонков, который создадут сомиты.

Эта идея была проверена экспериментально в ходе генной инженерии эмбрионов мыши. Из них убирали один или несколько Hox-генов и наблюдали последствия этой операции для развития. В шейном отделе нормальной мыши должен быть один первый позвонок («атлант») и один второй («ось»). У каждого из них своя специфика, они позволяют по-разному осуществлять кивки и вращения головы. У третьего, четвертого и пятого позвонков форма, характерная для позвонков шейного отдела. При удалении гена Hoxa4 третий, неспециализированный, позвонок развивается как второй, осевой. Клетки как будто «думают», что они ближе к головной части зародыша. Кроме того, у мышей без генов Hoxa7 и Hoxb7, отвечающих за первые позвонки грудного отдела, позвонки, к которым должны крепиться ребра, развиваются как позвонки шеи, без ребер. Опять же, без этих генов клетки ведут себя так, как если бы они были ближе к голове, чем на самом деле. С другой стороны, когда удаляются Hoxa5 и Hoxa6, клетки в той же области тела «думают», что должны располагаться дальше от головы, где эти гены, естественно, дезактивируются. В результате седьмой позвонок шейного отдела имеет ребра, как полагается первому позвонку грудного отдела. То же происходит и ниже, если гены по правую сторону (см. рис. 28) удаляются.

В обеих системах сегментации, будь то «часы» и градиенты, благодаря которым тело делится на сомиты, или система HOX-генов, сообщающая клеткам этих сомитов специализацию, в масштабах организма протекают простые локальные процессы. В обоих случаях в этих процессах используются определенные временные промежутки для создания структур в пространстве. Это еще один пример того, как сложные клеточные системы эмбрионального развития пользуются простейшими математическими принципами и создают нечто гораздо большее, чем они сами.

Часть II
Постепенная детализация

Глава 7
Судьбоносные беседы

In principio erat verbum…[99]99
  «В начале было слово…» (из латинского перевода Библии, сделанного св. Иеронимом).


[Закрыть]

Св. Иероним Стридонский

Процессы, описанные в главах 2–6, имеют внушительные последствия – бесформенное скопление клеток осталось далеко в прошлом. Теперь у эмбриона есть продольная ось тела с головным и хвостовым концами, дорсально расположенная нервная трубка и вентрально расположенный кишечник. По обе стороны нервной трубки залегают сомиты, а снаружи эмбрион покрыт эктодермой. Более того, благодаря избирательной экспрессии HOX-генов поведение клеток эмбриона специфично для уровня, на котором они находятся. Тем не менее на этой стадии развития эмбрион отличается от взрослого человека примерно так же, как эскиз отличается от законченного полотна: контуры видны, но их еще предстоит проработать.

На стадии формирования сомитов общее количество типов клеток в организме невелико. Есть клетки эктодермы, клетки нервной трубки, клетки кишечника, клетки сомитов и некоторые другие, но это лишь малая часть типов клеток, имеющихся у взрослого человека. Клетки первичных тканей эмбриона должны поделиться на группы, а группам предстоит специализироваться и дать начало разным структурам: костям, сухожилиям, мышцам и кровеносным сосудам. Более того, клетки должны сделать это по определенному алгоритму. Когда эмбрион впервые столкнулся с проблемой превращения одинаковых клеток в клетки разных типов (то есть когда у него обособилась внутренняя клеточная масса и трофэктодерма; глава 3), он использовал естественную асимметрию среды: клетки, часть поверхности которых была обращена в свободное пространство, дали начало трофэктодерме. Клетки нервной трубки и сомитов тоже полагаются в процессе дифференциации на сигналы, связанные с асимметрией окружающей среды. К этому моменту, однако, большая часть поступающей информации связана уже не с геометрическими характеристиками (такими, как наличие у клеток свободной поверхности), а с сигнальными молекулами, выделяемыми другими тканями. С помощью этих молекул соседние ткани ведут судьбоносные беседы и, таким образом, провоцируют друг у друга дифференцировку многих типов клеток, взаимное расположение которых исключительно точно задано в пространстве.

Хороший пример этих «клеточных бесед» – дифференцировка специализированных зон нервной трубки, которые в дальнейшем дают начало разным частям нервной системы.[100]100
  Brown M, Keynes R, Lumsden A. (2000) The developing brain. Oxford University Press.


[Закрыть] Нервная трубка, образованию которой была посвящена глава 5, проходит по средней линии эмбриона между эктодермой и нотохордом. Таким образом, нервная трубка оказывается естественным образом асимметричной среде: ее дорсальная[101]101
  Напомним: «дорсальный» означает «спинной» или «обращенный к спине», а «вентральный» – брюшной или «обращенный к брюшной поверхности».


[Закрыть] поверхность ближе к эктодерме, а вентральная – к нотохорду. Эта асимметричная близость к нотохорду очень важна, потому что его клетки секретируют белок, получивший название Sonic Hedgehog («ежик Соник»).[102]102
  Придумывая генам названия, генетики склонны изощряться в остроумии. История Sonic Hedgehog началась с того, что одну из мутаций плодовых мушек назвали hedgehog («еж»): в то время как нормальные личинки плодовых мушек имеют щетинки только в определенных местах, личинки носителей этой мутации полностью покрыты ими. Когда выяснилось, что несколько генов позвоночных животных родственны гену hedgehog плодовых мушек, они стали получать названия, так или иначе связанные с ежами, начиная с Indian Hedgehog («индийский еж»; один из видов ежей) и заканчивая Sonic Hedgehog («ежик Соник»; герой видеоигры). Среди мутантных плодовых мушек мы можем также встретить tinman («Железный Дровосек»; у носителей этой мутации нет сердца), Ken and Barbie («Кен и Барби»; у носителей мутации отсутствуют гениталии) и даже – вершина остроумия – Hamlet («Гамлет»; у этих мутантов клетка в положении, характерном для клетки IIB, ведет себя необычным образом, и исследователи задаются вопросом «IIB or not IIB»).


[Закрыть] Концентрация этого белка меняется по градиенту: она максимальна вблизи нотохорда и снижается по мере удаления от него.[103]103
  Ulloa F, Briscoe J. (2007) Morphogens and the control of cell proliferation and paterning in the spinal cord. Cell Cycle. 2007 November 1; 6(21):2640–9.


[Закрыть] Клетки нервной трубки чувствительны к белку Sonic Hedgehog, и те из них, которые расположены ближе к нотохорду, стимулируются очень сильно (рис. 30). В результате эти клетки начинают синтезировать новые белки и отличаться от других клеток нервной трубки. С этого момента они называются клетками вентральной пластинки.

Роль нотохорда в определении положения вентральной пластинки была показана в двух дополняющих друг друга экспериментах.[104]104
  Goulding MD, Lumsden A, Gruss P. (1993) Signals from the notochord and floor plate regulate the region-specific expression of two Pax genes in the developing spinal cord. Development. 1993 117:1001–16.


[Закрыть] В одном эксперименте в эмбрион цыпленка был хирургическим путем помещен дополнительный нотохорд, но не в обычное положение, а сбоку от нервной трубки. В нервной трубке этого эмбриона сформировались две вентральные пластинки: одна там, где положено (то есть над естественным нотохордом), а вторая на той стороне нервной трубки, которая была обращена к трансплантату. Это подтверждает гипотезу о том, что положение вентральной пластинки контролируется нотохордом. В другом эксперименте нотохорд был полностью удален, и вентральная пластинка вообще не сформировалась.

Среди белков, синтезируемых клетками вентральной пластинки, есть и сам Sonic Hedgehog, таким образом, она становится новым центром производства молекул этого белка, которые начинают распространяться в дорсальном направлении. Sonic Hedgehog – короткоживущий белок, поэтому он не может уйти далеко от места своего производства, и его концентрация резко падает с увеличением расстояния. Поведение клеток остальной части нервной трубки зависит от того, какое количество этого белка они получают, а это, конечно, зависит от их расстояния до вентральной пластинки.

Реакция клеток нервной трубки на градиент концентрации белка Sonic Hedgehog заключается в том, что они встают на путь специализации, который должен (в конечном итоге) привести к образованию одного из нескольких базовых типов нервных клеток. К числу таких базовых типов относятся двигательные нейроны, которые посылают сигналы непосредственно мышцам, и вставочные нейроны, которые принимают сигналы от других нейронов, обрабатывают их и передают дальше.

Рис. 30. Нотохорд производит белок Sonic Hedgehog (SHH), который распространяется к прилегающим тканям нервной трубки. Под его воздействием эти ткани образуют вентральную пластинку, которая тоже начинает синтезировать этот белок

Двигательные нейроны и вставочные нейроны находятся в разных зонах вентрально-дорсальной оси спинного мозга.[105]105
  Yamada T, Pfaff SL, Edlund T, Jessell TM. (1993) Control of cell patern in the neural tube: Motor neuron induction by difusible factors from notochord and floor plate. Cell. 1993 May 21; 73(4):673–86.


[Закрыть] Они организованы принципиально разным образом: чтобы нормально функционировать, клетка должна быть или двигательным нейроном, или вставочным нейроном, но ни в коем случае не половинчатым гибридом, сочетающим черты нейронов двух типов. Поэтому возникает проблема: по законам физической химии градиент концентрации белка Sonic Hedgehog может быть только плавным, а вот реакция клеток должна быть «ступенчатой» – сначала возникает один тип клеток, потом другой. Трансляция плавного градиента сигнала в ступенчатый отклик клеток осуществляется за счет целой серии взаимодействий различных генов и белков.

Основная роль белка Sonic Hedgehog заключается в активации специфичных генов. Различные гены обладают разной чувствительностью к этому белку. В клетках развивающейся нервной трубки есть как «отзывчивый» ген, который активируется даже при низких концентрациях Sonic Hedgehog, так и «равнодушный» ген, который активируется только при высокой концентрации этого белка.[106]106
  Это гены Olig2 и Nkx2.2.


[Закрыть] «Отзывчивый» ген настолько восприимчив, что активизируется сразу во всей вентральной половине нервной трубки, а «равнодушный» – только в клетках самой вентральной четверти нервной трубки, где концентрация белка достаточно высока. При этом присутствие в конкретной клетке белка, синтезированного «равнодушным» геном, отключает «отзывчивый» ген в этой клетке. Таким образом, непосредственно над вентральной пластинкой располагается зона клеток, экспрессирующих «равнодушный» ген, а над ней залегает слой клеток, экспрессирующих «отзывчивый» ген.[107]107
  Dessaud E, McMahon AP, Briscoe J. (2008) Patern formation in the vertebrate neural tube: a sonic hedgehog morphogen-regulated transcriptional network. Development. 135: 2489–503.


[Закрыть] Эти зоны не перекрываются. В результате формируются обособленные полосы (рис. 31).

Вентральная пластинка наряду с нотохордом принимает участие в разметке преимущественно нижней (вентральной) части нервной трубки. Однако верхняя (дорсальная) часть нервной трубки тоже должна быть размечена, и это достигается опять же за счет сигнала от прилегающих тканей.[108]108
  Lee KJ, Jessell TM. The specification of dorsal cell fates in the vertebrate central nervous system. Annu Rev Neurosci. 1999; 22:261–94.


[Закрыть] Ближе всего к дорсальной части нервной трубки залегает эктодерма, от которой совсем недавно отделилась сама нервная трубка (глава 5). Она выделяет еще один сигнальный белок, который легко распространяется до нервной трубки. Этот белок оказывает двоякое действие. Во-первых, он «отменяет» любые сигналы белка Sonic Hedgehog, если вдруг они смогли распространиться до этих районов нервной трубки. Во-вторых, под действием этого белка дорсальная часть нервной трубки сама становится центром распространения сигналов. Это очень похоже на то, что произошло в вентральной пластинке, когда под действием нотохорда центром распространения сигналов стала нервная трубка. На этот раз, однако, все не так просто. Клетки вентральной пластинки производят молекулы того же белка, который они получают от нотохорда (Sonic Hedgehog). С клетками дорсальной стороны нервной трубки ситуация иная: под действием сигнала от эктодермы они производят не тот белок, который получают, а новые сигнальные белки – WNT и BMP.[109]109
  Le Dréau G, Martí E. Dorsal-ventral paterning of the neural tube: A tale of three signals. Dev Neurobiol. 2012 December; 72(12):1471–81.


[Закрыть]

Рис. 31. Градиент концентрации белка Sonic Hedgehog (SHH) возрастает, пока он синтезируется в вентральной пластинке. Клетки, подпадающие под действие этого белка, начинают специализироваться, и образуются разные зоны

Белки WNT и BMP тоже распространяются из клеток, в которых синтезируются, с образованием градиента концентрации. Этот градиент используется для образования специализированных зон в дорсальной части нервной трубки примерно так же, как градиент белка Sonic Hedgehog используется для зонирования вентральной части нервной трубки (эти процессы отличаются целым рядом молекулярных подробностей, но общая идея одна и та же).

Затем нервная трубка использует сигналы, поступающие из асимметрично расположенных тканей сверху и снизу, а также, возможно, от сомитов, чтобы аккуратно разделить ткань, состоящую из схожих клеток, на зоны с определенной структурой, каждая из которых по мере дальнейшего развития спинного мозга даст начало особому типу нервной ткани. Однако клетки нервной трубки не только получают сигналы от других тканей, но и генерируют свои собственные сигналы. Распространяясь в обратном направлении, они вносят вклад в разметку прилегающих к нервной трубке тканей. Таким образом, соседние ткани не отдают односторонние приказы, а как бы ведут разговор, обмениваясь репликами на языке биохимии белков.

Сразу после образования сомиты представляют собой простые структуры, состоящие из одного типа клеток (глава 6). Однако они дадут начало многим структурам тела, в том числе костям, мышцам, сухожилиям и внутреннему слою кожи. Поэтому внутри сомитов, как и в нервной трубке, должны возникнуть отличающиеся друг от друга области, и это тоже происходит за счет сигналов от соседних тканей.

Участки сомитов, расположенные ближе всего к дорсальной части нервной трубки, находятся под действием высоких концентраций белков семейства WNT (рис. 32). Клетки сомитов уже экспрессируют несколько иной набор генов, чем клетки нервной трубки (именно поэтому они являются клетками сомитов). Как следствие, они реагируют на сигналы белков WNT иначе, чем клетки нервной трубки. Наверное, каждый из нас сталкивался с тем, что интерпретация сигнала может зависеть от внутреннего состояния того, кто его получает. При слове suspenders англичанин и американец представят себе совершенно разные вещи,[110]110
  В американском английском этим словом обозначают мужские подтяжки, а в британском – подвязки для женских чулок. – Примеч. пер.


[Закрыть] и один мой американский знакомый, не знавший об этой разнице в словоупотреблении, однажды оказался в прекурьезной ситуации в фешенебельном эдинбургском универмаге. Это далеко не единственный пример. Фразу I propose we table this motion в Англии поймут как приглашение к немедленному обсуждению вопроса, а в Америке – как предложение отложить обсуждение на потом. Обилие повседневных слов и выражений, способных сбить с толку американца в Великобритании или англичанина в Америке, является хорошей иллюстрацией того, что даже в человеческих языках смысл сообщения во многом определяется не его содержанием, а внутренним состоянием адресата. С подобным явлением мы сталкиваемся и в биологии: один и тот же сигнал, например молекула белка WNT, может иметь разное значение (читай, оказывать разное воздействие) в зависимости от особенностей получающей его клетки.[111]111
  Взаимосвязи между обозначающим и обозначаемым в языках изучает семиотика. Приложение этого подхода к биологическим сигналам и их эффектам обычно называют биосемиотикой.


[Закрыть]

Когда клетки сомита получают сигналы WNT из дорсальной части нервной трубки, они начинают производить белки, необходимые для формирования мышц. Белок WNT распространяется лишь на довольно небольшое расстояние, поэтому сигнал для активации развития мышц получает только та часть сомита, которая находится ближе к нервной трубке. WNT, поступающий из другого источника, запускает образование второго центра развития мышц на наружном, нижнем крае сомита (рис. 32). В дальнейшем из клеток этих зон образуются разные мышцы: зона около нервной трубки даст начало мышцам спины, а другая зона – мышцам стенки тела.[112]112
  Geetha-Loganathan P, Nimmagadda S, Scaal M, Huang R, Christ B. (2008) Wnt signaling in somite development. Ann Anat. 2008; 190(3):208–22.


[Закрыть] Зона между ними, расположенная вдали от обоих источников WNT, станет соединительной тканью кожи (дермой).

Если бы на сомит действовали только те три типа сигналов, о которых мы только что говорили, он стал бы похож на сэндвич, в котором зона, дающая начало коже, залегает между двумя зонами, образующими мышцы.

Рис. 32. Разметка областей сомита, которые будут дифференцироваться в разных направлениях, происходит за счет сигналов от соседних тканей

Однако сомит также чувствителен к сигналам, поступающим от нотохорда и вентральной пластинки нервной трубки. В участках сомита, расположенных ближе всего к этим источникам сигналов, концентрация соответствующих сигнальных белков достаточно высока. Они блокируют сигналы, стимулирующие образование мышц и кожи, и «сообщают» клеткам, что они должны образовать соединительную ткань и кости[113]113
  Hirsinger E, Jouve C, Malapert P, Pourquié O. (1998) Role of growth factors in shaping the developing somite. Mol Cell Endocrinol. 140:83–7.


[Закрыть],[114]114
  Cairns DM, Sato ME, Lee PG, Lassar AB, Zeng L. A gradient of Shh establishes mutually repressing somitic cell fates induced by Nkx3.2 and Pax3. Dev Biol. 2008 November 15; 323(2):152–65.


[Закрыть] (рис. 32).

Итак, обобщая сказанное в этой главе, мы видим, что окружающие ткани подают сигналы, за счет которых происходит дифференциация нервной трубки, а клетки нервной трубки реагируют на эти сигналы, в том числе и тем, что подают сигналы, под действием которых происходит разметка окружающих тканей и они приступают к дифференцировке. Таким образом, тонкая детальная разметка строения эмбриона, который еще недавно имел довольно однородное строение, является результатом многочисленных «обменов репликами» на клеточном уровне.

Ткани, о которых шла речь в этой главе, не уникальны. Те же самые общие принципы можно было бы продемонстрировать на примере любой другой группы соседних тканей. Во всем эмбрионе смежные участки тканей используют друг друга как источник сигналов для выделения внутри себя областей, клетки которых будут подвергаться дифференцировке, характер которой зависит от их расстояния до источника сигнала. Непосредственным результатом этого процесса является образование новых границ между только что дифференцировавшимися типами клеток в пределах исходно гомогенного участка ткани. Если эти типы клеток секретируют разные сигнальные белки, тот же прием можно использовать еще раз для создания еще большего количества отличающихся друг от друга областей. Это высокоэффективный механизм пространственной дифференцировки, и неудивительно, что примерно пятая часть генов человека нужна для производства белков, вовлеченных тем или иным образом в процесс клеточной сигнализации.

Клеточная коммуникация не только позволяет тканям дифференцировать внутри себя практически неограниченное число областей. Она также служит отличным механизмом борьбы с ошибками в процессе развития. Представьте себе эмбрион, в котором дифференциация участков тканей не зависела бы от положения окружающих тканей, а происходила бы каким-то иным путем, например, клетки действительно следовали бы пошаговым инструкциям к какому-то чертежу. Малейшие неточности в положении конкретных клеток приводили бы к постепенному накоплению ошибок; когда пришло бы время тканям собираться вместе, типы клетки, которые должны были бы соседствовать, оказались бы в разных местах, и развитие остановилось бы. В принципе, таким образом можно построить очень маленький и простой организм – при малом числе типов тканей и жизненно важных связей между ними ошибки просто не успеют накопиться. Однако создать «по инструкциям» организм, состоящий из сотен разных типов клеток, которые должны тонко взаимодействовать друг с другом, нельзя. Напротив, если ткани в системе полагаются на сигналы друг друга, дифференциация клеток в каждой из них автоматически происходит на правильном расстоянии от ткани, сигналы которой управляют этим процессом, даже если, скажем, эта «управляющая» ткань находится немного не там, где надо. Таким образом, организация системы подстраивается к меняющимся обстоятельствам, и ошибки не накапливаются, а корректируются на каждом этапе. Поэтому эмбрион способен справиться практически со всеми ошибками, за исключением серьезных аномалий, – постоянное «общение» клеток позволяет регулировать развитие в соответствии с реальной ситуацией, а не с абстрактным планом.

Использование общения на языке белков для регуляции дифференцировки тканей имеет одно интересное следствие для развития животных. Расстояние, на которое может распространяться белок в рабочих концентрациях, ограничено биофизическими и биохимическими законами и составляет для большинства белков около одной двадцатой доли миллиметра (50 мкм). Это означает, что длина группы клеток, использующих этот метод для нанесения разметки, предшествующей клеточной дифференцировке, как правило, составляет примерно 1/20 мм. Это относится как к расстоянию между дорсальной и вентральной частями нервной трубки, так и, например, к расстоянию между развивающимися корнями зубов или волосками. Из этого следуют две вещи. Во-первых, невозможно нанести разметку на весь эмбрион сразу. Сначала, пока эмбрион еще достаточно мал, нужно нанести грубую разметку, а потом, когда уже намеченные части увеличатся в ходе роста эмбриона, можно приступать и к их детализации. Это одна из причин того, почему человеческое развитие не может идти по пути создания крошечного, но полноценного ребенка, который затем только увеличивался бы в размерах. Последовательные фазы детализации должны быть распределены по этапам роста. Сначала обособляются голова и туловище, потом, когда голова вырастает, намечается, например, челюсть, затем, когда увеличивается челюсть, намечается положение зубов и так далее.

Второе следствие заключается в том, что нанесение любой разметки, например выделение зон нервной трубки, может произойти только на определенном этапе развития, когда размер эмбриона находится в довольно строгих границах. В частности, это означает, что на этом этапе развития зародыши землеройки, человека и синего кита должны быть практически одного размера. Эволюционное сходство животных – скажем, лошадей, китов и летучих мышей, которые, будучи очень разными, относятся к одному и тому же классу, – гораздо отчетливее видно на эмбрионах, чем на взрослых особях.