2. Гены «роскоши» связаны с осуществлением специализированных клеточных функций, специфичных для отдельных типов клеток. Такие гены функционируют (экспрессируются) в одних клетках и не функционируют в других.
Высокий уровень активности генов «домашнего хозяйства» является обычно предварительным этапом дифференциации, следующим после установления детерминации. Этот этап, вероятно, не имеет тканевой специфичности. Известно, что клеточная детерминация происходит задолго до формообразовательных процессов.
Дифференциальная экспрессия генов «роскоши» обусловливает дифференциацию клеток в определенном направлении. В результате дифференциальной активности генов формируются различные клеточные линии, а на их основе – ткани и органы.
По мере развития зародыша усиливаются связи между клетками и увеличивается их влияние друг на друга. Влияние клеточных структур, определяющее развитие других клеточных структур, называется эмбриональной индукцией. Наиболее наглядно ее действие можно наблюдать во время формирования нервной системы. На дифференцировку нервной ткани влияют экспрессия ее собственных генов, генов смежных нейронов, генов удаленных нейронов, отростки которых достигают этой клетки, а также дифференциальная экспрессия генов, окружающих глиальных клеток, генетические системы эндокринных и нейроэндокринных органов. На первоначальном этапе происходит образование нервной пластинки из эктодермы. Индуктором этого процесса является группа клеток дорсальной губы бластопора – так называемый гензеновский узелок. Именно исследование этой области и послужило толчком к созданию основателем экспериментальной эмбриологии Г. Шпеманом (1869–1941) учения об «организаторах». В клетках «гензеновского узелка» активируются гены, кодирующие белковые факторы, направляющие развитие эктодермы по нейральному пути. В свою очередь, закладка самого «гензеновского узелка» инициируется β-катенином, градиент которого устанавливается в ходе оопластической сегрегации.
Дифференциация, как и детерминация, у всех животных протекает в несколько этапов. Можно ли выделить какие-либо закономерности во всем многообразии онтогенезов? Оказывается, можно.
Для онтогенезов почти всех животных, включая человека, характерен процесс разделения зародыша на сегменты. Этот процесс называется сегментацией. Его контролируют две группы генов. Сегрегационные гены – определяют количество будущих сегментов. Они последовательно активируются в процессе развития. Мутации по сегрегационным генам обычно несовместимы с ходом эмбриогенеза и вызывают гибель зародыша на разных стадиях.
Другую группу составляют особые регуляторные гены, контролирующие морфогенетические процессы внутри сегментов, т. е. направление развития каждого сегмента. Наиболее хорошо изучены в этой группе регуляторные гены дрозофилы – гомеозисные гены. Это название происходит от термина «гомеозис», который ввел еще У. Бэтсон в 1894 г. для феномена превращения одной части тела в другую.
У дрозофилы гомеозисные гены контролируют развитие различных структур на головном, грудном и брюшном сегментах. Пониманию их роли помогло изучение гомеозисных мутаций. Гомеозисные мутации приводят к появлению не свойственной данному сегменту структуры. Так, на грудных сегментах могут возникать структуры головы, и наоборот. Таким образом, гомеозисная мутация – это изменение направления детерминации.
Все гомеозисные гены имеют общие нуклеотидные последовательности, которые получили название гомеобокс, а коллинеарный им фрагмент белковой молекулы – гомеодомен. Именно область гомеодомена ответственна за соединение регуляторного белка с ДНК. Гомеобокс был открыт Мак-Гиннисом в начале 1980-х гг.
Хотя гомеозисные гены наиболее основательно изучены у дрозофилы, все представители животного мира, имеющие стадию сегментированного зародыша (в том числе человек), имеют гомеобокссодержащие гены. Структура гомеобокса (180 п. н.) оказалась исключительно консервативна у самых дальних филогенетических групп. Так, из 60 аминокислот гомеодомена лягушки и мухи 55 оказались одинаковыми. Такая консервативность характерна для структур, определяющих самые ранние стадии развития. Действительно, гомеозисные гены дрозофилы начинают экспрессироваться уже через 2 ч после оплодотворения.
У млекопитающих выявлено 38 гомеобокссодержащих генов (Корочкин Л. И., 2002). Они получили название НОХ-генов. Как гомеозисные гены дрозофилы, так и НОХ-гены формируют компактные группы – кластеры. У человека 4 кластера расположены на хромосомах 2, 7, 12, 17. В отличие от дрозофилы, у млекопитающих определенная структура контролируется не отдельными НОХ-генами, а специфичной для этой структуры совокупностью экспрессий нескольких НОХ-генов. Одним из интересных явлений, наблюдаемых в генетике развития, является феномен «коллинеарности» (соответствия) между последовательностями гомеобокссодержащих генов в кластере и зонами их экспрессии вдоль оси тела.
Поскольку дифференцированные клетки утрачивают митотическую активность, в каждой ткани существует резерв клеток, сохранивших способность к делению. К таким клеткам принадлежат стволовые клетки – недифференцированные клетки-предшественники других клеток, сохраняющие высокий потенциал развития. В связи с этим один из классиков биологии развития швейцарский ученый Э. Хадорн, рассматривая детерминацию как сложный и многоступенчатый процесс, разделил ее на два вида:
1) детерминация, ведущая к дифференциации;
2) детерминация, ведущая к воспроизведению недифференцированных клеток, служащих своеобразным резервом для различных дифференцировок.
Эмбриональные стволовые клетки зародыша обычно тотипотентны. Тотипотентность (эквипотенциальность) – это способность клетки развиваться в любом направлении. У взрослого организма стволовые клетки мультипотентны, т. е. способны дифференцироваться в различные виды клеток, но не в любые. Однако можно допустить, что ядра некоторых из этих клеток сохраняют тотипотентность. Такая возможность представляет определенный интерес для решения проблемы обратимости детерминации.
13.3. Проблема обратимости детерминации
Одним из важнейших и интереснейших вопросов биологии развития является вопрос «прочности» детерминации. Наличие стойкой детерминации к определенным направлениям дифференцировки – одна из фундаментальных характеристик тканевой системы. Можно ли изменить детерминированность, переключить развитие клетки в новом направлении?
Одним из направлений поиска ответа на этот вопрос являются эксперименты по клонированию. Клоном называется клеточная популяция, возникающая из одной исходной соматической клетки, а процесс получения клона называется клонированием. Примером клонирования являются эксперименты с трансплантацией ядер, которые показали принципиальную возможность обратимости изменений при дифференцировке.
Однако проблема тотипотентности, т. е. сохранение клетками способности давать целый организм, не настолько проста, чтобы прийти к однозначному решению.
После успешных опытов Дж. Гердона опыты по трансплантации ядер были продолжены на млекопитающих. До стадии 8 бластомеров клетки зародышей млекопитающих тотипотентны, что подтверждают удачные опыты по развитию организмов из одного бластомера. Другим подтверждением является обратное явление – объединение клеток двух эмбрионов. Организмы, полученные агрегацией генетически различных клеток, называются химерами. Химер можно также получить, вводя клетки ранних эмбрионов (даже одну клетку) в чужеродную бластоцисту. Бластоциста представляет собой стадию эмбриогенеза млекопитающих. Введенные клетки включаются в состав клеточной массы эмбриона-реципиента. У такой химеры клетки перемешаны случайным образом, поэтому ее ткани и органы тоже химерны. Это показало, что каждый тип тканей образуется не из одной клетки-предшественницы, а из группы клеток.
Эксперименты по трансплантации ядер млекопитающих в энуклеированные яйцеклетки вначале были неудачными. Всего 5 % ядер 4-клеточных эмбрионов и около 20 % ядер 2-клеточных зародышей мышей развивались до стадии морулы. Это указывает на быструю потерю тотипотентности в ходе эмбриогенеза. Поэтому сообщение о рождении клонированной овечки Долли в 1997 г. стало настоящей сенсацией. Английский эмбриолог Я. Вильмут использовал ядра клеток молочной железы взрослой овцы, вводя их в энуклеированную яйцеклетку и перенося их затем в овцу-реципиента. Из 250 экспериментов успехом увенчался один. В 1998 г. была разработана методика клонирования мышей с вероятностью успеха около 2 % путем воздействия на яйцеклетку специальных стимулирующих веществ.
