Однако изучение молекулярно-генетических механизмов клеточной дифференцировки заставляет некоторых ученых усомниться в возможности получения клона из ядер дифференцированных клеток. У многих животных наблюдались изменения определенных участков ДНК в разных тканях. Как уже говорилось выше, показано уменьшение теломерных участков хромосом в ходе онтогенеза в соматических клетках. Таким образом, изменения генома в процессе дифференцировки достаточно глубоки. Причем, чем более высокое место в эволюционной лестнице занимает организм, тем обычно глубже эти изменения.
Как же тогда можно объяснить успешные результаты клонирования: от лягушек Гердона до овечки Долли? Вероятно, успех достигался именно тогда, когда в яйцеклетку случайно попадало ядро стволовой клетки (Корочкин Л. И., 2002). Как оказалось, они представлены в организме шире, чем считалось ранее. Частота их наличия в тканях (0,5–1,5 %) хорошо сопоставима с процентом выхода в экспериментах по клонированию.
Многие важные закономерности биологии развития позволили выявить исследования на классическом объекте экспериментальной генетики – дрозофиле.
У дрозофилы гомеозисные гены направляют развитие особых личиночных структур – имагинальных дисков (ИД). Из ИД образуется тело взрослой мухи. Популяции личиночных и имагинальных клеток разделяются очень рано. Образно говоря, личинку можно рассматривать как капсулу для хранения и питания имагинальных клеток. Дрозофила имеет 19 ИД. После метаморфоза они преобразуются в различные органы мухи. Внешне клетки разных ИД отличить друг от друга невозможно, хотя они различаются биохимически.
В экспериментах по пересадке ИД другим личинкам в различные части тела пересаженный диск на новом месте дифференцировался в структуру, соответствующую его первоначальному положению, т. е. ИД демонстрировал жесткую детерминацию. Пересаженный в тело взрослой мухи ИД не претерпевает изменений, поскольку нет соответствующего гормонального воздействия. Такие ИД при последовательных пересадках живут очень долго, не претерпевая дифференцировки. После любого числа пересадок введенные личинкам ИД дифференцируются в соответствии с их первоначальным происхождением. Это показывает, что состояние детерминации может наследоваться в ряду клеточных поколений неопределенно долго.
Однако иногда пересаженные ИД дифференцируются в структуры, отличные от первоначальных. Например, ИД антенн развивается в конечность. Такое явление, открытое Э. Хадорном, получило название трансдетерминация. Оно похоже на гомеозисные мутации. Феномен трансдетерминации до конца не разгадан, но он демонстрирует возможность изменения детерминации. Процесс трансдетерминации подчиняется определенным закономерностям и происходит в тех же направлениях, что и гомеозисные мутации.
Огромное практическое и теоретическое значение имеет изучение такого явления, как апоптоз. Апоптоз – запрограммированная смерть клеток, которая реализуется генетической программой «самоубийства». Можно предположить, что эта генетическая программа весьма консервативна и универсальна для всех живых систем. Благодаря апоптозу происходит регуляция количества клеток в органах и удаление лишних и потенциально опасных клеток.
Апоптоз часто сопровождается расщеплением ДНК на все более и более мелкие фрагменты. Примером гена апоптоза может служить ген rpr (жнец) у дрозофилы, способный аккумулировать внутренние и внешние сигналы для своей экспрессии и вызывать смерть клетки.
Экспрессия гена bcl-2 у человека, наоборот, блокирует программу апоптоза в опухолевых клетках. В настоящее время торможению апоптоза придается большое значение в процессе малигнизации клеток. В норме клетки регистрируют нарушения экспрессии генов, контролирующих деление, и в таких клетках включается программа апоптоза. При малигнизации такая регуляция нарушается. В этом случае апоптоз выступает как механизм защиты организма от клеток с генетическими нарушениями.
Однако при других заболеваниях человека (например, нейродегенеративных) происходит интенсификация физиологической гибели клеток.
Успехи геномики позволяют все более четко идентифицировать гены, влияющие на продолжительность жизни. За фундаментальные исследования апоптоза С. Бреннеру, Дж. Салтону и Р. Хорвицу была присуждена Нобелевская премия 2002 г.
13.5. Общие закономерности регуляции онтогенеза
Молекулярно-генетические механизмы онтогенеза во многом похожи у организмов разного филогенетического уровня и основываются на фундаментальных процессах активации и репрессии. Стартовым сигналом ко многим процессам развития служит позиционная информация яйцеклетки материнского организма.
В процессах детерминации и дифференциации, приводящим к многообразию клеток и тканей, ключевым фактором является дифференциальная экспрессия генов. У эукариот она носит многоуровневый характер. Гены, регулирующие развитие, представляют собой систему, организованную по иерархическому принципу. Активация одних генов включает экспрессию других, а регуляция экспрессии может происходить на любом уровне. Такая сложная морфогенетическая цепочка может быть запущена одним геном, который «включает» комплекс последовательных формообразовательных событий. Гены, запускающие такой «каскад», получили в биологии развития название «гены-господа» (Master Genes), а структурные гены последнего уровня – «гены-рабы» (Slaves Genes). Между ними располагаются многочисленные регуляторные гены, к которым принадлежат и гомеозисные. Существуют регуляторные гены, контролирующие гомеозисные гены, также как и гены, контролируемые ими. Дифференциальная экспрессия обеспечивается взаимодействием многих регуляторных генов. Схематично это можно представить следующим образом:
Гены «материнского эффекта» → «Гены-господа» → Система регуляторных генов → Структурные гены
Молекулярно-генетические механизмы онтогенеза весьма сложны, не все детали в настоящее время понятны. Эти сложности послужили причиной многочисленных спекуляций. В околонаучной среде с давних пор широкую популярность имеет понятие «биополе», подразумевающее внешний фактор развития организма неизвестной физической природы. В прежние времена концепцию «биополя» разделяли и некоторые ученые-эмбриологи. «Биополю» разные авторы приписывают различные функции, но одной из основных является функция формообразования.
Однако изучение морфогенетических закономерностей показывает, что формообразовательные процессы обусловлены спецификой последовательностей экспрессии разных генов, запускаемых обычно одним геном. Это лишний раз убеждает в необоснованности теории «биополя» как особого фактора онтогенеза. Формообразовательные процессы зависят от молекулярно-генетических процессов, так же как и другие онтогенетические процессы. Весьма наглядно демонстрируют это гомеозисные мутации.
* * *
Таким образом, мы можем видеть, что современная эмбриология столь тесно связана с генетикой, что фактически стала ее разделом. Успехи генетики формируют современный облик биологии развития. Однако не надо забывать и возможности других наук.
Фундаментальные законы мироздания в настоящее время неизбежно рассматриваются в рамках системного подхода. Вероятно, в природе существует единый способ построения сложных систем, обусловливающий все формообразовательные процессы, от молекулярного до организменного уровня.
Биологию развития ждут революционные открытия, которые, возможно, радикально изменят наши представления об онтогенезе.
Глава 14. Детерминация и дифференциация пола
Мы очень часто видим, как люди заблуждаются в том, что кажется им яснее солнца.
Р. Декарт (1596–1650), французский философ и ученый
Возникновение разнополых организмов в природе – это вопрос, порождающий многочисленные дискуссии. В 1862 г. Ч. Дарвин писал: «Мы не имеем даже маловероятного объяснения цели полового процесса….». Во времена Ч. Дарвина ничего не было известно о механизмах генетической рекомбинации. Но вот что мы можем прочитать у одного из ведущих эволюционистов современности спустя более века. Дж. Мейнард-Смит пишет: «Создается впечатление, что по вопросу пола от нас ускользает что-то самое главное» (Maynard Smith J., 1978). Вопросы вызывают, например, многочисленные исключения из классического полового процесса, имеющиеся даже у представителей высших систематических групп (гермафродитизм, закономерная инверсия пола у некоторых представителей в ходе онтогенеза, партеногенез и многое другое).
