Помоги проекту - поделись книгой:
Хороший пример этих «клеточных бесед» – дифференцировка специализированных зон нервной трубки, которые в дальнейшем дают начало разным частям нервной системы.[100] 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] 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] Концентрация этого белка меняется по градиенту: она максимальна вблизи нотохорда и снижается по мере удаления от него.[103] 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] 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] 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] «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] 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] 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]
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
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] 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],[114] (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.
Глава 8
Внутренние путешествия
Когда дорога вся в цветах, уже не спрашивают, куда она ведет.
Те клетки, которые сформируют лицо взрослого человека, располагаются в задней части головного отдела эмбриона. Те клетки, которые станут чувствительными нервами и пигментными клетками кожи, сначала находятся в районе позвоночника. А те клетки, которые стали вашими сперматозоидами или яйцеклетками, вообще какое-то время лежали за пределами вашего тела. Эти и многие другие подобные факты подчеркивают зависимость нашего развития от способности клеток раннего эмбриона перемещаться из одного места в другое. Миграции на клеточном уровне не менее удивительны, чем великие путешествия птиц и рыб, издавна восхищавшие зоологов, а возможно, и более, если учесть, что клетки, в отличие от птиц, перемещаются в постоянно меняющейся среде и делают это с исключительной точностью, хотя у них нет ни глаз, ни мозга, ни возможности учиться у родителей.
Чтобы понять, как это возможно, давайте разделим вопрос на две части. Сначала рассмотрим сам механизм движения клеток, а затем подумаем, за счет чего они двигаются в нужном направлении.
Способность клеток к движению возникла очень давно, за сотни миллионов лет до появления многоклеточных организмов. Основы механизма клеточной подвижности были заложены одновременно с возникновением первых эукариотических клеток (бактерий), ползавших по юной Земле в поисках пищи, и остались практически неизменными по сей день. Двигатель, который позволяет клеткам ползать, состоит из нескольких взаимосвязанных механизмов. Один выталкивает переднюю часть (лидирующий край) клетки вперед, другой обеспечивает образование новых контактов между клеткой и субстратом, по которому она движется, а третий использует эти контакты для подтягивания тела клетки, чтобы оно не отставало от движущегося вперед лидирующего края. На этих механизмах стоит остановиться более подробно, так как они представляют собой замечательный пример самоорганизации простых элементов в сложные системы более высокого уровня.
Механизм, выталкивающий вперед лидирующий край клетки, основан на работе тонкой сети белковых микрофиламентов, о которых уже шла речь в главе 5. Там мы говорили о том, что эта сеть позволяет поддерживать поле механических напряжений внутри эпителиальных пластов. Микрофиламенты в основном состоят из белка актина. Отдельные молекулы актина маленькие и компактные, но они могут связываться друг с другом и образовывать длинные тонкие нити (это и есть микрофиламенты) (глава 1). Новые молекулы актина легко присоединяются к свободным концам уже существующих цепочек, но лишь медленно и неохотно образуют цепочку «с нуля». Это означает, что новые микрофиламенты редко образуются в клетке без посторонней помощи, однако уже существующие микрофиламенты, как правило, быстро удлиняются. Формированию новых нитей способствуют белки, инициирующие полимеризацию актина. В клетке несколько типов таких белков, и они используются для разных целей. Те из белков, инициирующих полимеризацию актина, которые играют важную роль в движении клетки, обладают особым свойством: они работают только тогда, когда могут присоединиться к уже существующим актиновым нитям. Как следствие, новые нити образуются в основном как ответвления существующих нитей, а эти новые нити рано или поздно тоже образуют ответвления[115] (рис. 33).
Если бы белки, инициирующие полимеризацию актина, всегда были активны, клетка задохнулась бы в густой сети микрофиламентов. Этого не происходит, потому что эти белки, как правило, неактивны и должны активироваться другими молекулами. Некоторые из таких молекул крепятся к внутренней поверхности клеточной мембраны, поэтому белки, инициирующие полимеризацию актина, активируются только непосредственно под мембраной. Важно отметить, что они сохраняют активность лишь в течение короткого промежутка времени, а затем снова теряют ее. Это означает, что белки, инициирующие полимеризацию актина, активны в основном на внутренней поверхности клеточной мембраны и до дезактивации успевают продвинуться лишь на небольшое расстояние к центру клетки. Таким образом, новые актиновые нити образуются только в зоне, лежащей непосредственно под клеточной мембраной.
Актиновые филаменты, растущие в направлении клеточной мембраны, рано или поздно наталкиваются на нее. Именно за счет совместных усилий тысяч отдельных актиновых нитей передний край клетки и продвигается вперед.[116] Однако белки, инициирующие полимеризацию актина, не знают, где же, собственно, у клетки должен быть передний конец. Это, в конце концов, просто крупные молекулы, и в их структуре не зашифрована никакая карта. Многие из них инициируют образование ветвей, направленных в обратную сторону, то есть вглубь клетки. Дальнейшее удлинение таких бесполезных ответвлений было бы пустой тратой сил, но у клетки есть способы его предотвратить. Центральная часть клетки содержит много так называемых кэпирующих белков, которые «ставят заглушку» на конец нити и блокируют ее рост.
Рис. 33. Образование боковых ответвлений уже существующей актиновой нити за счет белковых комплексов, инициирующих полимеризацию актина
Если белки, инициирующие полимеризацию актина, обычно неактивны и активируются только после вовлечения прикрепленных к мембране молекул, то кэпирующие белки, наоборот, в норме активны и инактивируются молекулами мембраны. Поэтому нити, растущие по направлению к мембране, сталкиваются с кэпирующим белком в неактивном состоянии и могут свободно расти дальше, а нити, которые растут в неправильном направлении (вглубь клетки), быстро кэпируются. Таким образом, рост микрофиламентов в направлении мембраны основан на простой асимметрии среды клетки[117] (рис. 34).
Рис. 34. Активация белков, инициирующих полимеризацию актина, и инактивация кэпирующих белков на мембране создают асимметрию среды, и в результате большинство новых микрофиламентов растет по направлению к мембране, а рост филаментов в других направлениях быстро блокируется
Согласованное действие белков на лидирующем крае клетки приводит к тому, что под давлением концов растущих актиновых нитей мембрана этого края проталкивается все дальше вперед. Согласно Третьему закону Ньютона («действию всегда есть равное и противоположно направленное противодействие»), если актиновые филаменты толкают мембрану вперед, то мембрана, в свою очередь, толкает филаменты назад. Если бы система микрофиламентов просто плавала в клетке, все попытки подтолкнуть мембрану вперед приводили бы к тому, что система «отплывала» бы назад. Чтобы этого не случилось, задний конец системы микрофиламентов должен быть закреплен на поверхности, по которой клетка двигается. Это достигается за счет комплексов адгезионных белков.[118]
Адгезионные комплексы не только предоставляют микрофиламентам «точку опоры». Они также позволяют остальной части клетки следовать за лидирующим краем, а не оставаться где-то позади. На некотором расстоянии от разветвленной сети лидирующего края клетки актиновые нити, как правило, образуют «кабели» из множества параллельных нитей, сшитых белком миозином, который может поддерживать эти кабели в натянутом состоянии. Это точно такие же кабели, как те, которые соединяют между собой межклеточные контакты (см. главу 5). В цитоплазме лидирующего края клетки эти кабели не образуются, так как миозин там инактивируется. В остальной части клетки миозин активен, и образование кабелей из актиновых нитей возможно (рис. 35). Поэтому они тянутся от задней части лидирующего края клетки (самая передняя область, в которой они могут формироваться) назад через всю клетку. А поскольку кабели также связаны с адгезионными комплексами, их натяжение (за счет миозина) приводит к подтягиванию и продвижению основной части клетки вперед, к передним концам кабелей. Некоторый вклад в продвижение клетки вносит также укорачивание кабелей за счет разборки.[119] Таким образом, в адгезионных комплексах действуют два вида сил: во-первых, от них отталкивается сеть актиновых нитей ведущего края, чтобы продвинуть переднюю часть клетки, а во-вторых, к ним крепятся толстые кабели, подтягивающие остальную часть клетки вперед. Эти силы даже удалось измерить экспериментально, выращивая клетки на очень тонких и эластичных поверхностях, которые заметно деформируются за счет толкания и натяжения.[120] Адгезионные комплексы развиты сильнее всего сразу за передним краем клетки и слабеют по мере того, как клетка «перетекает» вперед. Ослабленные адгезионные комплексы, сместившиеся к заднему краю клетки, больше не крепятся к субстрату, и тогда вся клетка может переместиться вперед.
Таким образом, небольшой набор компонентов – актин и несколько белков, регулирующих его поведение, – может использовать для самоорганизации простую асимметрию клеточной среды (степень удаленности конкретной части клетки от мембраны) и создавать «двигатель», обеспечивающий перемещение клетки. Все эти белки, конечно, кодируются генами в ядре, но, помимо производства белков, ядро и гены не принимают никакого участия в создании «двигателя».
Рис. 35. Схема расположения тонких микрофиламентов у переднего края клетки, адгезионных комплексов в задней его части и актин-миозиновых «кабелей», идущих в заднем направлении
Это было прекрасно продемонстрировано в экспериментах с клетками рыб: небольшие фрагменты клеток, лишенных ядра (а значит и генов), были вполне способны к перемещению. Обеспечивает эту способность набор белков – именно набор, а не какой-то конкретный белок.
Итак, мы ответили – по крайней мере, в общих чертах – на первую часть вопроса о клеточных миграциях. Мы поняли, за счет чего клетки вообще способны к движению. Теперь нужно понять, как они могут перемещаться в определенном направлении. Клетки эмбриона используют два подхода к решению этой проблемы (либо по отдельности, либо, что бывает чаще, вместе). Один заключается в предоставлении клеткам выбора между поверхностями с разными адгезионными свойствами, а другой – в работе молекул, которые усиливают активацию белков, инициирующих полимеризацию актина, в передней части клетки.
Организацию направленного перемещения клеток за счет дифференциальной адгезии проще всего рассмотреть на примере ряда экспериментов последних десятилетий ХХ века. В лабораторных условиях клетки можно выращивать на самых разных поверхностях – от пластика до сложных биологических молекул. Адгезионные свойства этих поверхностей можно расположить в порядке возрастания просто на основании того, насколько легко или трудно смыть клетки с той или иной поверхности струей воды. Когда клетки помещают на поверхность с «мозаичной» текстурой (некоторые части обладают большей адгезией, чем другие), они беспорядочно перемещаются, пока не достигнут границы. Там клетки могут выбрать, куда им двигаться, и они выбирают поверхность с более сильной адгезией. Этому есть простое объяснение. Рассмотрим клетку, которая расположена на границе скользкой и липкой поверхностей (рис. 36). По определению, та часть, которая находится на более липкой поверхности, будет формировать больше адгезионных контактов, чем другая часть. Сеть тонких филаментов в области переднего края будет хорошо «заякорена», и лидирующий край клетки, отталкиваясь от этого якоря, будет быстро продвигаться вперед. На скользкой поверхности такого «якоря» нет, поэтому лидирующий конец будет расходовать силы на движения в обратном направлении.
Рис. 36. Оказавшись на границе между двумя поверхностями, одна из которых благоприятствует формированию адгезионных комплексов, а другая – нет, клетка переместится на поверхность с более высокой адгезией
Актин-миозиновые «кабели», которые подтягивают основную часть тела клетки вперед, тоже будут лучше крепиться на липком субстрате, что облегчит движение тела клетки в этом направлении. Поэтому и лидирующий край клетки, и ее тело будут заведомо лучше двигаться по липкой поверхности, а значит, туда-то клетка и направится.
В течение нескольких лет ученые сомневались в том, что направленное перемещение клетки за счет адгезии основано на чисто механическом взаимодействии. Высказывались предположения, что сигналы от адгезионных комплексов стимулируют белки, инициирующие полимеризацию актина, то есть направленное перемещение происходит за счет химических процессов. Сомнения развеял один изящный эксперимент,[121] в ходе которого исследователи поместили крошечный стеклянный шарик, покрытый молекулами с хорошей адгезией, на
Тем не менее, хотя в ряде случаев направленное движение клеток действительно происходит чисто механическим путем, в других случаях химическая сигнализация играет очень важную роль. Некоторые молекулы на поверхности не используются для адгезии, а распознаются специальными рецепторами на клеточной мембране, которые активируют сигнальные пути внутри клетки. Некоторые рецепторы и сигнальные пути локально стимулируют активность белков, инициирующих полимеризацию актина, а значит, способствуют локальному продвижению лидирующего края клетки. Другие действуют прямо противоположным образом, подавляя продвижение лидирующего края; в этом случае клетки избегают подобных поверхностей.
Эксперименты со стеклянными шариками и мозаичными поверхностями – это любопытно, но как связана склонность клеток выбирать более липкую поверхность с клеточными миграциями в сложной внутренней среде эмбриона? Если, например, клетки просто выбирают поверхность с более сильной адгезией, то как могут разные клетки одновременно следовать разными маршрутами (которые к тому же иногда пересекаются)? Ответ на этот вопрос отчасти заключается в том, что существует множество разных типов адгезионных комплексов, и каждый из них сильнее всего связывается с определенным поверхностным белком. Например, адгезионный комплекс α6β1-интегрин связывается с поверхностным белком ламинином, а аналогичный комплекс α5β1-интегрин связывается с другим поверхностным белком – фибронектином. Разные типы клеток несут специфические комбинации адгезионных комплексов. Клетки с адгезионным комплексом α6β1-интегрином будут «считать» ламинин поверхностью с сильной адгезией, а клетки с α5β1-интегрин – не будут. Это означает, что разные типы клеток будут выбирать разные направления движения, даже если они движутся по одним и тем же поверхностям.
Неподвижные клетки развивающихся тканей эмбриона синтезируют поверхностные молекулы, такие как ламинин и фибронектин. При этом разные типы клеток секретируют поверхностные молекулы в разных сочетаниях. Это означает, что ползущая клетка воспринимает разные ткани эмбриона как местность с разнообразным и мозаичным рельефом: одни поверхности более липкие, другие – менее липкие, некоторые также несут сигнальные молекулы, привлекательные или непривлекательные для клетки. Разные типы ползущих клеток «видят» этот ландшафт по-разному в зависимости от того, какие адгезионные комплексы и рецепторы они несут, и поверхность, исключительно привлекательная для одного типа клеток, может оказаться абсолютно непривлекательной для другого типа клеток. Это еще один пример того, что смысл знака зависит от интерпретации. Полной информации об означаемом знак сам по себе не несет. Таким образом, каждый тип клеток может продвигаться по эмбриону своим путем.
Мы постоянно узнаем что-то новое о путях миграций клеток по эмбриону, однако того, что мы уже знаем, достаточно для того, чтобы проиллюстрировать только что изложенные общие принципы конкретными примерами. Каждый из описанных случаев относится к популяции клеток, которая отделяется от самой дорсальной части нервной трубки и мигрирует, распадаясь на потоки неплотно соединенных клеток, к разным частям организма. Эти клетки названы по месту их происхождения «клетки нервного гребня», и разные популяции этих клеток имеют разную судьбу. Они дают начало, во-первых, сенсорным клеткам, отвечающим за передачу спинному и головному мозгу тепловых, болевых и тактильных ощущений, а также информации о местоположении, во-вторых, вегетативной нервной системе, отвечающей за неподконтрольные сознанию функции органов, например частоту сердечных сокращений. В-третьих, клетки нервного гребня формируют основную часть надпочечной железы, которая выделяет гормоны (например, адреналин). В-четвертых, они дают начало пигментным клеткам, защищающим кожу от ультрафиолетового излучения. Разные судьбы клеток нервного гребня связаны с разными путями миграции.
Клетки нервного гребня, которые первыми отделяются от нервной трубки, обзаводятся рецепторами, обладающими высоким сродством к поверхностным белкам ламинину и фибронектину (рис. 37). Поэтому они идут по тем миграционным путям, которые содержат эти белки. Кроме того, клетки нервного гребня производят рецепторы, позволяющие опознавать молекулу под названием эфрин (см. рис. 37), но сродство к этой молекуле у них, наоборот, низкое.[122] Много ламинина и фибронектина вырабатывается в сомитах, лежащих по бокам нервной трубки, а также в клетках нижней поверхности эктодермы, залегающей над сомитами и нервной трубкой (см. рис. 37). Многие клетки сомитов также синтезируют эфрин и, следовательно, не являются привлекательными для только что появившихся клеток нервного гребня. Все клетки задней части сомита, которая позднее сформирует костную часть позвонка, производят эфрин, а некоторые – также другие молекулы с теми же свойствами.[123] В передней части сомита экспрессия эфрина организована несколько более сложным образом: он вырабатывается только в той части, которая лежит непосредственно под эктодермой.
Когда клетка нервного гребня покидает нервную трубку рядом с передней частью сомита, она детектирует эфрин и слева, и справа, и сзади (в задней части сомита), и спереди (в задней части предыдущего сомита). Поэтому ни в одном из этих направлений она мигрировать не может. Двигаться в дорсальном направлении она тоже не может, так как уже находится прямо на дорсальном краю эмбриона. Ей остается только одно – погрузиться вниз (в вентральном направлении) в массу клеток сомита, где много ламинина и фибронектина, а эфрина нет. Так задается направление движения клеток нервного гребня – они погружаются в неплотную ткань передней половины каждого сомита, где могут свободно передвигаться.
Рис. 37. Клетки нервного гребня перемещаются по определенным маршрутам, размеченным определенными молекулами (их выделяют ткани, по которым проходит маршрут)
При погружении клетки нервного гребня встречают ткани, выделяющие белок нейрегулин (см. рис. 37). Некоторые из клеток нервного гребня, погрузившихся в сомит, производят рецепторы, чувствительные к нейрегулину, и он привлекает их. Поэтому эти клетки проходят сквозь сомит и оказываются в еще более привлекательных тканях,[124] расположенных рядом с аортой – главным кровеносным сосудом, проходящим по всей длине туловища (глава 9). Еще глубже залегают ткани, которые окружают развивающуюся кишку. Они продуцируют молекулы, непривлекательные для мигрирующих клеток. Это служит гарантией того, что клетки, двигающиеся из сомита вниз по тканям вокруг аорты, не опустятся слишком низко. Итак, клетки нервного гребня теперь находятся в привлекательной для них среде, а в нижележащих тканях им делать нечего.[125] Поэтому они остаются в тканях рядом с аортой. Аорта выделяет белок, под действием которого клетки нервного гребня дают начало симпатической нервной системе (она управляет работой наших внутренних органов независимо от нашего сознания).
Ситуация, при которой клетки нервного гребня превращаются в нервную ткань под действием белков, образующихся в тканях «пункта назначения», представляет собой изящный метод защиты от ошибок. Если бы окончательное местоположение и начало дифференцировки мигрирующих клеток определялись внутренними факторам, например «клеточными часами», которые заставляли бы их приступать к образованию ткани после определенного времени, проведенного в странствиях, то они могли бы приступить к дифференцировке, даже не достигнув нужного места. А если бы заблудившиеся клетки, несмотря ни на что, приступали бы к образованию тканей, островки тканей могли бы образоваться в самых неподходящих местах. Понятно, что это было бы нехорошо. Зависимость начала дифференцировки от сигналов из места назначения служит гарантией того, что не достигшие цели клетки продолжают ее искать, а не приступают к дифференцировке где попало.
Если клетки нервного гребня, первыми покидающие нервную трубку, обычно движутся через сомиты к аорте, клетки, покидающие ее немного позже, чаще всего останавливаются в сомите. Покинув нервную трубку, эти клетки экспрессируют рецептор к белку SDF-1 (см. рис. 37), который продуцируют клетки сомитов. Когда эти клетки нервного гребня входят в сомит, они находят там SDF-1 и под его действием прекращают миграцию и остаются в тканях сомита.[126] Там они собираются вместе и в конечном итоге формируют фрагмент нервной системы – сенсорный ганглий, передающий сенсорную информацию в спинной мозг.
Через некоторое время после начала только что описанных миграций от нервной трубки отделяется третья популяция клеток нервного гребня. Она непохожа на две предыдущие. Эти клетки тоже производят белки, необходимые для клеточного движения, а также рецепторы к ламинину, фибронектину и эфрину, но, кроме того, они продуцируют внутренние белки, которые заставляют их считать эфрин привлекательным.[127] Когда клетки «третьей миграционной волны» покидают нервную трубку, оказывается, что и слева, и справа от них, в частях сомитов под эктодермой спины, есть эфрин. Поэтому они сразу направляются в эти ткани. Таким образом, они следуют по совершенно иному маршруту, чем клетки первых двух «миграционных волн», и остаются непосредственно под эктодермой эмбриона. Это важно, потому что эти клетки, как выясняется, уже вступили на путь дифференцировки и готовы стать пигментными клетками кожи.
Такая детерминация третьей популяции клеток нервного гребня поднимает один важный вопрос. В принципе популяция клеток нервного гребня может пойти по тому или иному пути двумя способами. По аналогии со старыми спорами о поведении человека можно сказать, что речь идет о выборе между «природой» и «воспитанием». Согласно теории «воспитания», ранее считавшейся справедливой, клетки изначально идентичны и приступают к дифференцировке в зависимости от окружения, в котором оказываются.[128] В случае «природной» обусловленности изначальные различия в характере экспрессии генов («природе») клеток сообщают им верное направление, чтобы они нашли место, соответствующее их предопределенной судьбе. Теперь мы знаем, что в случае клеточной дифференцировки «природа» важнее «воспитания» – достаточно посмотреть, как клетки вырабатывают различные наборы белков, которые заставляют их по-разному интерпретировать сигналы при выборе маршрута,[129] – хотя, как было отмечено выше, «пункт назначения» тоже играет важную роль, подавая сигнал прекратить миграцию и приступить к дифференцировке. Надо отметить, что признанная справедливой «природная» теория не помогает нам ответить на вопрос о том, как клетки нервного гребня выбирают свою дальнейшую судьбу, она просто говорит о том, что ответ надо искать на более раннем этапе, когда клетки еще не покинули нервную трубку.
Предыдущие страницы были посвящены исключительно клеткам нервного гребня туловищного отдела эмбриона. Клетки нервного гребня, начинающие свой путь из области шеи, головы и хвоста, имеют иную судьбу, а точнее, целый спектр возможных судеб. Они дают начало структурам, отвечающим за иннервацию кишки, костным элементам лица, пигментным клеткам радужной оболочки глаза, некоторым структурам уха и сердца. Эти клетки, как и те, о которых шла речь, следуют разными путями в зависимости от их будущей судьбы. Подробный рассказ о них был бы утомителен, поэтому ограничусь замечанием, что каждый из них столь же сложен, как и только что описанные пути. Это означает, что для правильной миграции клеток необходимо, чтобы они продуцировали много определенных веществ в нужное время. Генетические мутации, нарушающие нормальный синтез этих веществ (например, мутации, которые повреждают ген, кодирующий один из вовлеченных в процесс белков), вызывают врожденные дефекты развития. Эти дефекты известны под общим названием нейрокристопатии (заболевания, связанные с нервным гребнем). Например, некоторые мутации нарушают передачу сигналов, ведущих клетки нервного гребня из шейного и хвостового отдела в кишечник для создания там нервной системы.[130] У людей с этим дефектом частично или полностью отсутствует иннервация пищеварительной системы. Пища и непереваренные остатки плохо продвигаются по пищеварительному тракту, что приводит к очень тяжелым запорам – так называемой болезни Гиршпрунга. В большинстве случаев этой болезни требуется хирургическое вмешательство в раннем детстве. Другой набор мутаций – в генах, контролирующих внутреннее состояние и дифференцировку клеток нервного гребня, вызывает синдром Ваарденбурга.[131],[132],[133],[134] При этом расстройстве нарушения миграции или дифференциации клеток нервного гребня (особенно пигментных клеток) приводят к проблемам со слухом, с пигментацией радужной оболочки глаза и волос (часто встречается седая прядь на лбу) и в случае некоторых мутаций также к болезни Гиршпрунга. При образовании структур лица клеткам нервного гребня в области головы нужны определенные белки, такие как Treacle, чтобы активно размножающимся клеткам хватало строительных материалов. Мутации гена, кодирующего этот белок, приводят к нехватке основных строительных материалов, истощению и гибели многих клеток. Оставшихся клеток недостаточно для образования нормального лица, и рождается человек с синдромом Тричера—Коллинза[135] – с лицом необычной формы, раскосыми глазами, неразвитыми щеками, маленькой нижней челюстью, опущенными веками и недоразвитыми или отсутствующими мочками ушей.
Природа генов, мутации в которых приводят к нейрокристопатии, подчеркивает один важный момент, касающийся связи между развитием, генетикой и заболеваниями. В популярных статьях и даже в некоторых научных работах нередко встречается фраза «ген такой-то болезни». Если заболевание выражается в утрате или нарушении определенной структуры, например лица, это выражение создает впечатление, что нормальный (не несущий мутацию) ген отвечает за создание этой структуры. Однако, если рассмотреть белки, кодируемые генами, мутации в которых вызывают нейрокристопатию, станет ясно, что они являются частью сложнейших многокомпонентных механизмов, выполняющих такие задачи, как управление клеточными миграциями. Эти задачи решаются для другого структурного уровня и для другого пространственного масштаба (лицо по сравнению с ними – слишком сложная и крупная структура). Белок Treacle (как бы мы ни напрягали воображение) вовсе не формирует лицо. Он всего лишь играет некоторую роль в обеспечении эффективного синтеза рибосом – молекулярных «фабрик белка» (глава 1). Эта простая биохимическая задача не имеет прямого отношения к созданию лица. Однако при нарушении работы этого белка в клетках нервного гребня головы возникает резкая нехватка рибосом, что приводит к их стрессу и гибели.[136] Оставшихся клеток недостаточно для формирования нормального лица. Этот дефект и создает иллюзию того, что белок Treacle «отвечает» за формирование лица, в то время как на самом деле он только способствует образованию рибосом.
Общий вывод из примера с белком Treacle в равной мере справедлив и для подавляющего большинства других случаев: считать, что функция гена заключается в создании какой-то конкретной структуры тела, – это серьезное заблуждение. Если бы выдумки на генетическую тему ограничивались научной фантастикой, все было бы хорошо, но искаженное представление о том,
В качестве примера клеточных миграций я выбрал миграцию клеток нервного гребня, но это далеко не единственный тип мигрирующих клеток. На большие расстояния перемещаются клетки, дающие начало сперматозоидам и яйцеклеткам (глава 10), а также клетки, образующие кровеносную систему (глава 9). Огромное количество типов клеток мигрирует на короткие расстояния, организуясь в тесные группы, формирующие кости и части органов тела (глава 12). В ходе развития нервной системы небольшие группы клеток, мигрируя, создают длинные тонкие отростки (аксоны и дендриты), соединяющие нервные клетки друг с другом, а также с рецепторами и мышцами (глава 13). Защитные клетки иммунной системы способны мигрировать к очагам инфекции даже во взрослом организме (глава 17). Есть и печальные примеры: многие раковые клетки снова активируют механизмы миграции и распространяются из исходной опухоли в другие места, образуя метастазы. Существенная часть интенсивных исследований механизмов клеточного движения при нормальном развитии финансируется фондами изучения рака в надежде на то, что понимание нормальной миграции клеток поможет объяснить, как можно остановить опасный процесс метастазирования раковых клеток. Это лишь один из примеров того, как «чисто теоретические» эмбриологические исследования оказываются тесно связаны с решением насущных проблем, затрагивающих вопросы жизни и смерти конкретных людей.
Глава 9
Прокладка труб
Человек – ходячий шедевр водопроводных работ.
Клетки – объекты очень малого размера: как правило, около сотой доли миллиметра. Белки, которые участвуют во внутриклеточных реакциях, еще меньше: их радиус – примерно десятимиллионная доля миллиметра, а молекулы воды, в которой растворены белки, намного меньше их самих. На молекулярном уровне содержимое клетки находится в постоянном движении. Это не имеет никакого отношения к тому факту, что клетки живые. Движение, о котором я говорю, с тем же успехом продолжится и в мертвой клетке, впрочем, как и в теплом супе. Оно вытекает из основных законов физики. При любой температуре выше абсолютного нуля молекулы совершают случайные колебания и движения (температура – просто мера этой энергии движения, усредненная по популяции молекул). Движущиеся молекулы иногда сталкиваются, а затем отскакивают друг от друга. Если крупные молекулы, например белки, растворены в воде, молекулы воды сталкиваются и с ними, сообщая им часть своего импульса, поэтому молекулы белков тоже находятся в постоянном хаотичном движении.
Этот эффект можно наблюдать и на более крупных и тяжелых объектах, чем белки, например на пылинках. Римский поэт и ученый Лукреций еще в 60 г. до н. э. предположил, что хаотический «танец» частиц дыма в воздухе может быть связан с быстрым движением «атомов» (именно так он их назвал) – невидимые простым глазом, они случайно сталкиваются с частицами.[137] В жидкостях этот эффект впервые наблюдал Ян Ингенхауз в 1785 г., а 42 года спустя его вновь описал шотландский ботаник Роберт Броун. В его честь движение растворенных или взвешенных в жидкости частиц называют «броуновским» (что несколько несправедливо по отношению к Ингенхаузу), а открытие того, что это движение возникает из-за столкновения с невидимыми атомами или молекулами, обычно приписывают Эйнштейну (что несколько несправедливо по отношению к Лукрецию).
Броуновское движение имеет большое значение для развивающегося эмбриона, потому что хаотичное движение молекул является автоматическим механизмом транспортировки растворенных веществ (пищи, кислорода и «стройматериалов») туда, где они нужны. Ферменту, которому требуется конкретное вещество, остается только ждать, когда хаотическое движение приведет это вещество в контакт с ним. Этот механизм хорошо работает на небольших расстояниях, но, учитывая, что хаотично движущиеся молекулы часто меняют направление движения, при увеличении расстояния эффективность транспортировки падает. Для растущего эмбриона это очень существенно: поскольку пища и кислород поступают через стенки матки, клетки, находящиеся глубоко внутри развивающегося организма, рискуют остаться без необходимых веществ и погибнуть голодной смертью. Максимальное расстояние, на котором обычная клетка млекопитающего в плотной ткани может получать питательные вещества за счет случайной тепловой диффузии, в несколько десятков раз превышает диаметр клетки (некоторые специализированные клетки, в частности клетки скелета и связанных с ним тканей, могут находиться дальше от источника питательных веществ). Эмбриону бо́льшего размера – а центр туловища взрослого человека лежит на расстоянии примерно в тридцать тысяч клеточных диаметров от кожи – необходимо разработать систему эффективного транспорта питательных вещества в глубоко лежащие ткани. Такая система должна подводить питательные вещества достаточно близко к каждой клетке, чтобы они могли преодолеть оставшееся расстояние за счет хаотической тепловой диффузии. В организме человека и других позвоночных проблема решается за счет циркуляции жидкости-носителя – крови – по тончайшим трубочкам, расходящимся по всем уголкам тела.
Для работы кровеносной системы нужны четыре основных компонента: жидкая составляющая крови, переносящая основную часть питательных веществ и токсинов; свободно плавающие в ней клетки крови, отвечающие за перенос кислорода (транспортировать кислород в растворенном виде проблематично); замкнутая система труб для подведения крови к тканям; и насос для поддержания циркуляции крови между тканями, в которых кровь обогащается полезными веществами, и тканями, которые расходуют их. Все ткани развивающегося эмбриона потребляют питательные вещества и выделяют продукты обмена. В плаценте кровь эмбриона подходит очень близко к крови матери, которая обновляется и очищается с помощью легких, кишечника, печени и почек. Так как молекулы могут довольно свободно циркулировать между кровеносными системами матери и эмбриона, их концентрация, как правило, стремится к равновесию, поэтому в плаценте истощенная кровь эмбриона обогащается кислородом и питательными веществами и избавляется от отходов. Поэтому кровь эмбриона должна циркулировать по кругу от плаценты к телу эмбриона и обратно. Для этого должна появиться система кровеносных сосудов и «насос».
Сосудистая система эмбриона человека возникает в виде двух основных частей. Одна из них находится за пределами эмбриона, в желточном мешке, а другая – внутри эмбриона. Обе части важны и вместе формируют единую систему, но, чтобы немного упростить тему, в этой главе мы сосредоточимся главным образом на той части кровеносной системы, которая располагается в организме эмбриона.
Клетки, которые дадут начало первым кровеносным сосудам эмбриона, можно впервые различить в мезодерме[138] на самом краю тела эмбриона примерно в то время, когда формируется нервная трубка[139] (глава 5; рис. 38). Их формирование и размножение запускается сигнальным белком, VEGF, который секретируется другими областями мезодермы, а также эндодермой.[140],[141] В ответ на сигналы эти клетки – гемангиобласты[142] – начинают размножаться и производить белки, характерные для кровеносных сосудов. Это мигрирующие клетки; они чувствительны к сигнальным белкам, которые синтезируются сомитами, и мигрируют в направлении источника этих белков. Итак, гемангиобласты перемещаются от края эмбриона к средней линии его тела[143],[144] (рис. 38,
Рис. 38. Закладка аорт – первых артерий эмбриона: (
Если бы сигналов больше не поступало, развитие гемангиобластов остановилось бы. Продолжение развития, как и многие другие события в районе средней линии раннего эмбриона, зависит от сигналов белка Sonic Hedgehog, который вырабатывается нотохордом.[145] В присутствии этого белка гемангиобласты «прилипают» друг к другу, образуя сеть связанных клеток. Клетки, которые сошлись под сомитами, формируют такую плотную сеть, что с обеих сторон эмбриона она принимает вид плотных тяжей, проходящих под сомитами (см. рис. 38,
Важность поступления белка Sonic Hedgehog из эндодермы была показана в экспериментах двух типов, выполненных одной и той же исследовательской группой.[146] В первом эксперименте удаляли эндодерму, ликвидируя таким образом основной источник этой молекулы, и аорта не формировалась. Во втором эксперименте чистый белок Sonic Hedgehog добавили искусственным путем в эмбрион, лишенный эндодермы, и образование кровеносных сосудов налаживалось. Роль белка Sonic Hedgehog подтверждается тем фактом, что даже в простых чашках Петри можно заставить гемангиобласты создавать цепь сосудистых трубок, просто добавив этот белок.
Учитывая, что под влиянием сигнальных белков гемангиобласты слипаются друг с другом, есть риск того, что они образуют только один тяж, идущий вдоль средней линии тела. Чтобы этого не произошло, в действие вступают сигнальные белки малого радиуса действия, такие как Noggin. Их источником является нотохорд. Поскольку пространство под нотохордом (между ним и эндодермой) ограничено, эти белки эффективно блокируют формирование кровеносных сосудов вдоль средней линии. В результате образуются две отдельные аорты – по одной на каждой стороне тела[147] (рис. 40). Такое расположение сосудов нормально для раннего эмбриона, но в дальнейшем меняется по мере созревания плода.[148]
Поделиться книгой: