Помоги проекту - поделись книгой:
Рис. 39. Предполагаемая схема того, как плотный тяж гемангиобластов превращается в полый сосуд. (Происходит ли это именно так у человека, непонятно, но для других животных эта схема справедлива.) Внешний клеточный слой (его клетки асимметричны, так как контактируют не только с другими гемангиобластами) поляризуется, образуя герметичную трубку. Внутренние клетки, со всех сторон окруженные себе подобными клетками и лишенные контакта с тканью снаружи, погибают, и образуется полость, по которой в один прекрасный день потечет кровь
Кровеносные сосуды тела бывают двух типов – артерии и вены. Артерии – это сосуды с относительно маленьким просветом и толстыми стенками, по которым кровь идет под высоким давлением из сердца к мелким кровеносным сосудам в тканях. Вены – это сосуды большего диаметра и с более тонкими стенками, по которым кровь возвращается к сердцу под более низким давлением. Выяснилось, что судьба гемангиобластов предопределена еще до начала их миграции к средней линии тела. В клетках, которые дадут начало артериям, экспрессируется немного другой набор белков, чем в клетках, которые дадут начало венам (особенно это относится к белкам, которые принимают участие в межклеточных взаимодействиях). По крайней мере, у рыб, которые хорошо изучены в этом отношении, дифференцировка гемангиобластов на венозные и артериальные контролируется, опять же, белками семейства Hedgehog. Если клетка получает эти сигнальные белки в высоких концентрациях, она рано развивается, рано начинает миграцию и берет на себя функции артериального гемангиобласта. Если же клетка получает эти белки в низких концентрациях, то она развивается и мигрирует позже, становясь венозным гемангиобластом.[149] Разные наборы белков, выделяемые клетками с разной судьбой, позволяют им распознавать себе подобных и держаться вместе с ними. Клетки, запрограммированные на формирование вен, мигрируют по несколько иным маршрутам, но образуют кровеносные сосуды по той же основной схеме. Две крупные вены образуются параллельно аортам по всей длине эмбриона, но дальше от срединной линии (что вполне естественно, потому что концентрация белков семейства Hedgehog там ниже, и среда более благоприятна для образования вен).
Рис. 40. Нотохорд выделяет белки Noggin, которые не дают тяжам гемангиобластов слиться по срединной линии. Поэтому формируются два отдельных тяжа, по одному с каждой стороны тела. В дальнейшем тяжи превращаются в полые трубки – правую и левую аорты
В ткани артериальная и венозная системы образуют тонкие ответвления, которые соединяются, формируя сеть мелких кровеносных сосудов. Стенки этих сосудов достаточно тонкие, так что кислород и питательные вещества могут свободно проникать через них.
Однако от кровеносных сосудов мало прока, если нет сердца, которое гонит по ним кровь. Поэтому этот орган одним из первых появляется у эмбриона и первым начинает функционировать. Сердце начинает формироваться примерно через девятнадцать дней после зачатия и примерно через два дня после начала образования крупных сосудов. Подобно тому как гемангиобласты собираются вместе и образуют трубки по обеим сторонам от средней линии, клетки, которые создадут сердце, сходятся и образуют новую пару трубок. Эти кардиогенные клетки также приходят из мезодермы с внешних краев эмбриона, но в данном случае с внешних краев головной части эмбриона, а не его туловища (рис. 41,
Рис. 41. Три стадии формирования сердца. Схемы в верхнем ряду, на которых эмбрион показан сбоку, уже встречались нам в главе 5; на схемах в нижнем ряду показан вид сверху (
Как и гемангиобласты, которые формируют артерии и вены, кардиогенные клетки приобретают способность к миграции, распознают себе подобные клетки, объединяются с ними и образуют трубки. Концы этих трубок, обращенные к туловищу эмбриона, соединяются с аортами, образуя непрерывный слой клеток. На этом этапе тело эмбриона довольно быстро удлиняется, и геометрия его концов меняется. В конце главы 5 я упоминал, что концы тела эмбриона подворачиваются вниз и за счет этого из эндодермы образуется кишечная трубка. Другим результатом этого подворачивания является то, что полумесяц ткани на краю головной части, где располагаются кардиогенные клетки, продвигается вниз по передней поверхности эмбриона приблизительно до уровня будущей груди; таким образом, он оказывается ниже кишечника (рис. 41,
Заворачивание тела эмбриона над концом кишки захватывает и концы аорт, к которым уже присоединились трубки сердца. Конец левой аорты направлен вниз слева от кишечника, а конец правой – соответственно справа, так что в результате кишечник оказывается окружен артериальным кольцом (рис. 42).[152] Позже нотохорд перестает продуцировать сигнальные белки, препятствующие слиянию проходящих над кишечником дорсальных аорт, и они объединяются в один сосуд.
На ранних стадиях сердечная трубка состоит из одного типа клеток, образующих выстилку кровеносных сосудов. В ней нет ни мышц, ни каких-либо специализированных тканей, обеспечивающих управление и контроль, а без таких тканей работа органа, который должен биться и/или играть роль насоса, невозможна. Однако уже через несколько дней сердечная трубка «притягивает» клетки, которые образуют сердечную мышцу и другие необходимые ткани.
Клетки сердечной мышцы обладают интересным свойством: они могут сокращаться сами по себе, не будучи связанными с нервной системой. Объединяясь, они взаимодействуют при помощи электрических сигналов, что позволяет синхронизировать сокращения разных клеток. Исследователи, работающие со стволовыми клетками эмбриона, имеют возможность непосредственно наблюдать за этим процессом. Когда стволовые клетки эмбриона выращиваются в условиях, при которых они могут «начать сначала» и приступить к созданию тканей тела, некоторые из них становятся сердечными мышечными клетками. В течение нескольких дней на дне чашки Петри в море разнообразных клеток появляются многочисленные пульсирующие островки регулярно сокращающихся клеток сердечной мышцы.[153] Это удивительное зрелище, от которого невозможно оторваться даже тем счастливцам, которые имеют возможность наблюдать такое каждый день.
Рис. 42. За счет того же процесса изгибания эмбриона, благодаря которому кардиогенные клетки оказываются в его нижней части, оказываются внизу и места их соединения с головным концом аорты. Это приводит к образованию артериальной петли вокруг кишечника – дуги аорты. На схеме эмбрион «спрямлен», чтобы этот процесс был виден более четко
Хотя простая мышечная трубка очень далека от анатомически сложного развитого человеческого сердца, она вполне справляется с перегонкой небольших объемов крови по организму эмбриона на ранних стадиях развития. Наблюдать за работой сердца человеческого эмбриона по понятным причинам затруднительно, но сердечные трубки эмбрионов рыб, очень похожие на человеческие, являются благодатным объектом для исследования, потому что большинство рыб развивается в икринках вне тела матери и их эмбрионы прозрачны. Кроме того, некоторые виды рыб можно генетически модифицировать так, что их сердечные трубки будут флуоресцировать ярко-зеленым цветом, и следить за их развитием будет еще проще. Скоростная съемка этих эмбрионов показала, что механизм, с помощью которого работает сердечная трубка, удивительно сложен. Раньше предполагалось, что сердечные трубки перемещают кровь с помощью простой перистальтики: мышцы волнообразно сокращаются, трубка сужается и толкает жидкость вперед. Однако тщательное изучение[154] видео, снятых на большой скорости, показало, что работа сердечного «насоса» гораздо более эффективна и полагается на механизм отражения волн давления от конца трубки.
Отражение волн давления на концах труб или в местах, где меняется диаметр или эластичность стенок, – обычное явление. На нем основано, например, отражение звуковых волн в трубах органа. Часть волны, отраженная в нисходящем направлении, взаимодействует с восходящей частью; если длина волны такова, что эти части совпадают по фазе, возникает громкий звук (длина волны зависит от длины трубы, поэтому для получения нот разного тона используются трубы разной длины). Отраженные волны жидкости могут быть весьма мощными. Хороший пример мы находим в книге «Утро стрелочника» – автобиографии отставного железнодорожника Адриана Вохана.[155] В ней есть эпизод, когда инженер проверяет клапан в большом водоводе, открывая и быстро закрывая его несколько раз. Когда волна отраженного давления жидкости, вызванная первым открытием клапана, встретилась со следующей волной, возникло такое высокое давление, что трубы лопнули и на главной железнодорожной линии между Лондоном и Бристолем на несколько часов воцарился полный хаос.
В кровеносной системе эмбриона нет ни клапанов, ни открытых концов, но в местах, где большие вены присоединяются к сердцу, диаметр и эластичность стенок сосудов резко меняются. Этого достаточно для возникновения волн отраженного давления, и на ранних этапах развития эмбрион очень умело пользуется этой особенностью. Сердечный цикл начинается с сокращения небольшого участка заднего отдела сердца и локального сужения трубки (рис. 43). Сокращение распространяется от этой точки в обоих направлениях. Зачем сокращение должно распространяться к голове, интуитивно понятно (для продвижения крови вперед), а вот сокращения, направленные к хвосту, кажутся нелогичными. Однако возникающая в результате волна давления, распространяясь к хвосту, сильно отражается от места соединения с большими венами. При этом задняя часть сердца расслабляется, благодаря чему трубка открывается и начинает засасывать кровь. Таким образом, кровь движется вперед и за счет засасывания, и за счет волны отраженного давления, которая теперь движется к голове, заполняя пространство, открывающееся за волной сокращения, которая все это время распространялась в этом направлении.
Рис. 43. На ранних этапах развития сердце устроено очень просто; у него нет ни клапанов, ни сложных систем контроля. Тем не менее оно эффективно гонит кровь благодаря отражению направленной к хвосту волны давления от места соединения сердца и вен (отмечено звездочкой на первой схеме)
Этого простейшего сердца достаточно для того, чтобы перегонять кровь по телу эмбриона, а также подводить ее к плаценте и желточному мешку. На более поздних этапах развития оно претерпевает множество сложнейших изменений, и простая трубка, перегонявшая кровь к голове, превращается в четырехкамерный орган, снабженный многочисленными клапанами. Они нужны для того, чтобы обслуживать два круга кровообращения, подводя кровь сначала к легким, а затем ко всем остальным частям организма.
После образования аорт, больших вен и сердца эмбрион переходит к созданию других кровеносных сосудов, используя для этого два новых метода. Первый метод – это ветвление уже существующих артерий и вен. Ответвления прорастают в ткани и, соединяясь друг с другом, формируют новые сосуды, по которым и будет течь кровь. От аорты, например, отходят сосуды, которые проходят между сомитами, ветвятся в нервной трубке и мышцах спины, а затем присоединяются к ответвлениям больших вен. От аорты также отходят сосуды к близлежащим органам, например к почкам (глава 10) и половым железам (глава 11). В некоторых отделах тела, например в шейном, артериальные сосуды, проходящие между сомитами, формируют боковые ответвления и таким образом соединяются друг с другом. Это означает, что ряд параллельных артерий в области шеи вблизи средней линии теперь соединяется, по сути дела, новой артерией, проходящей в направлении от головы к хвосту (рис. 44). После этого большинство поперечных артерий исчезает, и остается только новая, позвоночная артерия. Такая перепланировка системы кровообращения происходит многократно, еще раз указывая на то, что наше тело возникло – за счет целого ряда сложнейших модификаций – на основе плана строения эмбриона рыбы. Если бы человеческий эмбрион создавался с нуля, он был бы сразу похож на взрослую особь. Скорее всего, мутации, которые радикально меняли бы рыбообразный эмбрион и при этом не приводили к его немедленной гибели, были настолько маловероятны, что единственно возможным механизмом эволюции оставались мелкие постепенные изменения.
Рис. 44. Пример масштабной перепланировки системы кровеносных сосудов во время развития эмбриона. В области шеи, как и в туловище, от артерии отходят ответвления, проходящие между сомитами. От них, в свою очередь, отходят сосуды, проходящие в направлении голова – хвост. Когда они встречаются, образуется сеть артерий. Новые артерии развиваются, а поперечные сосуды дегенерируют. Таким образом, образуются две новые (позвоночные) артерии, идущие от головы к хвосту. Сохранившиеся поперечные артерии, показанные на схеме внизу, преобразуются в подключичные артерии взрослых особей. В нашем организме есть множество подобных примеров, как скажет вам любой отчаявшийся запомнить их студент медицинского института
Второй «новый» метод создания новых кровеносных сосудов прекрасно подходит для того, чтобы добавлять элементы к уже функционирующей системе, не нарушая при этом ее работу (как мы говорили в главе 1, это серьезная проблема). При
Рис. 45. Интуссусцептивное ветвление: (
Однако, помимо кровеносных сосудов и сердца, у эмбриона должны образоваться также и собственно клетки крови. Здесь возникает проблема топологического характера: клетки крови должны находиться внутри кровеносных сосудов, а они образуют замкнутую систему, не имеющую прямой связи с остальными частями организма. Как же заполнить кровеносную систему клетками крови? Очень просто: первые кровяные тельца возникают из клеток, которые когда-то были клетками стенки аорты, и, следовательно, имеют доступ к просвету сосуда с момента его образования.[157],[158]
Формирование клеток крови из стенки аорты решает топологическую проблему, но ставит проблему иного характера: приступить к созданию клеток крови должны лишь некоторые клетки стенки аорты. Если это попытаются сделать все клетки, будет кровь, но не будет сосуда. Нужно, чтобы популяция идентичных клеток поделилась на две группы и у каждой был свой путь развития. И в этом случае тоже процессом дифференцировки управляют сигналы, поступающие из близлежащих тканей. Ткани органов, залегающих ниже аорты, например ткани кишечника, подают сигналы, подталкивающие клетки стенок сосуда к образованию клеток крови, а ткани органов, лежащих выше аорты, например ткани нервной трубки, этот процесс подавляют. Были найдены несколько сигнальных белков, вовлеченных в этот процесс, и оказалось, что среди них есть белки семейства Hedgehog, которые ранее контролировали образование аорты.[159]
Сигналы, поступающие от окружающих тканей, примерно определяют участок стенки аорты, клетки которого превратятся в клетки крови, но, чтобы ограничить число клеток, вовлеченных в этот процесс, используются другие механизмы. Клетки участка, предрасположенного к образованию клеток крови, начинают «переговариваться» между собой. Эти «разговоры», осуществляющиеся при помощи молекул на наружной поверхности клеток, похожи не на массовое оповещение, как при распространении сигнала с образованием градиента, а на негромкий обмен репликами между соседями. Нам известны далеко не все подробности, но некоторые из этих молекул уже выявлены; к ним относятся, например, белки Notch, Jagged и Mind-bomb.[160] Такие «разговоры по-соседски» приводят к тому, что не все клетки этой области становятся клетками крови.
Клетки, покидающие стенку аорты, – это еще не клетки крови, а скорее, стволовые клетки кровяной линии. Я уже говорил о стволовых клетках в главе 1, имея в виду клетки эмбриона на ранней стадии развития, которые могут дать начало любым клеткам организма. Сейчас речь идет о другом типе стволовых клеток. Клетки, покидающие стенку аорты, могут дать начало только разным типам клеток крови. Покинув аорту, они мигрируют и сначала поселяются в печени, которая только начинает развиваться (глава 10). Там они создают всю кровь для раннего плода. Гораздо позже, после образования костей, стволовые клетки кровяной линии снова отправляются в путь и окончательно обосновываются в костном мозге. Мы вернемся к их судьбе в главе 18.
Большие сосуды организма имеют стандартное расположение, не слишком отличающееся у разных людей. Напротив, расположение малых сосудов и тонких капилляров, доставляющих кровь вглубь тканей, сильно варьирует, поскольку они развиваются в соответствии с локальными потребностями конкретной ткани. У такой системы есть одно большое преимущество: она может адаптироваться к ошибкам и изменениям в расположении и площади ткани, которые должна обслуживать. Если клетки ткани «поймут», что находятся слишком далеко от ближайшего кровеносного сосуда, они подадут биохимический сигнал о помощи, и помощь – в виде новых сосудов и капилляров – не замедлит прийти.
Самое серьезное последствие расположения клетки вдали от циркулирующей крови – это нехватка кислорода (гипоксия). На этом основано действие по крайней мере одной из систем, контролирующих развитие кровеносных сосудов. Большинство клеток содержит белок, который называется Hypoxia Inducible Factor Alpha[161] (Hif1α). При нормальных концентрациях кислорода Hif1α быстро переходит в состояние, в котором он сразу разрушается клеточной системой переработки белка.[162],[163] При недостатке кислорода Hif1α остается в стабильном состоянии, не разрушается и не перерабатывается. Он успевает войти в ядро клетки и активировать несколько конкретных генов. Белки, кодируемые некоторыми из этих генов, приостанавливают клеточные процессы, для которых требуется кислород, за исключением процессов, необходимых для выживания. В частности, они прекращают размножение клеток, чтобы не добавлять новые клетки к области, и без того бедной кислородом, и не усугублять проблему. Однако еще один ген, активируемый Hif1α, делает нечто совершенно противоположное: он отвечает за производство VEGF[164] – белка, способствующего размножению и миграции клеток кровеносных сосудов. Этот белок и служит тем самым биохимическим «криком о помощи».
Обнаружив VEGF, клетки стенок кровеносных сосудов – как артерий, так и вен – начинают размножаться и двигаться в направлении наибольшей концентрации VEGF, то есть непосредственно к ткани, которой не хватает кислорода. Ветви мелких сосудов прорастают в ткани и там соединяются, создавая сеть мелких трубочек. В результате образуются тонкие сосуды – капилляры, – соединяющие артерии и вены и доставляющие свежую кровь тканям, которым раньше не хватало кислорода.
Когда кровь доставляет кислород к клеткам, которым его не хватает, Hif1α в них тут же разрушается. Когда концентрация Hif1α достигнет минимума, гены, экспрессию которых запускал этот белок, перестают экспрессироваться. Следовательно, клетки больше не подают сигналы о помощи и могут свободно размножаться. В результате размножения рано или поздно клеток будет так много, что клеткам, расположенным далеко от капилляра, снова будет не хватать кислорода, и процесс повторится сначала.
Подобные системы гарантируют то, что кровоснабжение будет поспевать за увеличением количества клеток и ростом ткани. Развивающимся сосудам не нужна точная «карта» роста тканей. Они просто должны уловить сигналы о помощи от тканей, испытывающих нехватку кислорода, и направиться к ним. Этот способ весьма экономичен в плане объема информации, которой должны обладать клетки (если бы клетки «ориентировались» по некоей гипотетической «карте», информации потребовалось бы гораздо больше), и при этом практически бесконечно адаптивен, так как позволяет обеспечить кислородом любую ткань, которая в нем нуждается.
Образование новых ветвей кровеносных сосудов зависит не только от сигналов тканей, в которых проходят сосуды, но и от самого кровотока. При движении жидкости вниз по трубке возникает слабая сила сопротивления, действующая и на движущуюся жидкость, и на стенки трубки. Течение жидкости замедляется, а вдоль стенок трубки действует сила, известная как напряжение сдвига. Ровное, спокойное течение жидкости (специалисты называют это «ламинарным потоком») вызывает лишь незначительное напряжение сдвига, и клетки стенки сосуда реагируют на такое воздействие, не изменяя своей стабильной формы. С другой стороны, турбулентный поток, который возник бы в том случае, если бы слишком много крови сразу хлынуло в узкий сосуд или изгиб сосуда был бы слишком резким, вызывает сильное напряжение сдвига в стенке сосуда. Клетки, оказавшиеся под таким воздействием, начинают создавать новые отростки, разветвлять уже существующие за счет интуссусцептивного ангиогенеза или делать и то и другое. Эффект не заставляет себя ждать: если пережать ветвь артерии, проходящей по поверхности желтка в курином яйце, напор крови в других местах увеличится и интуссусцептивная перестройка артериальной системы начнется в течение пятнадцати минут. Она будет продолжаться до тех пор, пока давление крови и скорость потока не придут в норму, а ткань не будет должным образом обеспечена кровеносными сосудами.[165] Постоянная и автоматическая перестройка кровеносной системы, направленная на избегание «горячих точек» турбулентности, приводит к появлению кровеносной системы с ровным кровотоком, силы, воздействующие на стенки сосудов, минимальны, сердце практически не тратит энергию на сопротивление турбулентности. И, как уже было сказано, это адаптивная и автоматическая система.
Адаптивность развития кровеносных сосудов очень важна для способности нашего организма к самоподдержанию и самокоррекции (см. главу 18), но и плата за это высока. Опухоли, как и обычные ткани, состоят из клеток, которые лучше всего чувствуют себя при высоком содержании кислорода. Когда клетки в середине растущей опухоли начинают чувствовать нехватку кислорода, они, как правило, тоже посылают сигнал о помощи, как это сделали бы нормальные клетки организма. Не понимая, что сигнал идет от потенциально опасной опухоли, а не от нормальных клеток, попавших в беду, близлежащие кровеносные сосуды услужливо направляют свои ветви в опухоль, обеспечивая ее кислородом и пищей и, таким образом, помогая ей расти. Один из подходов к разработке противоопухолевых лекарств основан на блокировании способности кровеносных сосудов отвечать на сигналы опухоли. Проблема осложняется тем, что клетки могут «звать на помощь» по-разному, но некоторый прогресс в этом направлении есть. Может быть, разработанные таким образом лекарства и не станут панацеей, но не исключено, что в сочетании с другими методами лечения они позволят продлить жизнь многим раковым больным.
Глава 10
Организация органов
Только орган, все время орган…
Основной особенностью крупных и сложных животных, включая человека, является то, что их организм состоит не из бесформенной массы клеток, а из отдельных органов, каждый из которых выполняет определенный набор задач. Легкие обогащают кровь кислородом, тимус (вилочковая железа) продуцирует клетки и гормоны иммунной системы, кишечник поглощает питательные вещества. Поджелудочная железа вырабатывает ферменты, облегчающие переваривание пищи в кишечнике, и выделяет гормоны, регулирующие обмен веществ. Почки фильтруют кровь, а матка служит местом развития плода. Такое распределение задач по органам позволяет организму справляться сразу с несколькими явно взаимоисключающими процессами, которые протекают одновременно. Например, в организме ребенка образуются новые белки для роста мышц и в то же время синтезируются ферменты, способствующие перевариванию мышечных белков мяса, которое он только что съел. Понятно, что эти процессы должны быть разнесены в пространстве во избежание бессмысленного цикла синтеза и разрушения.
Модульная природа тела, построенного из отдельных органов, в процессе развития проявляется в том, что каждый орган формируется главным образом за счет локального взаимодействия собственных клеток. Он «советуется» с организмом только по нескольким ключевым вопросам, касающимся времени начала и конца развития, а также собственных размеров. Детали строения органов в основном появляются в результате процессов, протекающих внутри самого органа. На самом деле многие органы можно удалить из эмбриона и выращивать по крайней мере несколько дней в инкубаторе, где они развиваются так же, как если бы по-прежнему находились в организме.[166]
По характеру развития внутренние органы тела можно разделить на три основных класса. К первому классу относится только сердце, развитие которого абсолютно уникально (мы обсуждали его ранние этапы в главе 9). Второй и самый обширный класс включает такие органы, как легкие, печень, поджелудочная железа и желчный пузырь. Их объединяет то, что они развиваются как ответвления кишки (рис. 46). Первой формируется печень, причем как в процессе индивидуального развития, так и в эволюционной истории. Стенка кишки образует ветвь (это во многом сходно с ветвлением артерий; см. главу 9) и «прорастает» в соседние ткани. Этот вырост, который впоследствии станет основным протоком печени, разветвляется еще раз, и его клетки дают начало клеткам печени. Затем в этой клеточной массе образуются многочисленные тонкие трубочки, сходящиеся к основному протоку. По системе протоков секретируемые печенью вещества будут поступать в двенадцатиперстную кишку и способствовать пищеварению. Пока формируется печень, от кишки отходит еще один вырост, дающий начало желчному пузырю. Поблизости формируются еще два зачатка, которые, многократно ветвясь, создадут секреторную систему поджелудочной железы. Значительно выше, ближе к голове, от кишки отпочковывается еще один отросток. У рыб он дает начало плавательному пузырю – простому мешочку с воздухом, который позволяет контролировать плавучесть. У млекопитающих этот орган сильно модифицирован: отросток разветвляется, каждая ветвь расходится еще несколько раз, и в результате получается обширная древовидная система – дыхательные пути легких. Во всех этих случаях появление отростка кишки контролируется сигналами от близлежащих клеток мезодермального происхождения, а организация ткани в органы происходит за счет сотрудничества эндодермальных по происхождению клеток кишки, которые формируют трубки (дыхательные пути, протоки и т. д.) нового органа, и клеток мезодермального происхождения, которые дают начало остальным тканям органа. В образование некоторых органах также вовлечены клетки, происходящие от клеток нервного гребня.
Третий класс внутренних органов включает те, которые полностью возникают из мезодермы. К ним относятся селезенка, половые железы (даже у мальчиков они формируются внутри тела, спускаясь в мошонку позже), три пары почек (у взрослых сохраняется только одна пара), матка, а также разнообразные протоки, связанные с мочеполовой и выделительной системой. Развитие большинства этих органов начинается с того, что в мезодерме за внешними краями сомитов образуются две длинные трубки. Эти трубки – вольфов проток и мюллеров проток – образуют внутреннюю систему каналов мужской и женской репродуктивных систем соответственно (глава 12). Также от вольфова канала отходят отростки, играющие важную роль в формировании постоянных почек (рис. 46). Главное различие между органами, которые образуются из мезодермы, и органами, которые формируются за счет кишки, заключается в том, что в органах мезодермального происхождения, например в почках и половых железах, по мере развития могут образоваться новые каналы, а в эндодермальных органах обычно ветвятся уже существующие каналы.
Рис. 46. Внутренние органы туловища делятся на две основные группы: (
Строение каждого органа уникально и является результатом специфической последовательности событий при его развитии. Эти события основаны за счет нескольких простых морфогенезов, таких как образование трубок, их соединение и объединение клеток в группы.[167] Для контроля над процессами развития разные органы часто используют одни и те же молекулы. Поэтому я не буду описывать развитие всех органов по отдельности, а расскажу только о постоянной почке, постаравшись проиллюстрировать на этом примере принципы, общие для всех органогенезов.
Прежде чем обратиться к развитию почек, стоит познакомиться с их функциями и внутренним строением. Основная функция почек – выведение из организма токсинов и продуктов обмена. Разнообразие токсинов, которые могут оказаться в крови животного, практически бесконечно, особенно если у него разнообразный рацион. Поэтому почки не могут работать по принципу «конкретный токсин – конкретная система его выведения». Все мелкие молекулы – как «полезные», так и «вредные» – отфильтровываются из крови во временное хранилище, а затем специальные транспортные системы отбирают и возвращают обратно в организм ограниченное число «полезных» молекул. Фильтрация осуществляется с помощью нескольких сотен тысяч единиц – клубочков. Клубочек представляют собой группу мелких «подтекающих» кровеносных сосудов, покрытых тончайшим «фильтром» и расположенных внутри одного конца трубки – нефрона. Просачивающаяся через фильтр жидкость поступает в нефрон и движется по нему, подталкиваемая вновь поступающей жидкостью. По мере продвижения жидкости по нефрону клетки его выстилки захватывают и возвращают в кровь определенные вещества, например сахара. То, что осталось, стекает в одну из ветвей древовидной системы собирающих протоков и поступает в мочевой пузырь в виде мочи. Поэтому основные задачи развивающихся почек заключаются в формировании системы сбора мочи, создании связанных с ней сотен тысяч нефронов и подведении к фильтрационным концам нефронов кровеносных сосудов для образования клубочков (рис. 47).
Рис. 47. Схема почки взрослого человека и одного из сотен тысяч ее нефронов. Один его конец отфильтровывает из крови воду и мелкие молекулы, в том числе отходы. В извитой трубке ценные молекулы удаляются из мочи и поступают обратно в организм, а моча проходит в разветвленную систему собирающих протоков, откуда после удаления лишней воды поступает в мочевой пузырь. Рисунок почки взят из первого издания «Анатомии» Грея
Почки относятся к классу органов, развивающихся из мезодермы. В процессе развития человеческого эмбриона формируются три пары почек, но на момент рождения остается только третья пара. Постоянные почки возникают ближе к хвостовой части туловища эмбриона. Сначала становится заметным плотное скопление, состоящее из нескольких сотен мезодермальных клеток. Почему оно возникает именно в этом месте и именно в это время, до сих пор непонятно, но скорее всего это происходит за счет того, что клетки мезодермы, во-первых, выделяют специфические для них белки, а во-вторых, начинают продуцировать HOX-белки, характерные для положения этих клеток на оси «голова – хвост» (глава 6). Исследователи уже выделили несколько ДНК-связывающих белков, необходимых для правильного формирования этого скопления клеток (так называемой метанефрогенной мезенхимы), но до полного понимания этого процесса еще далеко.
Первая важная функция метанефрогенной мезенхимы, которую я в дальнейшем буду называть просто мезенхимой, заключается в синтезе и секреции сигнального белка GDNF, распространяющегося по близлежащим тканям. Сразу после этого вольфов канал – одна из трубок, проходящих вдоль тела эмбриона, – дает ответвление непосредственно в мезенхиму (рис. 48).
Рис. 48. Начальные этапы развития почки: заштрихованная группа клеток выделяет сигнальную молекулу (GDNF), а расположенный рядом вольфов проток посылает в направлении источника сигнала боковой отросток
То, что эти два события – начало производства сигнальной молекулы и образование выроста близлежащей ткани – происходят одно за другим, наводит на мысль о причинно-следственной связи между ними. Несколько разных экспериментов показали, что направленное врастание отростка в мезенхиму действительно связано с активностью GDNF. В экспериментах первой серии активность GDNF подавлялась (за счет блокировки химическими веществами[168],[169] или за счет мутации в кодирующем его гене мыши[170]); в отсутствие этого белка отросток формировался неправильно.[171] В другой серии экспериментов пропитанные GDNF пористые микросферы помещали рядом с вольфовым каналом, и тогда он, помимо обычного выроста в направлении мезенхимы, формировал дополнительные отростки в направлении микросфер. Таким образом, эксперименты первой серии показали, что сигнальная молекула нужна для конкретного процесса, а эксперименты второй серии – что этой молекулы в чистом виде достаточно для того, чтобы его запустить. За счет подобных разноплановых экспериментов исследователи и доказывают, что конкретный сигнал контролирует конкретный процесс, и рассуждения о сигнальных молекулах и реакции тканей, нередко встречающиеся в этой книге, базируются именно на них.
Процесс образования отростка вольфова протока похож на ветвление кровеносных сосудов в ответ на присутствие VEGF (глава 9) – молекулы разные (так и должно быть, чтобы не возникло путаницы), но принцип один. Если теперь извлечь этот орган, состоящий из окруженной мезенхимой трубочки, из эмбриона и поместить в чашку Петри, то он продолжит нормально развиваться.[172] Это означает, что с этого момента почки автономны и способны к самоорганизации. Для этого, однако, нужны и мезенхима, и зачаток мочеточника. Развиваться по отдельности они не будут, разве что экспериментатор пойдет на такие сложности, как «фальсификация» сигналов от отсутствующей ткани.
Итак, мезенхима посылает сигналы к отростку вольфова протока, но и он тоже посылает сигналы ей в ответ. Под их воздействием рыхлые клетки мезенхимы образуют плотный колпачок на конце трубки. Клетки, оказавшиеся в этом колпачке, начинают синтезировать новые белки и размножаться. При этом они по-прежнему выделяют GDNF и другие сигнальные молекулы, которые способствуют дальнейшему росту и ветвлению этого отростка и его ветвей. Когда трубки ветвятся, новые ветви тоже получают часть мезенхимы колпачка. В результате образуется ветвящаяся сеть трубок, и на конце каждой трубки есть колпачок GDNF-секретирующих клеток мезенхимы (рис. 49). Эти ветвящиеся трубки послужат основой для формирования мочевыводящей системы почки.
Рис. 49. Взаимозависимость клеток колпачка и клеток ветвящейся трубки. Клетки колпачка синтезируют GDNF, под действием которого клетки трубки размножаются, а трубка ветвится. Клетки трубки в свою очередь синтезируют факторы, которые поддерживают пролиферацию клеток колпачка. Совместное действие этих сигналов приводит к тому, что в процессе роста эти две популяции клеток находятся в равновесии
Яркой чертой этого процесса является взаимозависимость между размножением клеток ветвящихся трубок и колпачков. В принципе, можно представить себе альтернативную систему, в которой эти типы клеток размножаются сами по себе. Однако это чревато риском того, что клетки одного типа станут размножаться быстрее, чем клетки другого, и образуется либо множество незакупоренных трубок, либо множество колпачковых клеток, которым нечего закупоривать. Даже если представить себе, что скорость размножения разных клеток в нашем воображаемом органе абсолютно точно согласована, все равно есть риск, что растущие трубки удалятся от основной массы колпачковых клеток, что также приведет к развитию неправильно функционирующего органа. На практике зависимость роста трубок от сигналов клеток колпачка и зависимость клеток колпачка от сигналов трубок позволяет этим тканям «идти в ногу», то есть развиваться в едином ритме. Если клетки какого-то одного типа окажутся слишком далеко от популяции клеток другого типа, они просто перестанут размножаться, и никаких проблем не возникнет. Такая взаимозависимость между тканями – важная черта самоорганизации, характерная не только для почки, но и для других органов. Сигнальные молекулы могут быть разными, но общий принцип взаимозависимости остается тем же.
Контролируемого ветвления, о котором мы только что говорили, вполне достаточно для придания основных черт просто устроенному органу, например легким. Они состоят из сильно разветвленной системы дыхательных трубок, окруженных неплотно упакованными клетками и кровеносными сосудами. Однако зрелая почка имеет гораздо более сложное строение, так как, помимо разветвленного дренажного протока, в ней также есть нефроны. Когда развитие почки впервые попало в сферу внимания ученых, они предположили, что нефроны образуются как боковые ответвления дренажной системы. Однако в позднюю викторианскую эпоху (то есть к концу XIX в.) стало понятно, что на самом деле они формируются из мезодермальных колпачков. Это хороший пример того, что органы мезодермального происхождения имеют обыкновение создавать трубки с нуля, из подручных материалов. Чтобы понять, как это происходит, нужно сначала более подробно рассмотреть биологические особенности растущих трубок дренажной системы, потому что именно они контролируют развитие мезенхимы.
Пролиферация клеток ветвящейся трубки в основном приурочена к ее концу, где размножаются всего несколько десятков клеток.[173] При таком характере роста поддерживается некоторая популяция концевых клеток, а «отставшие» клетки формируют стенки основной части трубки. Они синтезируют немного другой набор белков, в частности сигнальную молекулу семейства WNT (WNT9b).[174] Клетки в нижней части колпачка получают больше всего WNT и начинают несколько иначе экспрессировать белки. Они покидают колпачок и создают небольшой плотный комок (рис. 50), которые впоследствии станет нефроном.
Рис. 50. Колпачковые клетки, отставшие от кончика трубки в результате ее роста, оказываются рядом с той частью трубки, где клетки секретируют белок WNT9b. Под действием этой и, возможно, некоторых других молекул мезенхимальные клетки группируются и готовятся сформировать нефрон
К тому времени, когда нефрон находится на стадии полого шара, разветвленная дренажная трубка, стволовая часть которой и запустила процесс его образования, продвинется далеко вперед. Ее конец снова разветвится и будет расти дальше, а стволовая часть новой ветви подаст сигнал WNT новой группе клеток колпачка. Образуется еще один нефрон. Таким образом, нефроны формируются один за другим по мере продвижения вперед дренажной системы.
Зависимость формирования нефронов от сигнала WNT, поступающего из стволовой части трубки, приводит к тому, что нефроны всегда образуются в непосредственной близости от дренажной трубы, с которой они в конечном итоге соединятся. Надежность соединения очень важна, и существующая система обеспечивает ее гораздо лучше, чем если бы клетки «принимали решения» независимо от ткани, к которой должны в конечном итоге присоединиться. Тем не менее близость к ветвящемуся зачатку мочеточника порождает и потенциальную проблему, потому что сложный и деликатный процесс формирования нефрона может нарушиться, если зачаток мочеточника направит отросток в этом направлении. Избежать этой проблемы позволяет следующий прием: клетки, приступившие к формированию нефрона, отключают синтез фактора ветвления GDNF и включают синтез других факторов, которые ингибируют образование новых ветвей. Этот ловкий трюк позволяет практически исключить риск того, что новые ветви вторгнутся в область формирования нефрона.
Переход от синтеза способствующего ветвлению белка GDNF к синтезу ингибирующего фактора имеет масштабные последствия. Клетки, к которым еще не приблизились отростки дренажной системы, будут по-прежнему синтезировать GDNF, а клетки в области, куда ветви уже проникли, перестанут это делать. Это означает, что новые отростки автоматически направятся туда, где отростков еще нет, а не туда, где отростки уже сформировались. Если по какой-либо случайности дренажная система пропустит какую-то область, ее клетки продолжат синтезировать GDNF (то есть «требовать» новый отросток) до тех пор, пока он там не появится. Поэтому система ответвлений автоматически распределится в пространстве таким образом, что будет эффективно обслуживать весь растущий орган. Равномерному распределению ее ветвей также может способствовать взаимное отталкивание ветвящихся концов. Есть веские основания полагать, что именно такая система действует при развитии млечных протоков в молочных железах[175],[176] (которые тоже ветвятся), и число аргументов в пользу существования аналогичной системы в почках постоянно растет.
Кровеносная система почек берет начало из почечной артерии и впадает в почечную вену, которые являются соответственно ответвлениями аорты и большой вены (глава 9). В почке сосуды должны образовать ветвящуюся систему, подводящую кровь к сотням и тысячам фильтрационных структур. Развитие кровеносной системы почек контролируется многими сигнальными молекулами, в том числе VEGF, о которой шла речь в главе 9.[177] Конец нефрона, в котором будет происходить фильтрация, выделяет VEGF и таким образом привлекает клетки кровеносных сосудов. Поэтому они растут в направлении будущих фильтрационных структур, обеспечивая их хорошее кровоснабжение. Надо полагать, что существует система, отключающая производство VEGF после того, как конец нефрона обеспечен кровеносными сосудами; в противном случае новые сосуды вместо того, чтобы расти в направлении новых нефронов, пытались бы обеспечить ближайший, который в этом уже не нуждается.
Таким образом, развитие почек, как и других внутренних органов, в значительной степени контролируется за счет «переговоров», которые разные клетки ведут между собой на языке распространяющихся сигнальных белков. Поведение конкретной клетки и особенно то, какие сигналы она подает, зависят от сигналов, которые она принимает. Такая система соткана из взаимосвязей. Это делает ее в высшей степени гибкой как с точки зрения коррекции ошибок при индивидуальном развитии, так и в плане приспособления к эволюционным изменениям. Например, если в результате эволюционных изменений период роста животного увеличится, то автоматически продлится и рост почки. Это произойдет просто за счет увеличения количества ответвлений собирающих протоков, нефронов и отростков кровеносных сосудов; никаких существенных изменений в систему вносить не придется. К глобальным изменениям размера и, в большой степени, формы тела органы могут приспособиться, используя внутренние «разговоры» между тканями. В системе, работающей на основе предварительно построенного «чертежа» (если допустить, что такое возможно), для простого двукратного увеличения размера органа пришлось бы вносить массу новых уточнений (на самом деле, если бы в «чертеже» было четко прописано местоположение каждого нефрона, число новых инструкций увеличилось бы вдвое). На практике же, судя по всему, для создания крошечной мышиной почки и большой почки человека используется одно и то же число генов.
Относительная независимость развивающихся органов, позволяющая даже выращивать их вне организма, имеет еще одно важное преимущество. В процессе эволюции позвоночных у них возникло несколько новых органов.[178] Например, поджелудочная железа впервые появилась у челюстных рыб, легкие с разветвленными дыхательными путями – у рептилий, а простата и молочные железы – только у млекопитающих. При развитии этих органов нередко используются системы контроля, которые эволюционировали для обслуживания развития уже существующих органов. Ветвление протоков предстательной железы регулируется с помощью сигнальных белков FGF, которые раньше использовались для контроля ветвления дыхательных путей легких, а еще раньше – для контроля ветвления протоков поджелудочной железы. Независимость и относительная изоляция систем контроля в пределах органов означают, что каждый орган может управлять своим развитием самостоятельно, не мешая другим органам. Следовательно, различные органы могут использовать ранее существовавшие системы контроля, что опять же уменьшает число новшеств, необходимых для эволюции новых структур.
Странная особенность развития почек – у крыс и, вероятно, у людей тоже – заключается в том, что оно очень чувствительно к алиментарному статусу матери. Если беременные крысы получали только половину нормального для них количества пищи, количество нефронов в почках их детенышей было значительно ниже нормы. Это, в свою очередь, приводило к повышению у них артериального давления.[179] (Цепь физиологических событий, обуславливающих это повышение, достаточно сложна – она основана на системе обратных связей с участием солей и гормонов ренина и ангиотензина, – но если попытаться представить ее в общих чертах, то можно сказать, что организм «пытается» прогнать нормальное количество жидкости через почки с малым числом нефронов за счет усиления напора.) Хронически высокое кровяное давление опасно для человека, так как оно повышает риск инсульта, инфаркта и, по иронии судьбы, болезней почек, снижающих и без того небольшое количество функциональных нефронов. Давно известно, что плохое питание матери может привести к тому, что у ребенка будет высокое давление, хронические нарушения работы почек и другие проблемы, например предрасположенность к диабет у.[180] Такое влияние условий развития плода на здоровье взрослого человека называется «пренатальным программированием», и, возможно, именно чувствительность развития почек к материнскому питанию лежит в основе этого явления.
С точки зрения жителя Западной Европы, привыкшего к полноценному питанию, пренатальное программирование может показаться абсолютно неадаптивным. Тем не менее не исключено, что понижение количества нефронов возникло как адаптация к периодам голода, позволяющая удержать в крови каждую драгоценную крупинку питательных веществ и солей. Это мнение подкрепляют два хорошо изученных случая массового недостаточного питания матерей во время Второй мировой войны. (Правда, в обоих случаях изучали не почечную недостаточность, а другую болезнь, связанную с пренатальным программированием, а именно сахарный диабет II типа.) В случае голландской «голодной зимы» 1944 г. острая нехватка продуктов питания, продолжавшаяся несколько месяцев, сменилась относительным изобилием после освобождения Нидерландов. У детей, рожденных от голодавших матерей, впоследствии наблюдался высокий уровень болезней, связанных с пренатальным программированием, прежде всего диабета II типа. Во время блокады Ленинграда голодавшие жители не получили такого внезапного облегчения, и дети питались скудно еще долгое время после рождения. Болезней, связанных с пренатальным программированием, среди них отмечено меньше. Такая интерпретация данных не бесспорна (определенную роль могли сыграть, например, генетические различия между популяциями), но, по крайней мере, некоторые ученые склонны делать вывод о том, что пренатальное программирование плода может играть положительную роль в условиях недостатка пищи. Опасность возникает только тогда, когда «настроенный» на голод ребенок вдруг начинает получать обильное питание.[181] Правильный ответ на вопрос, так ли это, имел бы большое практическое значение. Он позволил бы дать четкие клинические предписания о том, нужно ли кормить новорожденных с низкой массой тела молочными препаратами с высокой энергетической ценностью, чтобы стимулировать быстрое восстановление веса до нормального уровня.
Каждый конкретный орган тела имеет уникальное строение и специфические особенности развития. Тем не менее ключевой вывод из рассказа о развитии почки – то, что оно происходит за счет гибкой межклеточной коммуникации, а не строго запрограммированной последовательности событий, – в равной мере справедлив для всех органов.
Глава 11
Не покладая рук (и ног)
Наличие конечностей – обязательное условие того образа жизни, который ведут млекопитающие. Конечности служат всем млекопитающим для движения и защиты, а людям и их ближайшим сородичам также для сложных манипуляций с предметами. В ходе эволюции позвоночные приобрели длинные конечности уже после того, как у них сложились основные анатомические черты туловища и головы. Поэтому и у эмбрионов конечности появляются только после формирования основного плана строения. Первые намеки на появление конечностей заметны у человеческого эмбриона примерно через двадцать четыре дня после зачатия, то есть тогда, когда уже основные структуры уже сформировались и функционирует примитивная система циркуляции.
Развитие конечностей начинается с появления двух небольших бугорков по бокам тела эмбриона немного выше уровня сердца. Это будущие руки. В скором времени появляются и бугорки в нижней части туловища – они дадут начало ногам. Появление бугорков связано с энергичным размножением клеток, залегающих непосредственно под эктодермой (напомню, что эктодерма покрывает зародыша снаружи). Дело не в том, что в этих областях клетки делятся более интенсивно, а в том, что скорость их размножения остается прежней, в то время как рост зародыша в целом замедляется. В результате пролиферация клеток в развивающихся конечностях происходит интенсивнее, чем в боковых частях тела. Клетки «принимают решение» о сохранении высоких темпов пролиферации не самостоятельно, а под действием сигналов мезодермы туловища. Клетки мезодермы на тех уровнях туловища, где в дальнейшем появятся руки и ноги, запускают экспрессию нового набора генов[182],[183] (возможно, руководствуясь HOX-кодом; см. главу 6) и, в частности, начинают производить сигнальные белки семейства WNT. Эти белки активируют производство сигнальных молекул семейства FGF,[184] а они, в свою очередь, запускают образование зачатков конечностей. Способность FGF вызывать формирование конечностей была продемонстрирована в весьма показательных экспериментах: кусочки геля, пропитанные этими белками, имплантировали куриному эмбриону между участками формирования крыла и ноги. Как вариант, в ткани куриного эмбриона вводили вирусы, подвергнутые генетической инженерии и кодирующие FGF. Клетки, расположенные над искусственными источниками FGF, формировали дополнительные выросты, из которых получились дополнительные конечности.[185],[186] Такой же эффект наблюдается при экспериментальной индукции производства сигнальных молекул WNT в этих местах.[187] С другой стороны, если блокировать активность WNT или FGF, конечности не образуются даже там, где они должны быть.
После того как эти сигналы запускают развитие конечностей, тонкий слой эктодермы в области их формирования утолщается, и залегающие под ней клетки мезодермы начинают размножаться. Эта пролиферация «выталкивает» наружу почку конечности, постепенно принимающую лопатообразную форму с эктодермальным утолщением на конце (рис. 51).
Поделиться книгой: