Гены и развитие организма

Нейфах Александр Александрович

Биологический смысл такого рассыпания клеточных пластов, направленной миграции клеток и их скопления в различных местах зародыша кажется понятным. Многие органы просто нельзя образовать из пластов, как бы их ни изгибать. Это невозможно или очень трудно по так сказать топологическим причинам. В то же время из рассеянных клеток можно в принципе собрать любую, самую сложную форму. Иное дело, как сложны должны быть те механизмы, которые «заставляют» клетки расположиться нужным образом. Понять это — значит понять в биологии развития очень многое.

Движение клеток, если у них нет специальных жгутиков и ресничек, не может происходить в жидкой среде. Клетки всегда двигаются или, точнее, ползут по какой- либо поверхности — субстрату. В эксперименте это может

быть поверхность стекла или специальной подложки. Ho в развивающемся, да и во взрослом, организме субстратом движения клеток могут быть или другие клетки, или неклеточные образования — сформированные другими клетками мембраны или сеть коллагеновых волокон.

Перед исследователями развития стоит несколько связанных, но не вполне тождественных задач. Необходимо знать, как вообще происходит движение клетки. Далее следует выяснить, каким образом клетка выбирает направление своего движения. И наконец, что определяет тот непростой маршрут, по которому клетки из одной части зародыша попадают в другую, нередко довольно отдаленную.

О механизме движения клеток мы уже говорили. Он, очевидно, складывается из нескольких элементов. Сначала клетка выпускает в различных направлениях несколько плазматических отростков (псевдоподий), которые отыскивают на субстрате точки прикрепления. Когда одна или несколько рядом лежащих псевдоподий прикрепляются к субстрату, в цитоплазме образуются пучки микрофиламентов, которые тянутся от мест прикрепления на мембране к телу клетки. Далее эти микрофиламенты подтягивают всю клетку к месту прикрепления. Здесь неясными пока остаются молекулярные процессы, которые определяют движение псевдоподий, структура рецепторных молекул, которыми псевдоподии прикрепляются к субстрату, и механизмы образования микрофиламентов, ориентированных от мест прикрепления к центру клетки.

В определении направления движения клетки, как это показали Ю. М. Васильев и его сотрудники, участвуют не только микрофиламенты, подтягивающие клетку, но микротрубочки, определяющие ее ориентацию. После того как псевдоподии нашли «лучшее» место прикрепления и клетка оказывается вытянутой в определенном направлении, в ней собираются микротрубочки, ориентированные в том же направлении. Таким образом, выбор направления движения клетки исходно зависит от субстрата и возможности прикрепления к нему, а затем клетка как бы стабилизируется в этом направлении и двигается вдоль него. Изменить направление ее движения могут теперь серьезные изменения в структуре субстрата или прямые препятствия.

Можно ли таким путем объяснить движение клеток по длинным и сложным маршрутам? Этот вопрос не решен, и здесь обсуждаются две, впрочем не конкурирующие, а, может быть, дополняющие друг друга, гипотезы. Одна из них предполагает, что весь путь клетки определяется субстратом, что клеточные потоки — это маршруты, образованные поверхностью других клеток и неклеточных образований. Другая гипотеза основана на хемотаксисе — движении клеток в направлении большей концентрации некоторых «привлекающих» клетку веществ. Эти два механизма используются и для объяснения направленного роста аксонов нервных клеток. Можно представить и еще один механизм привлечения клеток, похожий на хемотаксис, но как бы противоположный ему по знаку. Это — локальное торможение движения клеток. Случайно мигрирующие клетки, попав в такую «ловушку», остаются в ней и скапливаются в определенных участках зародыша.

4. Взаимоотношения между клетками

О взаимоотношениях между клетками в морфогенезе мы говорили и в предыдущих разделах этой главы. Изменения формы клеток, их движение и другие виды поведения в организме всегда осуществляются совместно многими клетками и в зависимости их друг от друга. В этом разделе мы обсудим, как клетки «выбирают» характер своих отношений с другими клетками, как они «узнают» друг друга и как ведут себя в зависимости от этого.

Взаимное узнавание клеток осуществляется их поверхностями. Межклеточные отношения можно нарушить разными факторами,

которые действуют на клеточную поверхность. Ее белковые или углеводные компоненты можно, например, повредить, обрабатывая клетку снаружи соответствующими ферментами (протеазами и карбогидразами). Эти же молекулы на поверхности клетки можно заблокировать антителами, полученными против них. Контакты между клетками могут быть нарушены также веществами, связывающими кальций. Роль кальция очень велика и, очевидно, определяется его двухвалентностью и способностью образовывать межмолекулярные мостики. Однако точных данных о механизме действия кальция на межклеточные контакты до сих пор нет.

Многие белки клеточной поверхности связаны с различными короткими цепочками углеводов, в которых чередуется несколько видов сахаров. Аналогичные углеводные цепочки обнаружены и на липидах клеточной мембраны. Можно думать, что основной функцией этих углеводных цепочек является увеличение разнообразия свойств клеточной поверхности, которое достигается без существенных изменений структуры самих мембранных белков и липидов. Возможно, что роль таких маркеров, создающих своеобразный орнамент на поверхности клетки, могут играть и другие химические соединения.

В отношении самого механизма узнавания существует много гипотез и схем, что служит верным признаком недостаточности наших знаний в этой области. Одна из гипотез принадлежит Роземану, и ее обычно приводят не потому, что она всем кажется более верной, а потому, что она основана на оригинальном новом принципе. Предполагается, что на поверхности клеток находится фермент, узнающий определенные углеводные группы и, если он действует в растворе, отрезающий их. Такие ферменты среди белков поверхности действительно находят. На поверхности клеток обнаружены различные углеводные группы, в том числе и те, которые могут быть субстратом для этих ферментов. Гипотеза состоит в том, что фермент на поверхности одной клетки «узнает» свой субстрат на поверхности другой клетки и связывается с ним благодаря комплементарности субстрата и активного центра фермента. Ho из-за особенностей структуры всей углеводной цепочки, как предполагает гипотеза, осуществить свою реакцию, т. е. «откусить» конечный сахар, фермент не может, а так и остается связанным, соединяя тем самым клетку с к леткой. Так как узнавание ферментами субстратов действительно очень специфично, эта гипотеза объясняет высокую специфичность узнавания одинаковыми клетками друг друга.

Опыты по узнаванию между клетками были начаты Гольтфретером уже более 40 лет назад. Он диссоциировал клетки гаструлы амфибий, т. е. отделял их друг от друга. Для этого достаточно убрать из солевой среды кальций или, что еще эффективнее, добавить в среду вещество, связывающее кальций. Если к диссоциированным и перемещенным клеткам снова добавить кальций, то клетки всех трех зародышевых листков слипаются в бесформенный комок, состоящий из беспорядочной смеси всех трех сортов клеток. Однако через сутки клетки оказываются «рассортированными», так что эктодермальные клетки лежат, как им и полагается, снаружи, энтодермальные — внутри, а клетки мезодермы — между ними. У морского ежа после такой диссоциации и реассоциации развивается нормальный зародыш. Нам пока важно отметить, что если беспорядочно расположенные клетки смогли собраться вместе и правильно расположиться, то, значит, они действительно как-то узнают друг друга и предпочитают себе подобных.

Стейнберг сделал следующий шаг: он исследовал образование контактов между шестью типами эмбриональных клеток цыпленка, которые теоретически могут образовывать 15 различных вариантов смешанных пар. Такие пары действительно образуются, но при свободном выборе (в смеси) одни пары возникают чаще (или они прочнее), чем другие, и можно установить постепенный ряд степеней сродства (аффинитета) между клетками. Эта работа придает проблеме «узнавания» и связывания количественный подход: нельзя утверждать, что клетки одного типа узнают или не узнают другие, а можно лишь говорить, что одни пары клеток связываются прочнее, чем другие.