Форма, возникающая в развитии, — форма целого организма, форма органа или форма клетки — это такой же важный признак организма, как и его биохимические свойства. Ho создание формы — значительно более сложный процесс. Это очевидно уже потому, что образование формы (морфогенез) складывается из многих отдельных молекулярных событий — синтеза специальных белков и химических процессов, происходящих при участии этих белков.

Мы уже знаем, что синтез одного простого белка кодируется одним геном, образование сложных белков контролируется двумя или несколькими генами. Химическая реакция в клетке — уже более сложное явление. Хотя она катализируется одним ферментным белком (и соответственно контролируется одним или двумя-тремя генами), но обычно также зависит от притока исходных субстратов, скорости использования продукта реакции, от условий и структур клетки, в которых она протекает. Все это вовлекает в контроль каждого химического процесса дополнительные гены. В сложных процессах, таких, например, как синтез ДНК, участвуют, вероятно, десятки и сотни генов.

Образование же формы включает десятки различных химических реакций, взаимодействие макромолекул и низкомолекулярных веществ и соответственно предполагает контроль со стороны множества генов. Казалось бы, этому противоречат данные классической генетики: нам известны отдельные гены, определяющие у дрозофилы число щетинок, форму крыла, размер глаза и т. д. Однако в действительности каждый такой ген является лишь одним из многих генетических элементов, участвующих в контроле формы. Их мутации нарушают нормальное строение органов, но оно может быть нарушено и многими другими путями, т. е. мутациями в иных генах.

Форма клеток и форма органов — это два разных явления, которые хотя и тесно связаны, но не всегда могут быть сведены друг к другу. Образование формы клеток еще не обязательно предопределяет форму органов, а форма органов обычно создается до того, как клетки приобретут свое окончательное строение. Вместе с тем надо четко понимать, что форма органов создается только благодаря специфическому поведению клеток и никаких сил, действующих «над» клетками, вне их (имеются в виду таинственные биополя и прочая мистика), не обнаружено и, по всей очевидности, не существует. Предположение о том, что, до того как возникнут сами органы, существуют некие биополя, которые уже имеют форму органов, является удобным выходом из тех трудностей, которые реально возникают перед исследователем морфогенеза. У нас есть единственный способ понять механизмы формообразования — обходиться теми силами, которые можно обнаружить. Этими силами являются взаимодействия клеток, изменения их формы и поведения, которые и приводят к возникновению формы органов, какой бы сложной она ни была.

 

1. Форма клеток

Форма клеток зависит от их внутренней структуры и свойств клеточной оболочки и от их окружения — соседних клеток и поверхностей контакта. Так, при культивировании отдельных клеток на поверхности стекла все клетки стремятся распластаться по субстрату. Аналогичным образом они распластываются и па различных поверхностях внутри организма. Одни клетки при этом неподвижны и имеют округлую форму, другие двигаются и вытягивают многочисленные отростки — псевдоподии — в направлении движения.

Одни клетки «стараются» как бы избегать контактов и соприкасаются одна с другой лишь отростками. Так, например, ведут себя клетки соединительной ткани — фибробласты или, у зародыша, мезенхимные клетки. Другие клетки могут, напротив, образовывать тесные скопления, «стараясь» соприкоснуться с соседями всей своей свободной поверхностью. Таковы, например, клетки печени. Клетки могут образовывать одно- или многослойные пласты — эпителии, где они соприкасаются только боковыми поверхностями и сохраняют свободными и различными наружную и внутреннюю (верхнюю и нижнюю) поверхности. Полярность — непременное свойство каждого эпителия. Между этими крайними вариантами есть много промежуточных способов взаимного расположения клеток, что, естественно, отражается на их форме. Особо можно сказать о нервных клетках с их многочисленными короткими отростками — дендритами и одним длинным отростком — аксоном.

Внутренние структуры клетки, которые определяют её форму, называются цитоскелетом. Цитоскелет образован волокнами разного диаметра, собранными из различных специальных белков. Каждый вид волокон имеет свои механические свойства, по-своему образуется или распадается п играет свою роль в образовании формы клетки и в определении ее поведения. Кроме белков собственно цитоскелета, составляющих существенную часть клеточных белков, есть еще группа плохо изученных минорных белков, которые определяют сборку цитоскелета и поэтому более ответственны за создание клеточной формы, чем белки самого цитоскелета. О механизмах деятельности этих белков сборки мы знаем пока очень мало.

Самые крупные волокна клетки называются микротрубочками. Их наружный диаметр 25 нм (1 нм =10-9 м), толщина стенки 5 нм. Эти трубочки собираются из глобулярных молекул особого белка — тубулина, которые располагаются в виде плотной спирали, так что вдоль одного ее оборота умещается 13 молекул тубулина, связанных друг с другом. Микротрубочки ориентированы, и их сборка обычно происходит с одного конца, а разборка — с другого. В сборке принимают участие специальные белки в очень небольших количествах и в качестве источника энергии — ГТФ. Сборка и разборка микротрубочек происходят быстро, иногда в течение нескольких минут.

Микротрубочки принимают участие в делении клетки, образуя нити веретена, которые «растаскивают» хромосомы к разным полюсам — дочерним ядрам, Предполагается, что движение хромосомы в митозе происходит за счет разборки нитей веретена, «тянущих» хромосомы, и сборки нитей, лежащих между хромосомами и «толкающих» их в разные стороны. Микротрубочки принимают участие и в создании цитоскелета. Они являются основой структуры жгутиков и ресничек (например, у многих одноклеточных, но не только у них). В жгутиках они образуют характерный скелет, состоящий из двух микротрубочек в центре и девяти двойных микротрубочек, расположенных вокруг по периферии. Микротрубочки достаточно упруги и не могут изгибаться под большими углами. Ho в составе жгутиков и ресничек они способны к небольшим изгибам и передают механические колебания вдоль по жгутику, способствуя тем самым движению таких свободно плавающих клеток, как инфузории или сперматозоиды. Сами эти колебания создаются частичной сборкой — разборкой микротрубочек. Они играют также важную роль в организации структуры нервных клеток, составляя механическую опору аксонов.

Существуют вещества колхицин и колцемид, которые проникают в клетку и, связываясь с микротрубочками, блокируют их сборку. Этим они нарушают динамическое равновесие между сборкой и разборкой, что приводит к исчезновению микротрубочек в клетке. Колхицин блокирует митоз на стадии метафазы, т. е. подавляет те процессы, которые происходят при расхождении хромосом. Эти свойства колхицина (и колцемида) нередко используются экспериментаторами для накопления клеток, остановившихся на стадии метафазы.

Вероятно, основным видом волокон цитоскелета являются микрофиламенты. Их диаметр 6 нм, и они образованы из фибрилярного белка — актина. Актин долгое время считали специфическим белком мышц. Однако оказалось, что в клетке могут синтезироваться различные актины, отличающиеся друг от друга заменами некоторых аминокислот. Актин микрофиламентов, например, отличается от мышечных актинов по 25 аминокислотам. Сами мышечные актины тоже различны: один актин входит в скелетные мышцы, другой — в гладкие, третий — в сердечную мышцу. Все они, естественно, кодируются разными генами.

Актин микрофиламентов, по-видимому, самый обильный белок в клетке. На его долю приходится до 10 % всех клеточных белков. Локализацию микрофиламентов удается выявить с помощью антител, выработанных против актина и сцепленных с флюоресцирующим красителем. В движущихся клетках, обработанных такими антителами, можно видеть, что микрофиламенты ориентированы в направлении движения клетки. Пучки микрофиламентов подходят к плазматической мембране в тех точках, где она прикрепляется к поверхности субстрата, и участвуют в движении клетки. В делящихся клетках, когда микротрубочки осуществляют расхождение хромосом, микрофиламенты осуществляют цитокинез — деление самой клетки. Для этого они под поверхностью клетки образуют кольцо, которое, сжимаясь, перетягивает клетку пополам.

Цитохалазин — вещество, выделяемое из грибов, — блокирует образование микрофиламентов и разрушает уже образованную ими сеть. Цитохалазин останавливает движение клеток, в его присутствии клетки теряют характерную для них форму и округляются. Как и следовало ожидать, он не препятствует расхождению хромосом, но блокирует цитокинез. Это приводит к образованию двухъядерных клеток.

Предполагается, что актин микрофиламентов, как и актин в мышцах, связан с другими сократительными белками, в первую очередь с миозином. При их участии микрофиламенты осуществляют механическое подтягивание всей клетки к точке прикрепления ее отростков к субстрату. Этим они определяют ее движение.

В сборке микрофиламентов из свободных молекул актина участвуют специфические белки, присутствующие в клетке в малых количествах. Об их функции, о том, как они собирают микрофиламенты в нужное время, в нужных местах и в нужной ориентации, мы пока знаем мало.

О соотношении функций микротрубочек и микрофиламентов можно судить по действию колхицина и цитохалазина на рост аксона нервной клетки. Из тела дифференцирующейся нервной клетки вытягивается длинный аксон, на конце которого находятся многочисленные тонкие короткие отростки — микрошипики. С их помощью, вероятно, определяется направление роста аксона. При действии цитохалазина эти микрошипики исчезают и рост аксона почти прекращается, хотя сам он остается неизменным. Очевидно, что вытягивание микрошипиков осуществляется с помощью микрофиламентов. При действии же колхицина неизменными остаются шипики, но начинает укорачиваться сам аксон. Постепенно он втягивается в тело клетки целиком. Очевидно, что рост и поддержание структуры аксона определяются микротрубочками.

В клетках имеется и третий вид волокон, имеющих промежуточные размеры. В эпителии они, например, образуются из нитей кератина, в других клетках это иные белки. В целом цитоскелет клетки представляет собой сложную сеть нитей различного диаметра, белкового состава и назначения. Важной особенностью цитоскелета является его высокая динамичность — способность быстро перестраиваться в зависимости от состояния клетки и ее окружения. Когда специфичные ингибиторы блокируют сборку волокон, то уже существующие элементы цитоскелета разрушаются, что приводит к нарушению формы и поведения клетки. При удалении ингибиторов из среды волокна цитоскелета быстро восстанавливаются.

Как мы увидим ниже, цитоскелет через изменения формы клеток и их движения участвует в создании структуры тканей и формы органов, хотя они создаются не только за счет изменений цитоскелета.

Микрофиламенты и микротрубочки преимущественно ориентированы в направлении движения фибробласта

Пучки актиновых микрофиламентов (1) выявляются на препарате с помощью антител к актину, а микротрубочки (2) — с помощью антител к тубулину. К антителам присоединяют флюоресцирующее вещество. Препараты А. Д. Бершадского и В. И. Гельфанда

 

2. Поведение клеточных пластов

Очень многие процессы формообразования осуществляются клеточными пластами, или эпителиями. Для эпителия характерно, что клетки достаточно прочно связаны боковыми поверхностями друг с другом. Клетки эпителия всегда полярны, т. е. две их поверхности отличаются друг от друга. В зависимости от соотношения высоты и ширины говорят о плоской, кубической или столбчатой форме эпителиальных клеток. Можно, например, думать, что эти различия в форме определяются степенью взаимного сродства клеток друг с другом: чем больше площадь контактирующих поверхностей, тем, очевидно, менее плоским будет такой эпителий. Ho есть и другая точка зрения: форма эпителиальных клеток определяется ориентацией в них микротрубочек. В столбчатом эпителии они ориентированы вдоль длинной оси.

Для большинства клеточных пластов характерно стремление к расширению, распластыванию, обрастанию, замыканию в полый шар. Благодаря этим свойствам, очевидно, осуществляются многие процессы морфогенеза: например, в ходе гаструляции эктодермальный эпителий обрастает вокруг остальных частей зародыша. Ho при формообразовании клеточные пласты способны не только к обрастаниям. Они могут выгибаться наружу или внутрь. В результате изгибов эктодермального пласта у зародышей амфибии и многих других животных образуется нервная трубка. Она возникает как два валика, выгибающихся наружу. Валики сближаются, а желобок между ними, напротив, прогибается внутрь и замыкается в нервную трубку — зачаток всей нервной системы. На следующем этапе за счет выгибания стенок нервной трубки в некоторых местах наружу образуются мозговые пузыри — зачатки отделов головного мозга или зачатки глаз. За счет прогибания в этих же зачатках глаз передней стенки внутрь происходит разделение на будущую сетчатку и пигментный эпителий. Сходные процессы составляют существо многих других морфогенетических процессов.

Пока мы просто описываем то, что происходит во время развития и давно известно каждому эмбриологу. Значительно меньше известно о механизмах этих процессов. Л. В. Белоусовым был предложен красивый метод выявления тех натяжений, под действием которых совершаются морфогенетические движения клеточных пластов. Если вырезать кусочек такого эпителия и поместить его в солевую среду, то изменение его формы в первые минуты — выгибание в ту или иную сторону, распластывание или сжатие — покажет направление сил, которые определяли поведение пласта в момент его изоляции. Если изолировать такие кусочки из разных мест зародыша и на разных стадиях можно составить целостную картину морфогенеза. Однако и эти опыты только констатируют существование сил, которые определяют морфогенез, но еще не объясняют их происхождение.

Есть основания думать, что движения и изгибания клеточных пластов определяются цитоскелетом клеток, составляющих эти пласты. Это было показано, например, для инвагинации эктодермального эпителия при формировании нервной трубки или хрусталика глаза. До начала этого процесса микротрубочки и микрофиламенты располагаются в клетке достаточно хаотично. Затем эпителий в месте будущего прогибания утолщается, т. е. составляющие его клетки удлиняются. Это сопровождается ориентацией микротрубочек вдоль длинной оси клеток. То, что их ориентация является причиной вытягивания клеток, а не следствием, доказывается опытами с колхицином: он подавляет вытягивание клеток.

Прогибание клеточного пласта, по существу, состоит в том, что та поверхность клеток, которая в результате прогибания окажется внутри, становится меньше той, которая окажется наружу. Это естественно, так как наружная поверхность трубки меньше внутренней. Так возникает желобок, который затем сворачивается в трубку. Как оказалось, этот процесс осуществляется посредством стягивания «внутренних» концов клеток кольцом из микрофиламентов и превращения клеток в своего рода конусы. Как и ожидалось, цитохалазин блокирует этот процесс и останавливает прогибание желобка — будущей нервной трубки — и даже приводит к его обратному развертыванию, если он уже образовался.

He следует думать, что теперь мы понимаем процесс образования нервной трубки и других похожих морфогенезов до конца. В лучшем случае мы просто сделали еще один шаг в описании этого процесса и, если угодно, довели его до клеточного и даже до внутриклеточного уровня. Ho остается неизвестным, каким образом производится сборка молекул актина в кольцо микрофиламентов. Мы еще не знаем, почему она происходит в виде кольца, а не иным образом, почему она происходит именно на том конце клеток, который должен быть обращен внутрь будущей нервной трубки.

Выше, в гл. 6, мы уже говорили, что детерминация клеток эктодермального эпителия в нервную ткань происходит посредством индукции со стороны зачатка будущей хорды. Предполагается, что такая индукция каким-то образом (точный механизм индукции неизвестен) включает в клетках будущей нервной трубки те гены, которые ответственны за дифференцировку этих клеток в нервную ткань. Теперь мы, может быть несколько упрощенно, представляем и завершающие этапы образования нервной трубки: образование и стягивание в нужных местах микрофиламентов, изменение формы клеток и их свертывание в трубку. О событиях, происходящих между действием генов п образованием микрофиламентов, в наших знаниях лежит не заполненная пока брешь, которую в будущем займут сведения о том, как синтезируются белки, определяющие сборку микрофиламентов, и как определяется место их действия в клетках.

Такая длинная и сложная цепь событий лежит, очевидно, в основе каждого процесса формообразования! А ведь мы еще не касались того, как на последующих стадиях развития создается характерная форма нервной трубки с ее стенками неравной толщины (будущий спинной мозг), как она дифференцируется вдоль своей осп на отделы головного мозга и спинной мозг, как, наконец, составляющие ее клетки преобразуются в различные нервные клетки.

 

3. Перемещения отдельных клеток

Многие процессы формообразования происходят не путем перемещения клеточных пластов, а путем перемещения отдельных клеток. Иногда движение клеточного пласта происходит при частичной потере его эпителиальной структуры. Так, например, осуществляется гаструляция у амфибий. Процесс начинается с изменения формы клеток будущей мезодермы. В том месте, где затем происходит впячивание клеток в полость бластулы (эмбриологи называют это место верхней губой бластопора), клетки принимают форму бутылки с вытянутым горлышком. Утолщенная часть клетки (дно бутылки) устремляется внутрь зародыша, а ее узкая часть (горлышко) остается связанной с тонкой пленкой, покрывающей весь зародыш, и тянет ее за собой. Контакты между соседними клетками при этом почти теряются — каждая из них движется в полость бластулы как бы независимо. Ho в действительности они находятся в одной упряжке, так как связаны общей поверхностной пленкой, которую они втягивают за собой внутрь.

На более поздних стадиях эмбрионального развития еще ряд клеточных пластов теряют свое эпителиальное строение: они рассыпаются на отдельные клетки, двигающиеся независимо друг от друга. Так ведут себя, например, клетки нервного гребня — структуры, образующейся на границе нервной трубки и эктодермального эпителия. Эти клетки вползают под эктодерму и двигаются под пей, вдоль ее внутренней поверхности. Позднее они дифференцируются в очень различных направлениях: в хрящевые клетки, в пигментные клетки — меланофоры, в клетки надпочечников.

Еще разнообразнее производные мезодермы. Значительная часть мезодермалыюго пласта рассыпается на отдельные клетки, так называемую мезенхиму — эмбриональные фибробластоподобные подвижные клетки с вытянутыми в разные стороны отростками. Эти клетки расползаются по всему зародышу и участвуют в образовании множества органов: соединительной ткани кожи, всего скелета, крови, сосудов и др.

В ходе этих формообразовательных процессов клетки занимают те позиции, в которых они дифференцируются в ткани различных органов. В определенных местах они сгущаются и образуют плотные скопления. Так выглядят, например, зачатки конечностей или окружающие спинной мозг зачатки позвонков. В других местах, напротив, клетки как бы расступаются, образуя полости различного размера и назначения.

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.

Сказанное здесь не следует понимать слишком упрощенно. Межклеточные контакты еще далеко не ясное явление: в них, очевидно, участвуют не только поверхности обеих клеток и ионы кальция, но и, возможно, специальные белки, так называемые факторы адгезии.

Последний пример подобного узнавания, который мы рассмотрим, был исследован на диссоциированных клетках сетчатки и связан с именами Москоны и затем Барберы и Готлиба. Сначала Москона показал, что между клетками сетчатки существует избирательное узнавание и слипание. Барбера и потом Готлиб изучали сцепление между диссоциированными клетками сетчатки и зрительного отдела мозга — тектума. На достаточно поздних стадиях развития от сетчатки к тектуму подрастают аксоны нервных клеток сетчатки. Важно, что определенные районы сетчатки посылают аксоны не случайно, а к определенным районам тектума. Диссоциированные клетки ранней сетчатки можно пометить радиоактивным фосфором и измерять их прилипание к кусочкам тектума количественно, по радиоактивности. Оказалось, что клетки, полученные из вентральной (нижней) половины сетчатки, значительно сильнее прилипают к дорсальной (верхней) половине тектума и гораздо слабее — к вентральной его части. Клетки дорсальной половины сетчатки ведут себя как раз наоборот. Удивительно, что и при нормальном развитии нервных связей глаза и мозга точно так же ведут себя аксоны: из дорсальной половины сетчатки они тянутся в вентральную половину тектума, а из вентральной части сетчатки — в дорсальные районы тектума.

Таким образом, от проблемы «узнавания» мы перешли к проблеме «сортинга», т. е. способности клеток не только узнать друг друга, но и разобраться по сортам, как это было обнаружено еще Гольтфретером на гаструле амфибий. А от проблемы «сортинга» мы естественным образом переходим к проблеме морфогенеза. Узнавание клетками друг друга оказывается в то же время и механизмом создания в развитии их правильного расположения.

Каковы же механизмы «сортинга»? Предполагается, что эмбриональные клетки (а у низших многоклеточных — губок и кишечнополостных — и взрослые клетки) вступают друг с другом не в постоянные, а в динамические контакты, т. е., двигаясь друг относительно друга, образуют то менее, то более прочные связи, зависящие от обоих типов клеток, степени их аффинитета, или, что то же самое, от свойств их поверхности. Чем прочнее такой контакт, тем дольше он удерживается и реже нарушается. Клетки двигаются друг относительно друга до тех пор, пока не возникнет наиболее стабильная система, обладающая, если говорить языком физики, минимумом свободной энергии.

Кажется вероятным, что и в нормальном эмбриональном развитии клетки контактируют друг с другом так, что всегда образуют наиболее стабильные контакты. Иначе бы ход эмбриогенеза постоянно нарушался из-за того, что клетки уползали бы в другие места, завязывали бы «неправильные», но более прочные контакты и т. д. Перемещения клеточных пластов, собирание клеток в массы, контакты одних типов клеток с другими во многом, хотя и не целиком происходят благодаря этим силам сродства и взаимного «узнавания» — притяжению и иногда отталкиванию (его называют отрицательным аффинитетом). Неудивительно поэтому, что и искусственный «сортинг» беспорядочно расположенных клеток создает большее или меньшее подобие нормальной организации ранних, просто устроенных стадий развития.

Наибольшую роль эти механизмы играют, по-видимому, в морфогенезе одного из самых простых многоклеточных — губок. Они состоят всего из трех — пяти сортов клеток, и если их «диссоциировать» путем простого протирания через сито, то они снова собираются в простой, но правильно устроенный организм. Можно думать, что все развитие губок состоит лишь в создании нескольких типов клеток. Их нормальное взаимное расположение не требует специально программированных клеточных перемещений и совершается путем «ползания» клеток в агрегате друг по другу, пока не возникнет правильная (и она же наиболее стабильная) организация.

У других простых многоклеточных — кишечнополостных уже определенно можно говорить о процессах морфогенеза. Тем не менее если гидру диссоциировать на клетки, то она соберется в новый полноценный организм. Здесь, правда, трудно отделить этот процесс от очень высокой способности гидры к регенерации (почти из любой части тела).

У животных, организованных более сложно, таких, как морской еж и особенно амфибии, удачная сборка удается только на стадии гаструлы — с той разницей, что у морского ежа она приводит к нормальному развитию, а у амфибий — лишь к некоторой аналогии нормы.

Когда речь идет о «сортинге», например, гаструлы амфибий, необходимо объяснить не только саму сортировку клеток, т. е. объединение себе подобных. Существенно понять, почему клетки эктодермы в итоге оказываются снаружи, а энтодермы — внутри. Это объясняется различными свойствами этих типов клеток. Эктодерма стремится обрасти все другие типы клеток снаружи, — это же самое она совершает в ходе нормальной гаструляции. Это свойство клеток эктодермы можно, вероятно, выразить и в более строгих терминах — в стремлении увеличить наружную поверхность клеточного пласта и т. д. Вместе с тем клетки эктодермы и энтодермы «испытывают» отрицательный аффинитет друг к другу: их искусственная смесь быстро разобщается на два отдельных шара, соприкасающиеся в одной точке. В то же время мезодермальные клетки одинаково хорошо контактируют и с эктодермой и с энтодермой — так они ведут себя и в ходе нормальной гаструляции. Поэтому не только «сортинг», но и воссоздание подобия гаструлы из смеси всех трех сортов клеток отражает и их взаимное узнавание, и их различное поведение. Естественно, что свойства клеток, которые участвуют в осуществлении нормального хода гаструляции, проявляются и в экспериментах по реассоциации.

На более поздних стадиях реассоциация клеток воссоздать нормальную структуру уже не может. Организация зародыша уже настолько сложна, что ее определяют не только свойства клеток (а именно их мы исследуем при реассоциации), но и предшествующая история развития данного зародыша. Ho в пределах отдельных органов эти силы межклеточных взаимоотношений все еще играют свою роль. Поэтому-то оказывается возможным воссоздание из диссоциированных клеток такого органа, как, например, эмбриональная сетчатка птиц.

Известен «естественный эксперимент», иллюстрирующий и возможности и ограниченность сил межклеточных взаимоотношений. Это эмбриональные тератомы — опухоли из малодифференцированных «эмбриональных» клеток. В центре такой опухоли происходит деление недифференцированных клеток, но на периферии они оказываются способными, если не ко всем, то ко многим дифференцировкам. Там можно видеть фрагменты различных тканей и даже органов. Однако ничего похожего на организм из такой опухоли не возникает, так как у тератом отсутствуют программированные процессы последовательного морфогенеза.

Можно заключить, что механизмы, обеспечивающие взаимное узнавание клеток, их сортировку, степень слипания и другие особенности поведения, играют очень важную роль в морфогенезе. Эта роль тем выше, чем проще само формообразование. Ho сложный морфогенез невозможен без участия программированных перемещений клеток, которые создаются, очевидно, не только силами сродства между клетками и, главное, происходят в определенном порядке и последовательности.

 

5. Программы размножения и гибели клеток

По мере развития количество клеток, из которых состоит зародыш, увеличивается. Деления клеток (дробление яйца) на самых ранних стадиях развития происходят равномерно (синхронно). Ho у одних видов раньше, у других позже эта синхронность нарушается и клетки, из которых образуются зачатки разных органов, начинают делиться с разной скоростью. Эти различия в скорости деления можно рассматривать как одно из первых проявлений их дифференцировки.

У зародышей млекопитающих уже после стадии 16–32 бластомеров большая часть клеток начинает делиться быстрее и образует трофобласт — зачаток будущей плаценты. Сам будущий зародыш состоит на этих ранних стадиях всего из нескольких клеток. Однако позже в ходе развития и роста зародыш и затем плод становятся во много раз больше плаценты.

У амфибий на стадии бластулы, состоящей из нескольких тысяч клеток, будущая мезодерма составляет менее одной трети всех клеток. Ho по мере развития мезодермальные производные — все мышцы, почти весь скелет, система кровообращения, почки и др. — занимают не менее 80 % всей массы головастика.

Особенно нагляден неодинаковый темп деления клеток в морфогенезе многих беспозвоночных. У видов с мозаичным развитием уже на стадии 30–60 клеток зачатки всех основных органов определены и представлены очень немногими клетками (иногда всего двумя). Далее деления клеток в каждом зачатке строго программируются. Так, например, ранний зародыш асцидий содержит 52 клетки эктодермы, 10 клеток энтодермы и всего 8 клеток мезодермы. В течение последующего развития число клеток эктодермы возрастает в 16 раз, энтодермы — в 20, а мезодермы — в 50. Благодаря программированности делений число клеток у некоторых взрослых беспозвоночных (например, у нематод) строго постоянно и каждый орган представлен определенным числом клеток. Далеко не всегда местоположение органа и место, где делятся составляющие его клетки, совпадают. Часто митозы происходят только в особой зоне размножения и оттуда клетки мигрируют к месту своей дифференцировки. Примеры такого рода мы уже видели при рассмотрении системы стволовых клеток. То же происходит, например, и при развитии головного мозга.

Программа клеточных делений не всегда очень строга и предопределяет точное их число. Чаще, вероятно, деления происходят до тех пор, пока количество клеток или размер органа не достигнет определенной величины. Речь идет, таким образом, о двух принципиально различных механизмах регуляции клеточных делений.

В одном случае (как в яйцах с мозаичным развитием) он, по-видимому, заключен в самой делящейся клетке, которая должна «уметь отсчитывать» свои деления. В другом же случае должна существовать некоторая «петля обратной связи», когда масса органа или число клеток, достигая некоторой величины, начинает тормозить дальнейшие деления.

Оказалось, что число делений в нормальных клетках, не трансформированных в злокачественные, вообще не беспредельно и обычно не превышает 50–60 (большинство клеток делится меньше, так как если бы яйцо равномерно разделилось 60 раз, то число клеток в организме (260) оказалось бы в тысячи раз выше, чем в действительности). Однако ни механизм такого предела числа клеточных делений (называемого по имени открывшего его ученого предел Хайфлика), ни его биологический смысл пока непонятен.

Что же является «датчиком» в системе регуляции — размер органа или число клеток? Однозначный ответ на этот вопрос дают опыты с получением животных с измененной плоидностью — гаплоидные, триплоидные или тетраплоидные. Их клетки соответственно в 2 раза меньше или в 1,5 или 2 раза больше нормальных диплоидных. Тем не менее и размер самих животных, и размер их органов, как правило, нормальные, т. е. они содержат больше или меньше клеток, чем в норме. Регулируемой величиной, следовательно, является не количество клеток, а масса органа или всего организма.

Иначе обстоит дело у растений. Клетки тетраплоидных растений, как и у животных, соответственно больше диплоидных. Но и размеры частей тетраплоидных растений — листьев, цветков, семян — часто оказываются больше обычных почти в 2 раза. Похоже, что у растений «датчиком» при определении числа клеточных делений является не размер органа, а само число клеток.

Механизмы, регулирующие клеточные деления — пролиферацию клеток, изучаются очень интенсивно и с разных сторон. Одним из стимулов такой активности ученых является то, что отличия раковых клеток от нормальных во многом и состоят в нарушении регуляции клеточных делений, в выходе клеток из-под такой регуляции.

Примером одного из механизмов регуляции клеточных делений может служить поведение клеток, посеянных на дно флакона с питательной средой, — клеточной культуры. Их деления в хороших условиях происходят до тех пор, пока они не покроют все дно и клетки не коснутся друг друга. Далее наступает так называемое контактное торможение, или торможение, зависимое от плотности клеток. Его можно нарушить, как это делал Ю. М. Васильев, расчистив от клеток небольшое окошко на поверхности стекла. В это окошко со всех сторон устремляются клетки, вокруг него проходит волна клеточных делений. Можно думать, что и в организме контакты с соседними клетками являются механизмом, сдерживающим клеточные деления.

У опухолевых клеток эта регуляция нарушается — они не подчиняются контактному торможению, а продолжают делиться, громоздясь друг на друга. Аналогично, увы, они ведут себя и в организме.

Ho контактное торможение не является единственным механизмом регуляции: ее барьер может быть преодолен и у вполне нормальных клеток. Так, например, плотно прижатые друг к другу клетки печени у молодого животного тем не менее делятся и печень растет вместе с ростом всего животного. У взрослых животных эти деления практически прекращаются. Однако если две доли печени удалить, то в оставшейся доле очень быстро начнутся массовые деления клеток — регенерация печени. Если удалить одну почку, то в течение немногих дней вторая почка за счет клеточных делений увеличится вдвое. Очевидно, что в организме существуют механизмы, способные стимулировать клеточные деления в органе, активировать его рост и приводить размеры органа тем самым в некоторое количественное соответствие с размерами всего организма.

В этом случае действуют не контактные механизмы, а какие-то химические факторы, может быть связанные с функцией печени или почек. Можно представить, что недостаточность функции этих органов, при удалении части их или при отставании их роста от роста всего организма, так нарушает весь метаболизм в организме, что это вызывает компенсаторную стимуляцию клеточных делений именно в данных органах. Есть и другие гипотезы, объясняющие, например, подобные явления действием особых ингибиторов клеточных делений — кейлонов, выделяемых самим органом; если орган меньше, то меньше и кейлонов и больше клеточных делений в этом органе. Если такой механизм и существует, то действует он не везде. Например, потеря одной ноги не приводит сама по себе к увеличению размеров другой ноги.

Деления стволовых и дифференцирующихся клеток крови стимулируются, как мы уже говорили, гормонами, такими, как, например, эритропоэтин. Гормоны стимулируют клеточные деления и во многих других случаях. Например, стимуляция роста числа клеток яйцевода у кур активируется женским половым гормоном. Существуют химические факторы — обычно это небольшие белки, которые действуют не как гормоны, т. е. не разносятся с кровью по всему организму, а влияют более ограниченно, на соседние ткани. Это известные сейчас факторы роста — эпидермальный и др. Однако в большинстве случаев конкретные химические факторы регуляции клеточных делений и механизмы их действия нам неизвестны.

Еще меньше мы знаем о регуляции клеточных делений во время основных процессов морфогенеза — в эмбриональном развитии. Мы уже говорили, что здесь способность одних клеток делиться быстрее, чем другие, является проявлением их дифференцировки. В то же время нельзя не заметить, что дифференцировка и клеточные деления в определенном смысле противостоят друг другу и иногда даже исключают друг друга. В некоторых случаях это связано с невозможностью деления при далеко зашедшей, терминальной дифференцировке клеток. Может ли, например, разделиться эритроцит с его очень специализированной структурой, жесткой оболочкой и почти полной утратой большинства клеточных функций, а у млекопитающих еще и с потерей ядра? Нервные клетки хотя и сохраняют очень высокий темп метаболизма, но их длинный аксон и дендриты, связанные с другими клетками, служат очевидными препятствиями к делению. Если бы такое деление у нервной клетки все же произошло, это привело бы к потере связи этой клетки с другими и, следовательно, к потере ее функции.

Поэтому обычной последовательностью событий является сначала период пролиферации клеток, а уже затем дифференцировка, носящая терминальный характер. Более того, ряд ученых предполагают, что как раз во время клеточных делений хромосомы как бы «освобождаются» для следующего этапа дифференцировки, — последнему митозу перед дифференцировкой придается особое значение. Эти представления носят пока во многом умозрительный характер п не имеют на молекулярном уровне хороших экспериментальных оснований.

Ho и не зная конкретных механизмов регуляции клеточных делений, мы вправе рассматривать их программированный характер как такое же проявление программы развития, каким являются и все остальные его процессы.

В заключение мы кратко остановимся и на явлении, как бы обратном размножению клеток, — их гибели, которая в определенных случаях формообразования является необходимым этапом развития. Так, например, при образовании пальцев в зачатках кисти передних и задних конечностей клетки мезенхимы собираются в плотные тяжи, из которых потом формируются хрящи фаланг. Среди клеток, оставшихся между ними, происходит массовая гибель, за счет которой отчасти пальцы отделяются друг от друга. Нечто похожее происходит и при дифференцировке зачатка крыла у птиц. Механизмы гибели клеток в этих случаях — факторы, внешние по отношению к клеткам, и события внутри клеток — остаются малоизвестными. А. С. Уманский предполагает, например, что гибель клетки начинается с деградации ее ДНК.

Размножение клеток, несмотря на всю его важность, нельзя считать основным механизмом морфогенеза: в создании формы оно участвует все же косвенно, хотя такие важные параметры, как общая форма органа и его относительные размеры, могут регулироваться именно на уровне клеточных делений. Еще меньшую роль играет в морфогенезе программированная гибель клеток. Ho тем не менее они являются в нормальном развитии совершенно необходимыми компонентами. В регуляции этих явлений участвуют практически все компоненты клетки и ее генетический аппарат. Это показывает нам, что в развитии не бывает простых процессов. Попытка до конца разобраться в любом из них заставляет нас обращаться к основным молекулярным механизмам работы клетки. А здесь еще много нерешенного.

Для того чтобы оценить всю сложность развития многоклеточного организма, надо представить себе этот процесс происходящим как бы в многомерном пространстве. Одну ось составляет длинная цепь этапов реализации генетической информации — от гена до признака. Второй такой осью можно назвать всю совокупность генов в хромосомах. В ходе развития продукты различных генов взаимодействуют друг с другом. Развертывание событий но двум осям образует как бы сеть на плоскости. Однако существует п третья ось — разнообразие событий, происходящих в разных частях зародыша. События эти могут происходить относительно автономно, как у животных с мозаичным развитием. Ho частично и у них, а в полной мере у видов с регуляционным типом развития между частями организма осуществляются большие или меньшие взаимодействия и всегда сложные перемещения клеток. Рассматривать их все как одну ось можно, только идя на значительные упрощения. И наконец, все развитие (гаметогенез, эмбриогенез и постэмбриональное развитие) происходит во времени, масштаб которого совершенно иной, чем время, измеряемое на пути от гена до белка. По этой (условно четвертой) оси вся многомерная картина радикально изменяется — яйцо превращается в размножающийся организм. Эта многомерность иллюстрирует сложность всех процессов и их взаимоотношений и трудности их понимания.