«Чудесная жизнь клеток. Как мы живем и почему мы умираем» Льюис Уолперт
Как мы развиваемся из одной-единственной клетки
Более ста лет тому назад - немецкий биолог Ганс Дриш разделил клетки эмбриона морского ежа на двухклеточной стадии развития, и каждая из получившихся отдельных клеток развилась в маленькую, но вполне обычную по форме личинку. Сейчас хорошо известно, что можно получить особи близнецов при разделении на этой стадии развития двухклеточных эмбрионов многих животных. Близнецы человека образуются при разделении эмбриона на значительно более поздней стадии - через две недели после оплодотворения яйцеклетки.
После оплодотворения в яйцеклетке происходит деление клеток, которое, однако, не сопровождается ростом самой яйцеклетки. В результате этого деления образуется группа из 30 клеток, и они формируют полую сферу. Внешняя оболочка этой сферы в последующем развитии эмбриона не участвует - из нее образуются такие структуры, как, например, плацента. Зародыш формируется из клеток внутренней поверхности этой полой сферы; оттуда же происходят эмбриональные стволовые клетки, способные развиться в любой из типов клеток.
На ранней стадии между клетками не наблюдается различий. Интересен вопрос, откуда клетки знают, в каких местах им надлежит быть и что делать. Откуда им становится известно, что они должны четко выполнять свои функции в целях развития эмбриона - стать, например, частью глаза или же образовать часть желудка. Выяснилось, что все это происходит благодаря взаимодействию генов и белков, в результате чего нужные белки синтезируются в нужное время и в нужном месте.
Во время развития эмбриона оказываются задействованными пять основных клеточных механизмов - деления клеток, образования структур тела, изменения форм, дифференциации клеток, роста клеток.
Деление клеток на ранней стадии развития эмбриона называется дроблением. В этот период яйцеклетка расщепляется на несколько более мелких клеток, и некоторые из них становятся эмбриональными стволовыми клетками.
Процесс образования структур состоит из формирования в эмбрионе органов и частей тела - например, конечностей или такой важной структуры, как нервная система. Клетки закрепляются на отведенных им местах и образуют четкую структуру будущего органа.
Если образование структур тела напоминает собой рисование или, лучше сказать, создание каркаса, то изменение формы походит на процесс лепки скульптуры, во время которого клетки совершают значительные перемещения и ткани меняют форму. Наш позвоночник представляет собой сначала плоскую полоску. Затем края этой полоски начинают закругляться и, встретившись, соединяются для того, чтобы образовать пустотелую трубку, которая и становится впоследствии позвоночным столбом. Разумеется, эта трубка пронизана множеством нервов, и их образование является прямым следствием процесса дифференциации клеток.
Дифференциация клеток приводит к появлению сотен различных типов клеток в нашем организме.
Механизм роста клеток способствует увеличению отдельных частей тела эмбриона. В основном он включается уже после того, как мы появляемся на свет.
Контроль над активностью всех этих клеточных механизмов осуществляется за счет присутствующих в клетках белков, а их деятельность, в свою очередь, определяется теми генами, которые на данный момент находятся в активированном состоянии. Таким образом, фундаментальным механизмом процесса развития клеток является процесс активации и деактивации генов. Гены в клетках растущего носа - такие же, как и гены в клетках растущего пальца, однако активные гены в этих частях тела сильно отличаются друг от друга.
Мы уже видели, что существуют контрольные зоны генов, с которыми связываются белки, участвующие в процессе транскрипции, - тем самым они делают ген активным либо неактивным. Изменения в статусе гена определяются как последовательностью событий внутри клетки, так и сигналами, которыми клетки обмениваются друг с другом.
В процессе развития эмбриона в активированном состоянии находятся несколько тысяч генов, которые осуществляют контроль над его развитием. Существует также множество генов, функция которых заключается в поддержании обычной жизнедеятельности клеток. Эти гены, не имеющие отношения к генетической программе развития эмбриона, присутствуют в большинстве клеток.
Из клеток внутренней поверхности оплодотворенной яйцеклетки происходят три клеточных слоя, из которых состоит наше тело: эктодерма, мезодерма и эндодерма. Эктодерма - это внешний тканевый слой, в нее входят кожа и нервная система. Находящаяся под ней мезодерма включает в себя мускулы, скелет, сердце, кровь и почки. Третьим, самым глубинным тканевым слоем является эндодерма, из нее состоят кишки, печень и легкие. В процессе формирования клеточных слоев эктодерма, мезодерма и эндодерма должны расположиться в правильном порядке. Этот процесс называется гаструляцией.
Особенность животных в том, что клетки, которым предстоит сформировать их кишечник и мускулы, скелет и сердце, изначально находятся на внешней стороне эмбриона и им необходимо передвинуться во время гаструляции. Определение будущих функций этих клеток на ранней стадии позволяет сформировать основные оси развития эмбриона - в частности, выявить, где будет находиться его голова, а где хвост. При этом определяется расположение трех клеточных слоев, из которых будет состоять тело, в результате чего клетки мезодермы и эндодермы направляются внутрь эмбриона, чтобы занять назначенное положение.
Первый явный признак гаструляции в человеческих эмбрионах - формирование плотного слоя клеток, который разрастается и формирует желоб, соответствующий основной оси нашего тела. На конце этого слоя находится область, организующая рост и движение, которая называется наростом. По мере продвижения нароста к противоположному концу яйцеклетки образуется новый слой клеток. Клетки, находящиеся по разные стороны от этого слоя, перемещаются под него и формируют эндодерму и мезодерму. Когда эти перемещения заканчиваются, новообразованный плотный слой начинает сдвигаться в направлении заднего конца эмбриона. Теперь на его кончике находится будущая голова эмбриона.
При этом поверхностный слой клеток, эктодерма, начинает разворачиваться в районе срединной линии, образуя трубку, из которой впоследствии будут сформированы спинной мозг и головной мозг. Находящаяся под ней и возвращающаяся назад мезодерма оставляет за собой пары небольших комочков ткани, по одному на каждой стороне, которые известны под названием сомитов; впоследствии сомиты сформируют позвоночный столб, мускулы спины и конечностей. Таким образом становится очевидна основная структура эмбриона; конечности же его разовьются позже из отростков, которые вырастут из тела.
Но если теперь можно определить, где находится голова и где будут находиться ноги эмбриона, то по-прежнему остается не ясно, где будут правая и левая его стороны. Несколько органов нашего тела являются симметричными, как, например, конечности, однако сердце располагается слева, у печени имеется только левая доля, слева располагаются желудок и селезенка.
Во время развития эмбриона левую сторону от правой отличают реснички. Благодаря им активируется особый ген, который в свою очередь активирует гены левой стороны тела. У одного из десяти тысяч человек обычная асимметрия правой и левой стороны нарушена. Такие люди во всем остальном являются совершенно нормальными; правда, некоторые, очень немногие, могут испытывать проблемы с дыханием.
Все это развитие происходит за счет деятельности клеток, которая контролируется генами и теми белками, которые закодированы в них.
В развитии эмбриона по-настоящему определяющим фактором является именно внутреннее состояние клетки.
Связь, которая осуществляется между различными клетками в развивающемся эмбрионе, позволяет активировать нужные гены в нужное время, чтобы белки могли выполнять свою работу. Сигнал, который получает при этом клетка, редко проникает внутрь нее. Почти всегда этот сигнал, являющийся в форме некоего вещества, воздействует на внешнюю оболочку клетки и вызывает ряд цепных реакций внутри клетки, которые приводят к активации либо деактивации определенных генов. Это немного напоминает то, как если бы вы нажимали определенные кнопки на музыкальном автомате, чтобы заставить его играть нужные вам мелодии. Таким образом, развитие эмбриона проистекает в результате последовательных реакций внутри клетки, которые вызываются сигналами, поступающими извне.
Сигнал, достигший клеточной оболочки, передается далее путем последовательного взаимодействия белков. Это приводит к добавлению фосфата к целому ряду белков, располагающихся как в клеточной оболочке, так и в клеточном ядре, что стимулирует либо останавливает работу гена. Это сложный процесс, известный под названием сигнальной трансдукции.
Исследования регенерации тканей дают убедительные доказательства того, что клетки действительно обладают позиционными значениями. Несколько видов лягушек способны регенерировать свои конечности, что требует, чтобы клетки обладали позиционными значениями относительно утраченной конечности, то есть чтобы процесс регенерации начинался с того места, в котором конечность подверглась ампутации, и далее по направлению к кончикам утраченных пальцев.
Ученые выявили специфический белок на оболочках клеток конечности лягушки, концентрация которого уменьшается от плеча к конечностям лягушки. И при этом установили, что возможно изменить позиционные значения клеток, обрабатывая регенерируемую конечность ретиноевой кислотой, которая приводит к появлению у клеток в районе пальцев более высокой концентрации этого белка и уподобляет их клеткам в районе плеча. Если ампутировать лягушке кисть, то при обычных условиях у нее будет регенерирована именно кисть. Но если в процессе регенерации ввести в ткани ретиноевую кислоту, то регенерируемые клетки решат, что они являются клетками плечевой области, и тогда на месте отрезанной кисти вырастет целая лапка.
Формирование структур тела во время развития эмбриона хорошо наблюдать на примере образования конечностей.
На краю зоны развития в том месте, где будет сформирован мизинец, находится особая сигнальная зона, в которой образуется белок «Акустический еж». Он передает информацию по линии, которая пролегает от большого пальца к мизинцу. Концентрация «Акустического ежа» наивысшая в районе формирования мизинца, она снижается ближе к зоне, где образуется большой палец. Ученые полагают, что степень концентрации «Акустического ежа» определяет позицию клеток, а значит, и то, какой именно палец здесь сформируется.
Присвоим трем пальцам цифры 4, 3, 2 по направлению от мизинца к большому пальцу. Они обычно располагаются согласно формуле «4-3-2», и палец «4» характеризуется высоким содержанием «Акустического ежа», а палец «2» - низким. Если взять у одного эмбриона участок тканей с присутствием «Акустического ежа» и пересадить в область зачатка конечностей другого эмбриона, где должен будет вырасти большой палец, то конечность расширится и на ней появится шесть пальцев по формуле «4-3-2-2-3-4».
«Акустический еж» помогает контролировать развитие пальцев как на руках, так и на ногах. Ответная реакция на него клеток, располагающихся на руках и на ногах, не одинакова - дело в том, что на верхних и нижних конечностях активируются разные гены. Иногда - к счастью, довольно редко - дети рождаются с лишними пальцами; это происходит из-за того, что в районе формирования большого пальца образуется дополнительная сигнальная область с «Акустическим ежом».
В развитии конечностей большую роль играет программируемая смерть клеток - апоптоз, которая заставляет умирать те клетки, которые располагаются между пальцами. Если бы этого не происходило, на руках были бы перепонки и они походили бы на утиные лапки. Апоптоз является частью механизма образования структур тела; он контролируется генами.
По мнению ряда ученых, позиции клеток на основной оси руки, от плеча до кисти, определяются временем, которое клетки проводят в зоне развития. Те клетки, которые находятся в зоне развития дольше всего, становятся пальцами. Те же клетки, которые покидают ее раньше других, образуют кости - лучевые и локтевые. Такая модель, в которой за позиции клеток отвечает механизм, регулирующий время, объясняет эффект препарата талидомида - его прием беременными женщинами приводил к деформациям конечностей у новорожденных младенцев. Талидомид, вероятно, убивает клетки в зоне развития и ломает график их распределения вдоль оси конечности. Это приводит к тому, что из всех тканей руки развиваются только ткани в районе кисти. Есть данные, что талидомид блокирует развитие кровеносных сосудов, и это вызывает незапланированный природой апоптоз в зоне развития, из-за чего дети рождаются с кистью, которая начинается прямо от плеча.
Все клетки мускулов в наших конечностях мигрируют туда из сомитов, о которых мы уже упоминали. В отличие от клеток конечностей, клеткам, которым предстоит развиться в клетки мускулов, не присвоено на ранней стадии никаких позиционных значений; они совершенно одинаковы - в этом смысле между ними царит подлинная демократия. Когда будущие мускульные клетки проникают в ткань конечностей, клетки конечностей, обладающие позиционными значениями, направляют их в нужные места, где эти клетки превращаются в мускульные и прикрепляются к костям и сухожилиям. Они и на этой стадии развития ведут себя абсолютно демократично, без каких-либо претензий, и готовы соединиться с любой костью и сухожилием, с какими войдут в непосредственный контакт. Это показали многочисленные эксперименты на эмбрионах цыплят.
Существует и пока еще до конца не понятый механизм, который определяет позиции клеток, располагающихся вдоль основной оси тела, то есть от него зависит, где разовьются шея, ребра, конечности и нижняя часть спины. Этот механизм активирует специальный набор генов, известных как гены Хокса. У нас имеется четыре набора, в которые входят до тринадцати таких генов, называемых гомеотическими, - расположенные на четырех различных хромосомах, что объясняется удвоением первоначального набора в ходе эволюции, они тесно связаны между собой.
Наборы гомеотических генов отображаются на различных позициях вдоль оси нашего тела, идущей от головы к копчику, и определяют развитие тканей в различных локальных секторах - например, то, где вырастут ребра или где разовьются зачатки будущих конечностей. Так, например, ген Хокса А1 отображается в той части тела, которая относится к голове, а ген Хокса А13 - в нижней части нашего позвоночника.
Наша сосудистая система - это первое, что развивается в эмбрионе. Сердце, вены, артерии и другие сосуды формируются из одних и тех же клеток. Эти клетки, соединяясь, образуют трубки, и один из концов каждой трубки становится центром роста, где клетки размножаются. Клетки, находящиеся на кончике сосуда, имеют длинные сокращающиеся отростки, которые вытягиваются вперед и направляют рост сосуда. При этом они чутко реагируют на сигналы от клеток той ткани, через которую сосуд прорастает.
Трубки, из которых образуются сосуды, уже на самой ранней стадии, еще до того, как они начинают расти, имеют характерные признаки либо артерий, либо вен, однако в процессе развития эти особенности могут исчезнуть. Во время развития сосудов у них появляются многочисленные отростки, на возникновение и направление движения которых опять-таки влияют сигналы, получаемые от локальных групп клеток. Поскольку функция сосудов заключается в том, чтобы доставлять кровь в различные части тела, сигналы им посылают именно те клетки, которые строят органы, нуждающиеся в притоке крови.
Красные кровяные тельца не обладают ни ядром, ни митохондриями. Они наполнены белком гемоглобином, который окрашивает их в красный цвет. Именно гемоглобин, с одной стороны, захватывает кислород в наших легких и снабжает им клетки, а с другой - забирает из клеток двуокись углерода и переносит ее в легкие.
Наш гемоглобин состоит из белковой части - глобина и небелковой - железосодержащего гема, причем молекула гема встроена в каждую цепь глобина. Содержащийся в геме атом железа и связывает кислород. Каждая молекула гемоглобина содержит две цепи альфа-глобина и две бета-глобина, которые кодируются генами, находящимися на различных хромосомах. Цепи альфа-глобина и бета-глобина создаются на разных этапах развития эмбриона, поскольку они с разной степенью силы связывают кислород. Связано это с тем, что потребность в кислороде на разных этапах развития не одинакова.