ванное в опытах В.Геринга.
Из опытов Геринга можно сделать ряд заключений.
1. Действительно существуют «гены-господа» и «гены-рабы».
2. Сложнейшая морфогенетическая реакция, завершающаяся формированием целого органа, может быть запущена одним, «главным» геном, который, следовательно, является ответственным за процессы морфогенеза, разрешая или запрещая (в случае мутации) целый сложный комплекс формообразовательных событий.
3. Морфогенетические процессы основываются на молекулярно-генетических событиях, специфика формы обуславливается спецификой последовательных ткане- и органоспецифических синтезов, разрешенных активацией «главного» гена.
4. Соответствующие молекулярно-морфогенетические системы являются высококонсервативными и обеспечиваются в высшей степени гомологичными молекулярно-генетическими системами у самых разнообразных таксономических единиц.
Активность регуляторных генов предопределяет тканевую специфичность, реализуемую в процессе дифференциации.
Дифференциация – это процесс специализации клеток, обуславливающий их морфофизиологические различия. Другими словами, это реализация той программы, которая была намечена детерминацией. Различные виды клеток эукариотического организма синтезируют как одинаковые белки, так и специфические. В зависимости от типа клеток и стадии их развития может варьировать и уровень продукции любого белка. В связи с этим в биологии развития различают два вида эукариотических генов:
1) гены «домашнего хозяйства» (housekeeping) – связаны с поддержанием универсальных клеточных функций. Проявляются во всех клетках.
2) гены «роскоши» - связаны с осуществлением специализированных клеточных функций, специфичных для отдельных типов клеток. Высокий уровень активности генов «домашнего хозяйства» является обычно предварительным этапом дифференциации, следующим после установления детерминации. Этот этап, вероятно, не имеет тканевой специфичности. Известно, что клеточная детерминация происходит задолго до формообразовательных процессов.
Дифференциальная экспрессия генов «роскоши» обуславливает дифференциацию клеток в определенном направлении. В результате дифференциальной активности генов формируются различные клеточные линии, а на их основе – ткани и органы. Дифференциация как и детерминация, является многоступенчатым процессом. Так, на дифференцировку нервной ткани влияют экспрессия ее собственных генов, генов смежных нейронов, генов удаленных нейронов, отростки которых достигают этой клетки. Также на нее влияет дифференциальная экспрессия клеток окружающих глиальных клеток, генетические системы эндокринных и нейроэндокринных органов.
По мере развития зародыша усиливаются связи между клетками и увеличивается их влияние друг на друга. Влияние клеточных структур, определяющее развитие других клеточных структур, называется эмбриональной индукцией.
Другими словами под эмбриональной индукцией понимают взаимодействие эмбриональных закладок, ведущее к формообразовательному эффекту. Этот эффект достигается через реакцию ткани-мишени, которая становится детерминированной к определенному типу развития. Далее детерминированное состояние реализуется в процесс дифференцировки.
Первичной эмбриональной индукцией принято называть взаимодействие хордомезодермы и презумптивной нейроэктодермы в ходе гаструляции, обуславливающее процесс первичного органогенеза – формировании нервной трубки. В результате этого взаимодействия запускается цепь морфогенетических (формообразовательных) событий. В зависимости от типа образуемых при этом структур различают следующие варианты первичной эмбриональной индукции:
· архенцефалическая – в результате нее образуются предний мозг, глаз, хрусталик;
· дейтеренцефалическая – средний мозг, задний мозг, слуховые пузырьки;
· мезодермально-энтодермальная – представлена тремя вариантами:
1. спино-каудальная – спинной мозг, хвостовая хорда, сомиты;
2. туловищно-мезодермальная – туловищная хорда, сомиты, почечные канальцы, мезотелий, кровяные островки;
3. энтодермальная – глотка, пищевод, кишечник.
Явление первичной эмбриональной индукции открыл в 20-е годы ХХ в. выдающийся немецкий эмбриолог Г.Шпеман. он считал, что весь процесс индивидуального развития складывается из цепи эмбриональных индукций, шаг за шагом определяющих формообразование, дифференцировку органов и их систем и становление внешнего облика развивающейся особи, ее регионализацию.
Шпеман, проводя опыты по трансплантации участка губы бластопора от одного зародыша тритона на брюшную часть другого зародыша, получил удивительный результат: на брюшной стороне эксперементального зародыша формировалась вторая нервная пластинка, развившаяся позднее в нервную трубку. На каждой ее стороне образовывались слуховые пузырьки, ряды сомитов и таким образом возникала вторая закладка осевых органов. В 50-60-е годы ХХ в. голандский эмбриолог П.Нюкооп продемонстрировал, что первым индуцирующим событием в развитии зародыша является не воздействие хордомезодермы на презумптивную нервную пластинку, а стимуляция энтодермой преобразования смежных клеток в хордомезодермальную закладку. По сути дела, это событие и является истинно первичной эмбриональной индукцией.
Каждая эмбриональная индукция характеризуется тремя факторами: индуктор, компетентная ткань, взаимодействие индуктора и компетентной ткани. Индуктор – тканевая закладка, воздействующая на компетентную ткань. Характеризуется рядом особенностей: образованием индуцирующих агентов, созреванием способности к индукции, автономностью созревания. Индуцирующие агенты это низкомолекулярные белки, которые выделяются индуцирующей тканью и воспринимаются компетентной тканью, вызывая формообразовательный эффект. Предполагалось существование двух индуцирующих агентов – нейтролизующего и мезодермализующего, от соотношения которых зависит региональная специфичность индуцирующего эффекта. Они образуются еще в период оогенеза и распределяются по объему развивающего яйца неравномерно, формируя градиенты распределения, важные для нормально процесса эмбрионального развития.
Созревание способности к индукции заключается в регионализации – постепенном приобретении каждой частью индуцирующей ткани способности индуцировать определенный набор структур. На самых ранних стадиях созревания она обладает способностью индуцировать лишь образование пигментных клеток, затем переднеголовных структур и, наконец, мезодермальных структур. Индуцирующая хордомезодерма постепенно расчленяется на зоны, дающие разный региональный эффект. Созревание индуктора осуществляется автономно, независимо от окружающих тканей зародыш. В ходе созревания изменяются индуцирующие свойства ткани в строго определенном направлении и закономерно.
Компетентная ткань это та тканевая закладка, которая подвергается действию индуктора и отвечает на него формообразовательным процессом. Ее характеризуют три свойства: компетенция, автономность созревания, эффект минимальной масс.
Компетенция это физиологическое состояние реагирующей системы, в котором она способна воспринимать воздействие индуктора. До сих пор неизвестны молекулярно-генетические основы компетенции, но предполагают, что она может быть связана с образованием рецепторов, способных «опознавать» молекулы индуктора и обеспечивать их транспортировку внутрь клетки.
Созревание компетентной ткани, как и созревание индуктора, автономно, строго направлено, закономерно и не зависит от тканевого окружения. Чтобы компетентная ткань реагировала на действие индуктора, кроме всего прочего, необходимо наличие в ней определенного, минимального количества клеток, т.е. требуется некоторый «порог массы».
Взаимодействие индуктора и компетентной ткани характеризуют следующие три параметра: проникновение индуцирующих агентов в компетентную ткань, пространственные закономерности взаимодействия, временные закономерности взаимодействия. В опытах Ж.Браше, К.Гробстайна, Л.Саксена и др. было показано, что отделение индуктора от компетентной ткани с помощью мембранных фильтров, предотвращающих их контакт, не допускающих диффузию индуцирующих агентов, не предотвращает индукцию. Более того, если прокультивировать индуцирующую ткань в физиологическом растворе, затем удалить ее и поместить в этот раствор компетентную ткань, последняя обнаружит способность ко всем формообразовательным процессам, происходящим в ходе обычной индукции. Это наводит на мысль, что для осуществления индуцирующего эффекта важен не контакт индуктора и компетентной ткани, а транспорт индуцирующих агентов в компетентную ткань.
Рис.13. Возможные механизмы передачи индукционных влияний
А — диффузия; Б — взаимодействие молекул матрикса с комплементар-
ными структурами мембран клеток-мишеней; В— взаимодействие между поверхностными мембран-
ными структурами клеток ткани-индуктора и реагирующей ткани;
Г — взаимодействие через
межклеточные соединения
Пространственные закономерности взаимодействия индуктор-компетентная ткань проявляются в строгом соответствии положения ткани индуктора и реагирующей системы друг относительно друга.
Временные закономерности взаимодействия индуктор-компетентная ткань проявляются в величине времени контакта тканей организатора и реагирующей системы для достижения положительного эффекта индукции.
Для регионализации основное значение имеет не продолжительность контакта, а строго пространственно-временное соответствие физиологически активного состояния индуктора и реагирующей системы. Нарушение этого соответствия ведет к нарушению эффекта индукции.
К первому морфогенетическому взаимодействию в ходе развития амфибий относят открытое выдающимся голландским эмбриологом П.Ньюкоопом взаимодействие между анимальной и вегетативной частями зародыша на стадии морулы. В результате этого воздействия в экваториальной зоне зародыша возникает зачаток мезодермы, а остальные клетки анимальной половины детерминируются в эктодермальном направлении. Разные зоны вегетативного полюса индуцируют в эктодерме мезодермальные территории (дорсальную и вентральную) с различной судьбой.
Источником последующих индукционных влияний является зачаток мезодермы. В процессе развития он разделяется на две зоны – дорсальную и вентральную. В период гаструляции-нейруляции различные участки мезодермы приходят в контакт с другими тканями зародыша и оказывают на них индуцирующее влияние. В результате к концу нейруляции в пределах каждого из трех зародышевых листков (эктодерма, мезодерма, энтодерма) имеются определенные компартменты, содержащие клетки-предшественники соответствующих линий дифференцировки. Первым молекулярным сигналом в цепи индуктивных событий в ходе эмбриогенеза амфибий является активин.
Можно выделить несколько особенностей функционирования генетических систем, контролирующих развитие.
«Опережающее» функционирование генов в ходе онтогенеза. Многие продукты синтезируются в развивающемся зародыше «заранее», часто задолго до того, как они будут востребованы. Это, в частности, вещества, которые участвуют в «разметке» плана строения организма (продукты генов сегментации, гомеозисных генов), в осуществлении эмбриональной индукции (индуцирующие вещества и их ингибиторы). Некоторые молекулы, например, гемоглобин, образуются еще в яйцеклетке, задолго до того, как начнут выполнять свои функции в клетках эритроидного ряда.
Автономия частей при единстве целого. Это качество функциональной динамики генома отчетливо проявляется в раннем эмбриогенезе при созревании индуктора (хордомезодермы) и компетентной ткани (нейроэктодермы). Очевидно, генетические системы, регулирующие созревание индуцрующих свойств хордомезодермы и способность компетентной ткани реагировать на воздействие индуктора, функционируют в автономном режиме, независимо от того, находится ли данная развивающаяся эмбриональная закладка в составе целого зародыша или вне его. Целостность же развивающейся системы обеспечивается за счет того, что в норме сроки созревания двух взаимодействующих тканей строго «подогнаны» один к другому, как бы «синхронизированы» в результате чего достигается нормальное течение онтогенетического процесса.
Можно выделить три автономно функционирующих генетических системы, контролирующих три соответственно автономных процесса:
§ формообразовательные события;
§ дифференцировка специфических морфологических типов клеток;
§ химическая спецификация этих клеток.
