Чтение онлайн

Рис. 8-14. Схема предполагаемой эволюции характера сегментации насекомых в процессе филогенеза. А. Кольчецы. Б. Онихофоры. В. Многоножки. Г. Бескрылые насекомые. Д. Крылатые насекомые. Сопоставляя эту схему с рис. 8-9, можно видеть, что постепенное выпадение гомеозисных локусов приводит к прогрессирующему упрощению сегментации у дрозофилы, которое до некоторой степени имитирует филогению насекомых. (Snodgrass, 1935).

Мы не хотели бы, чтобы читатель принял эти аналогии слишком буквально, и считаем необходимым подчеркнуть, что описанные здесь атавизмы нельзя считать подлинными. Делеция генов привела лишь к изменению индивидуальности некоторых сегментов, но при этом они несомненно остаются сегментами дрозофилид. Это показывает, что содержащиеся в этих локусах гены участвуют в спецификации развивающейся структуры - в регуляции онтогенеза как такового. Они играют роль переключателей, определяя судьбу клеток путем регуляции действия генов, экспрессирующихся в каждом отдельном сегменте. Находящиеся под их контролем структурные гены, по-видимому, эволюционировали совместно с этими контролирующими гомеозисными локусами, но в то же время в известном смысле обособленно от них.

На основе описанной здесь филогении насекомых и тонкой структуры двух комплексов генов мы представляем себе эволюцию гомеозисных форм как ступенчатую дупликацию с последующей дивергенцией функций. Самый подходящий отрезок филогенеза, где легче всего наблюдать этот процесс, - переход от многоножек к бескрылым и далее к крылатым насекомым. Гены iab определяют дифференцировку груди и брюшка. В отсутствие этих генов брюшные сегменты становятся грудными. Поэтому у генов iab возникла функция, которая могла подавлять развитие конечностей у задних сегментов. Льюис (Lewis) показал, что у дрозофилы имеется несколько таких локусов, возможно, по одному на каждый из восьми брюшных сегментов.

Однако у бескрылых насекомых эти сегменты добавляются один за другим в процессе эмбриогенеза; и возможно, что им для этого нужен только один ген, который многократно активируется по мере добавления новых брюшных сегментов. С возникновением типичного для крылатых одновременного формирования всех сегментов могла произойти серийная дупликация гена iab как необходимый элемент такого изменения развития.

Можно считать, что члены комплекса ANT-C возникли в какой-то ранний момент эволюции насекомых. Переход от предка, сходного с кольчецами, к онихофорам, а затем к многоножкам был связан с вовлечением послеротовых туловищных сегментов и превращением их в гнатоцефалические сегменты, дающие начало ротовым частям. Этот процесс осуществляется, по крайней мере частично, локусом proboscipedia. Кроме того, гены Scr+ и Antp+ (см. рис. 8-8, А) функционируют как переключатели, необходимые для детерминации характерных черт (индивидуальности) первого и второго грудных сегментов. Можно представить себе, что функции этих генов возникли, дуплицировались и дивергировали во многом таким же образом, как функции локусов ВХ-С. Возможно даже, что эти два комплекса связаны между собой через дупликацию: элементы комплекса ANT-C дали начало путем дупликации какому-то предшественнику комплекса ВХ-С.

До сих пор мы рассматривали типы трансформаций, вызываемых гомеозисными генами, а также место и сроки функционирования этих генов, не касаясь того, как они осуществляют переключение. Этот последний вопрос фактически состоит из двух частей: как регулируются сами гомеозисные гены и как они в свою очередь регулируют характер генной экспрессии в пределах каждого сегмента? Прежде чем попытаться ответить на эти два вопроса, необходимо обсудить существующие представления о способе становления пространственной структуры.

Главная проблема, стоящая перед биологами, занимающимися изучением развития, - объяснить механику процессов, в результате которых из одноклеточной зиготы образуется морфологически более сложный многоклеточный взрослый организм. С генетической точки зрения это влечет за собой необходимость объяснить, каким образом закодированная в ДНК одномерная информация реализуется в трехмерной структуре организма. Программа развития слагается из связанных между собой явлений двух типов - клеточной дифференцировки и становления пространственной структуры. Возможность отделить друг от друга эти два аспекта онтогенеза нетрудно продемонстрировать на довольно простом примере. Если произвести биохимический анализ правой и левой рук человека и перечислить все образующие их мышцы, сухожилия, кости и т. п., то они окажутся идентичными. Между тем одного взгляда на эти два органа достаточно, чтобы убедиться в том, что они не идентичны. Одна рука не может заменить другую. Еще яснее это видно при сравнении руки и ноги. В настоящей главе мы и попытаемся выяснить, каким образом возникают эти различия, т.е. как происходит развитие пространственной структуры и формы. В конечном счете эволюцию и морфологии, и клеточной дифференцировки следует понимать именно в контексте становления пространственной структуры.

Один подход к изучению процесса онтогенеза был выдвинут в 40-х годах Уоддигтоном (Waddington). В процессе своего развития клетка проходит то, что Уоддингтон назвал эпигенетическим ландшафтом. Эпигенетический ландшафт (рис. 9-1) представляет собой равнину, изрезанную рядом долин. Долины берут начало на возвышенном конце равнины и тянутся вниз; при этом они постепенно расходятся, заканчиваясь каждая в своей особой точке на нижнем конце равнины. Клетка движется от верхнего конца равнины к нижнему по системе долин. В каждой точке ветвления клетка должна принять некое морфогенетические решение, в результате чего ее потенции к развитию ограничиваются. Находясь на верхнем конце ландшафта, клетка теоретически может достигнуть каждой из особых конечных точек. Однако, после того как она примет свое первое решение, например в первой точке ветвления, ей останется доступным только одно из подмножеств конечных точек. Клетка начинает свой путь в состоянии тотипотентности, но постепенно ее возможности становятся все более и более ограниченными в результате принимаемых ею решений. Уоддингтон назвал этот процесс канализацией. По своим общим свойствам процесс канализации приложим как к клеточной дифференцировке, так и к становлению пространственной структуры. Точки принятия решений - развилки долин - подвержены воздействиям внешних сил, например гормональных стимулов или индукции, а решение зависит от обусловленной генетически реакции клетки на данный стимул. Как станет ясно из дальнейшего, наблюдаемые нами решения, которые клетка принимает в процессе онтогенеза, относятся к типу «или-или», и их можно рассматривать как ряд двоичных решений типа «направо-налево». Расстояние от верхнего конца ландшафта к нижнему соответствует времени развития. Эту модель можно использовать как для мозаичного, так и для регуляционного развития, просто перемещая точки ветвления долин либо к верхнему, либо к нижнему концу холма соответственно. Хотя данная модель в том виде, в каком она здесь описана, позволяет представить себе процесс развития, она не объясняет его. Кроме того, эта модель статична, поскольку в ней формально не представлен процесс клеточного деления. Тем не менее идея о ряде канализирующих событий очень важна и отражается, например, в развитии конечности позвоночных, в частности в детерминации осей, определяющих отличие правой конечности от левой.

Рис. 9-1. Эпигенетический ландшафт Уоддингтона. Шарик на вершине изображает клетку, а долины под ним - различные пути развития, по которым она может пойти (Waddington, 1966).

Итак, правая рука отличается от левой, но как возникает различие между ними? Описание этого процесса дал Гаррисон (Harrison) на основании изучения развития конечностей аксолотля. Конечности Ambystoma при первом появлении имеют вид латеральных утолщений мезодермы на тех участках боковых поверхностей животного, где впоследствии развиваются ноги. Развитие ноги зависит от этой мезодермы, потому что пересадка ее кусочков на другие участки вызывает образование ног в нетипичных местах. Эктодерма, покрывающая закладки конечностей, такой способностью не обладает. Если вырезать целиком презумптивную область конечности и пересадить ее на боковую поверхность тела реципиента с той же стороны, с которой она была взята у донора, и с сохранением полярности, то из эксплантата разовьется полная конечность с такой же полярностью, как у нормальной конечности реципиента. Если же пересадить эксплантат на противоположную сторону реципиента, то из него разовьется конечность, передне-задняя полярность которой будет противоположна таковой у нормальной конечности реципиента. В то же время дорсо-вентральная полярность будет у них одинаковой. Если тот же зачаток конечности повернуть на 180° и пересадить его на ту же сторону реципиента, на какой он был у донора, дорсо-вентральная полярность опять-таки будет соответствовать норме. Следовательно, детерминирована только передне-задняя ось, но не дорсо-вентральная. Проделав такой же эксперимент с зачатком конечности, взятым у донора, который был немного старше, Гаррисон обнаружил, что дорсо-вентральная ось также стала детерминированной. Сходные эксперименты с использованием трансплантатов, повернутых относительно проксимально-дистальной оси, показали, что эта ось детерминируется в последнюю очередь. Из всего этого можно сделать вывод, что детерминация осей конечности происходит примерно таким же образом, как канализация событий на эпигенетическом ландшафте. Принимается ряд решений - переднее или заднее, дорсальное или вентральное, проксимальное или дистальное, - последовательно распределенных во времени, причем каждое из них сопровождается ограничением изначальных морфогенетических потенций. Остается, однако, неясным, как осуществляются эти ограничения. Какого рода информацию получает клетка в точке принятия решения и какова природа ее реакции? Не имея возможности дать точные ответы на эти вопросы, можно получить некоторое представление о них, рассмотрев две связанные с ними концепции: эмбриональных полей и позиционной информации.

Презумптивную область ноги, которую пересаживал Гаррисон, можно рассматривать как эмбриональное поле. В более общем смысле поле - это участок зародыша или группа клеток, в пределах которых может происходить регуляция. На примере поля конечности зародыша амфибии можно убедиться, что если удалить часть презумптивной конечности, то из оставшихся клеток тем не менее формируется нога со всеми ее обычными частями. Иными словами, оставшиеся клетки, если операция была произведена на достаточно ранней стадии развития, способны отреагировать на нехватку и заменить элементы, которые были удалены. Это установил Т. Морган (Т. Н. Morgan) еще до того, как он основал Американскую школу генетики. Он понимал, что такой процесс может происходить двумя основными способами: в первом случае недостающие структуры замещаются в результате клеточных делений, восполняющих удаленный материал; во втором случае регенерация поля происходит в отсутствие клеточного деления. Первый способ он назвал эпиморфозом, примером которого служит регенерация конечности у амфибий. Второй способ он назвал морфоллаксисом, наилучшим примером которого служит ранний зародыш в целом. У этих двух типов регуляции есть общая черта, состоящая в том, что клетки, образующие данное поле, способны определять и запоминать информацию о своем положении в пределах этого поля.

Для того чтобы объяснить регуляторное поведение клеток в пределах полей, Л. Вольперт (Lewis Wolpert) и его сотрудники сформулировали концепцию позиционной информации. Эта информация, сообщаемая клетке, содержит указание о ее местоположении по отношению к другим клеткам, и именно эта информация определяет план, в соответствии с которым развивается зародыш или поле. Чаще всего позиционная информация рассматривается как градиент какого-либо вещества (иногда называемого морфогеном), которое распределяется по полю так, что его концентрация постепенно изменяется от высокой к низкой.

Многие концепции позиционной информации возникли в результате исследований развития, начатых Сондерсом (Saunders) и его сотрудниками, а затем - работ Вольперта и его коллег на презумптивном зачатке крыла цыпленка. Почка крыла цыпленка развивается вначале так же, как почка конечности амфибии. По мере того как эта почка удаляется от главной оси тела, образуя лопастевидную конечность, из содержащейся в ней мезенхимы формируется хрящевой скелет конечности. Первыми появляются проксимальные элементы, а затем дистальные, т.е. пальцы. Дефинитивный скелет конечности изображен на рис. 9-2. На основании экспериментов с использованием меток из частиц угля были составлены карты зачатков элементов скелета. Было установлено, что по мере роста почки конечности, происходящего в проксимально-дистальном направлении, к ней добавляются все более и более дистальные структуры. Вначале появляется плечевая кость, затем лучевая и локтевая, позднее кости запястья и наконец фаланги пальцев. Эксперименты, проведенные Вольпертом и его сотрудниками, показали, что в процессе этого проксимально-дистального роста регуляция выражена слабо. Если они удаляли с дистального кончика почки конечности покрывающую ее эктодерму (которая не индуцирует морфогенез конечности) и часть лежащей под ней мезодермы, то дальнейший рост конечности прекращался. Если эти ткани удаляли в ранние сроки, то развивалась только плечевая кость. Если их удаляли немного позднее, то формировались плечевая, лучевая и локтевая кости, но ни запястье, ни пальцы не развивались. Такая последовательность во времени хорошо соответствовала карте зачатков, составленной по результатам экспериментов с применением меток. Эта карта изображена на рис. 9-2 (под схемой нормального крыла). Следует отметить, что удаление ткани из развивающейся почки производилось задолго до появления каких-либо признаков морфогенеза или клеточной дифференцировки. Следовательно, план строения конечности подвергался воздействию до того, как становились заметными явные признаки дифференцировки. Чтобы объяснить полученные результаты, Вольперт высказал мнение, что клетки мезодермы, лежащие под концевой верхушечной эктодермой, составляют то, чему он дал название прогрессивной зоны. Мезенхимные клетки в этой зоне не детерминированы, но в результате деления и роста на дистальном конце позади них, на проксимальной границе, остаются клетки, детерминированные к формированию специфических структур крыла; однако какие именно структуры будут формироваться, зависит от того момента времени, когда дочерние клетки покидают прогрессивную зону. Чем позднее данная клетка покидает эту зону, тем дистальнее формирующаяся структура. Поэтому судьба каждой клетки детерминируется в зависимости от времени, а не просто от ее местоположения в зачатке.