Глава 8. Регулировщики формообразования

Тайны клеточной дифференцировки

То, о чем мы будем говорить в этой главе, не поддается ощущениям. В организме всех живых существ, даже одноклеточных, идут процессы формообразования. Живое строит формы в пространстве, по существу, завоевывает его соответственно определенным законам. Для построения той или иной формы нужно из разных частей составить гармоничное целое. Какие же приборы следят за дифференцировкой клеток и за целостностью всего организма? Это разные приборы или организм обходится каким-то универсальным регулировщиком пространственного расположения своих частей?

Как, вероятно, уже все знают, развитие любого живого существа идет по заранее намеченному плану. В каждую клетку организма как бы заложена своего рода перфокарта (генетическая программа), на которой записаны "инструкции" о строении всего организма. В то же время разные органы - и печень, и легкие, и почки, и сердце - несмотря на то что в каждой клетке заложен одинаковый код, различны по своей форме и по своему биохимическому составу.

Осуществляться это может при условии, что в каждой клетке работают или выдают информацию только те участки дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК, в которых хранится запись именно об этом органе. Остальная часть генетической программы, хотя она и присутствует, выключена или репрессирована.

Здесь мы сталкиваемся с очень загадочным и таинственным процессом. Как идет управление выключением одних участков ДНК и включением других в строгом соответствии с пространственным расположением клеток? Какими приборами контролируется этот механизм? Как из одной клетки получаются две клетки с разной пространственной программой? Грубо говоря, когда наступает тот момент, при котором клетка, разделившись на две, даст одну клетку, потомки которой образуют печень, и вторую, потомки которой образуют, например, почки?

Ответить на эти вопросы - значит решить первую половину проблем биологии развития: как одинаковое становится разным, то есть как дифференцируются клетки. Решения указанной задачи требует не только чисто научный интерес, но и сама жизнь, ибо многие болезни, неправильное развитие органов и другие врожденные дефекты есть не что иное, как нарушение дифференцировки клеток, разрегулирование тончайшего механизма, управляющего специализацией клеток.

Механизм дифференцировки можно начать рассматривать с одноклеточных животных - простейших - и одноклеточных водорослей. Природа как бы подарила экспериментатору клетки с довольно сложной структурой и гармоничной формой, и притом очень больших размеров.

В капле воды плавает голубоватая точка, видимая невооруженным глазом. Под микроскопом, даже при небольшом увеличении, она превращается в голубоватый рог. Это инфузория-трубач, или стентор. Размеры трубача (он может быть более 0,5 мм) позволяют резать его на части. Через несколько часов округлившиеся части клеток на наших глазах превращаются опять в самого настоящего трубача, только меньших размеров.

Это регенерация клетки, или восстановление, во время которой происходит пространственная дифференцировка различных участков трубача. Каждая часть в пространстве дает свою форму: в одном месте появляются реснички и образование, похожее на раструб, в другом, наоборот, происходит сужение заднего конца. Какие же приборы следят за формой восстанавливающейся клетки и откуда подается команда, как вести себя той или иной части клетки? Попробуем разобраться.

Видимо, сигналы идут от клеточного ядра и ДНК, заключенной в нем. Высказанное предположение подтверждается экспериментом. Если удалить ядерный материал из кусочка восстанавливающегося стентора, регенерация прекратится, кусочек округлится и погибнет. Значит, получается, что пространственной дифференцировкой заведует ядро и заключенный в нем генетический материал? Похоже, что так. Но как можно, используя линейный генетический код, предопределить местоположение каждой точки трубача в пространстве? Да еще провести пространственное кодирование в зависимости от размеров куска, из которого идет регенерация. Ответить на эти вопросы очень трудно, но предположить, что, помимо генетического кода, пространственной дифференцировкой управляют и другие факторы, можно. Тогда генетический код можно рассматривать как шифр, без которого невозможна регенерация и развитие живых форм.

В пользу необходимости присутствия генетического материала при формообразовательных процессах говорят также опыты с ацетобулярией. Ацетобулярия - водоросль одноклеточная, но клетка имеет внушительные размеры - два сантиметра, а иногда и больше. Внешним видом ацетобулярия напоминает маленький грибок или зонтик на тонкой ножке, а внизу, как корешки, расходятся так называемые ризоиды, служащие для прикрепления к субстрату. Казалось бы, ничего особенного, перед нами водоросль, похожая на грибок, но это сложно устроенный по пространственной дифференцировке организм - всего лишь одна клетка.

Ядро ацетобулярии находится в одном из ризоидов. Стоит микроскальпелем отрезать ризоид с ядром, и ацетобулярия станет безъядерной клеткой. Умрет ли она после этого? Оказывается, нет. Живет, да еще способна к регенерации. Отрежем у нее зонтик, он восстановится. Но только 1 раз. А у клетки с ядром сколько бы мы ни отрезали зонтик, он всегда будет восстанавливаться. О чем это говорит? О том, что ядро синтезирует впрок необходимые для регенерации вещества. Но этих веществ не так-то уж много - у безъядерной ацетобулярии хватает только на одну регенерацию.

В природе есть виды ацетобулярий со сплошным и изрезанным зонтиком. Это дает возможность проследить, как ядро клетки влияет на формообразование зонтика. Если у таких ацетобулярий отрезать зонтики и поменять ядра, то всегда восстанавливается зонтик той формы, какому виду принадлежит ядро. И опять не сняли мы вопроса, само ли ядро полностью заведует процессами формообразования зонтика или только шифрует пространственный код?

Проведенные опыты показывают, что ядро - один из "живых приборов" в клетке, следящих за ее пространственной формой. Но как согласуется это управление с формой, когда вместе оказываются тысячи клеток, кто или что дирижирует ими таким образом, чтобы вместе они работали как единая ткань или, более того, как орган и даже организм? Здесь начинается область научных догадок и предположений.

Ученые, занимающиеся раскрытием тайн дифференцировки клеток, прослеживают это на наиболее ранних стадиях развития организмов, когда клеток еще мало и можно как-то разобраться в их взаимосвязях, или же берут простые модельные системы и на них пытаются раскрыть принципы биокибернетики развития. Ибо даже сложнейшие кибернетические системы, применяемые в настоящее время человеком, далеко уступают отточенным в процессе эволюции механизмам управления в живом, а искусственных систем, кодирующих пространственную информацию, человек вообще пока не создал, если не считать голографии. Однако есть определенное отличие между голограммой и пространственным кодом живого. Каждая часть голограммы позволяет получить то же по величине изображение, но менее четкое, а каждая часть зародыша на самых ранних стадиях развивается в целый организм, только меньших размеров. На языке физики это звучало бы так - каждая часть голограммы может давать четкое объемное изображение, только меньших размеров. Но этого пока еще не создано.

А вот живые организмы в этом отношении творят чудеса. Проведем простой опыт. Под микроскоп положим оплодотворенное яйцо морского ежа - любимый объект эмбриологов. Яйцо вот-вот начнет дробиться. Ядро разделилось, а через некоторое время в оболочке яйца начинает появляться перетяжка. Стало две клетки - первые две клетки организма, называемые бластомерами. Теперь начнем экспериментировать. Отделим друг от друга эти две первые клеточки. У морского ежа это сделать просто: достаточно в пробирке с морской водой встряхнуть их как следует - и бластомеры разойдутся. Что же будет дальше? Прекратится дробление? Или из разделенных бластомеров разовьется по половинке животного? Ничего подобного. Через положенный срок из каждого бластомера сформируется целый, нормальный по форме морской еж, только размером в 2 раза меньше. Вот здесь-то и проявляется принцип "биологической голографии".

Взяв другое яйцо, дождемся, пока оно разделится на четыре клетки, и снова отделим друг от друга бластомеры. Опять получим четыре нормальных по форме морских ежа, но еще меньших размеров. А если бы клетки остались вместе, то каждая из них дала бы только четверть животного.

Итак, контакт клеток. Вопрос вопросов в формообразовательных процессах. Это он привел к ошибке немецкого эмбриолога Вильгельма Ру. Ру специальной иглой выжигал один из двух бластомеров лягушачьего яйца. Оставшийся бластомер, хотя еще и делился некоторое время (формируя "половинчатую" личинку!), в конце концов погибал. Поэтому Ру был убежден, что один бластомер сам по себе нежизнеспособен. Он не знал, что достаточно было тех крошечных обгоревших остатков разрушенного бластомера, чтобы другой бластомер воспринимал себя как половину зародыша. Это еще один принцип "биологической голографии" - даже незначительная часть клетки, контактирующая с целой, воспринимается как равный по формообразовательным процессам партнер. Стоило только аккуратно, волоском, разделить бластомеры, каждый из них давал нормального головастика.

Но продолжим опыт с морским ежом. Подождем, пока яйцо разделится на восемь бластомеров (рис. 11), и встряхнем пробирку. На этот раз ни из одного бластомера не получится нормальное животное. Каждый из восьми некоторое время будет делиться дальше, но потом погибнет. Значит, вот оно начало, когда клетки становятся неодинаковыми, то есть дифференцируются. Попробуем разобраться, что же в них произошло.

Даже не начавшее делиться неоплодотворенное яйцо устроено очень сложно - от верхнего до нижнего его полюса (как говорят биологи, от анимального до вегетативного) природа словно разложила по полочкам вещества, которые понадобятся для закладки различных органов. Через эти два полюса и проходят первые два деления. Первая борозда дробления делит яйцо пополам, вторая как бы разделяет на четыре части, и все по меридианам. Следовательно, в каждый бластомер понемногу попадает всего, что необходимо. А вот третье деление проходит по экватору, поэтому набор веществ в четырех верхних бластомерах отличается от набора веществ в четырех нижних бластомерах. В каждой четверке - не комплект, поэтому полноценное животное не может развиться.

В таком случае можно поставить эксперимент и перераспределить порядок веществ, заложенных в яйцеклетку. Тогда можно будет утверждать, что этот первичный порядок веществ в яйце и есть основа дальнейшей дифференцировки клеток. Эксперимент, подтверждающий это предположение, легко осуществим. Центрифугирование поможет по-новому перераспределить вещества в яйцеклетке. Как в сепараторе сливки отделяются от молока, так и в яйце, помещенном в центрифужную пробирку, пигментные гранулы отойдут к нижнему полюсу - они самые тяжелые, выше лягут белковые гранулы и, наконец, легкие капли жира окажутся на самом верху. Настоящий слоеный пирог сделали из яйца. Из таких "центрифугированных" яиц, видимо, уже ничего не разовьется.

Рис. 11. Дробление яйца морского ежа (А - F - стадии дробления)

Но ничего подобного. Развитие идет нормально, а отделенные бластомеры также дают правильно сформированные зародыши. Где же тогда центры, управляющие пространственным развитием?

Значительная часть ученых склоняется к мысли, что руководящая роль в дифференцировке клеток принадлежит организационному (организующему) центру. Остановимся детальнее на этой гипотезе.

Посмотрим, как идет дифференцировка клеток у зародыша. Развитие его начинается с одной оплодотворенной клетки. Однако несмотря на то что произошло оплодотворение яйцеклетки (в нее проник сперматозоид, и его ядро слилось с ядром яйцеклетки, привнеся свою генетическую программу), это послужило только толчком к развитию. Из нового генетического набора, возникшего после оплодотворения, поначалу не поступают никакие команды. Все развитие зародыша идет под контролем программы, заложенной в материнскую клетку еще до оплодотворения.

Когда американские исследователи Райт и Оно получили межвидовые гибриды, то оказалось, что изначальная материнская программа работает довольно долго. У амфибий, например, до тех пор, пока у зародыша не разовьются мышцы и не начнется сердцебиение, а у рыб и птиц отцовская программа молчит до самых поздних стадий развития зародыша. И связано это с тем, как полагают ученые, что не в ядро, а в цитоплазму яйцеклетки вложен организующий центр, который управляет развитием зародыша на ранних стадиях, до тех пор, пока не скажет своего слова генетическая программа зиготы. К этому времени зародышевая клетка много раз разделится, и в эмбрионе будут заложены все основные органы.

Значит, раннее развитие идет под контролем организующего центра, полученного непосредственно от материнского организма. Когда же образуются органы, клетки уже объединяются плотно друг с другом и обмениваются специальными веществами - органными индукторами, ингибиторами, стимуляторами и гормонами.

Чтобы ансамбль клеток работал как одно целое, каждая клетка должна знать, что творится с другими клетками. Действительно, так и происходит. Чем более дифференцируются клетки, тем теснее становится их кооперация через промежуточную межклеточную среду или же при непосредственном контакте. Так, английскому ученому Ю. Канно удалось показать, что между клетками эпителиальных (покровных) тканей устанавливается плотный контакт, появляются уже известные нам мостики, или десмосомы, через которые идет обмен электролитами и даже нуклеиновыми кислотами. Но знание клеток о состоянии своих соседей значительно обширнее, чем мы думаем. Ведь клетки развивающегося организма не только знают, где они находятся в теле, но даже знают, в какую часть органа они должны развиться, если их пересадить в необычное для них место. Это так называемая позиционная информация, с которой мы подробнее познакомимся позднее.

Совершенно иначе ведут себя клетки при нарушении дифференцировки. Один из примеров такого нарушения - злокачественный рост. Это ведь тоже потеря клетками специализации. В этом случае клетки обособляются и не получают информации от соседних клеток. Поэтому клетки злокачественной опухоли больше похожи на эмбриональные, хотя дальнейшие судьбы их в корне различны: эмбриональные клетки рано или поздно сформируют нормальный организм, а опухоль образует бесформенный комок клеток с отростками.

Причина, видимо, кроется все в том же организующем центре, который с самого начала руководит развитием зародыша и специализацией клеток. Сформированный взрослый организм такого центра уже не имеет.

Однако есть животные, у которых даже опухолеродные клетки могут превратиться в нормальные. Так, тритону можно привить опухоль или вызвать ее образование, вводя под кожу канцерогенные вещества. У части животных опухоль, уже начавшая развиваться, может через некоторое время рассосаться. Завидное свойство, которым не обладаем мы, люди. Но если тритону с опухолью удалить хвост (который, как известно, регенерирует), то опухоли исчезают чаще. Регенерационные процессы способствуют превращению злокачественных клеток в нормальные. Повышенная способность к регенерации у тритонов сама по себе загадочна. Можно провести аналогию между эмбриональными клетками и тканями тритона, как бы сохранившими материал организационного центра.

Дело в том, что у живых существ, способных отращивать недостающие части тела, восстановление того или иного пораженного органа чаще всего идет либо из сохранившихся в их теле малодифференцированных клеток, либо клетки дедифференцируются, то есть как бы возвращаются к эмбриональному состоянию. Затем эти специализированные клетки наращивают массу, а потом приступают к дифференцировке заново. Из них как бы вылепляется и развивается в пространстве недостающая часть.

С понижением регенерационной способности падает способность клеток дедифференцироваться.

Однако не всегда нарушение дифференцировки приводит к развитию злокачественных опухолей. Известно, что у человека и животных одна ткань может превратиться в другую, твердо специализированную. Правда, мы мало что знаем о механизме такого превращения. Описаны случаи, когда зубы и челюсти иногда развиваются в желудке. А исследователю кавказских диких козлов К. Н. Россикову приходилось встречать животных с сердцем, покрытым волосами. Это типичные случаи нарушения клеточной дифференцировки. Но во всех этих случаях есть одно неоспоримое отличие от клеток злокачественных опухолей. Клетки "забыли", какой орган они должны строить, они "спутали", но не утратили вовсе специализации, не стали независимым образованием, а работают согласованно, образуя, например, зуб или же целый плавник на голове ската,- иногда ихтиологи находят таких скатов при разборке улова со дна морского.

А можно ли вообще заставить работать генетическую программу заново и повторить развитие сначала, если взять ядро клетки, прошедшее значительный путь дифференцировки?

На этот вопрос, как известно, дан положительный ответ. Английскому ученому Гёрдону удалось вырастить вполне жизнеспособную лягушку из икринки, в которой собственное ядро было заменено ядром, взятым из кишечника, вернее, из одной клетки кишечника. Затем таких же лягушек вырастили, подсаживая в икринку ядра из клеток перепонок лапок. Но исследователи не остановились и на этом. Они пошли дальше. Р. К. Маккиннэлл со своими сотрудниками канцерогенными вирусами вызвал опухоль почки у лягушки, а затем взял из этой опухоли ядра и подсадил в икринки лягушек. Будут ли нормальными головастики? Головастики оказались нормальными (рис. 12).

Во всех этих опытах прослеживается основная мысль - цитоплазма клетки воздействует на генетический аппарат и заставляет заново работать репрессированные участки ДНК. Что же касается ядер, взятых и опухолевых клеток, то опыты показывают, что само заболевание часто возникает из-за разладки генетического программирования, а не из-за нарушения в самом аппарате генов. В этом случае возникает нежелательная для организма дифференцировка или, может, даже разлад дифференцировки. Правда, некоторые ученые в этом сомневаются, потому что Маккиннэлл не дорастил головастиков, полученных из икринок с ядрами, взятыми из злокачественных опухолей, до лягушек, как это сделал Гёрдон при пересадке в икринку ядер из нормально дифференцированных клеток. Кто знает, может быть, после того как лягушка доросла бы до взрослого состояния, у нее в почке появился бы рак. Сомнения обоснованны. Но опыты с химическими канцерогенными веществами все-таки подтверждают, что гипотеза о нарушении генетической активности из-за раздифференцировки клеток или их репрограммирования ближе всего к разгадке сущности рака.

Рис. 12. Пересадка в икринку лягушки клеточных ядер из эпителия кишечника и из опухоли почки

А на очереди опыты по пересадке ядер из дифференцированных клеток в яйцеклетки млекопитающих. Правда, технически это сделать труднее, чем с икринками лягушек или рыб: яйцеклетки у млекопитающих в сотни раз мельче и развитие зародыша идет внутри материнского организма. Но и эти трудности ученые стараются обойти и уже работают над эктогенезом, то есть конструируют специальные аппараты и выращивают в них зародыши. Другое направление - подращивание дробящейся яйцеклетки в пробирке, а затем подсадка ее в полость матки приемной матери. В принципе самая необычная вещь открыта: из большинства клеток взрослого организма можно вырастить точные копии того существа, от которого взяты ядра клеток. Биологи уже начинают широко использовать этот процесс, называемый клонированием.

Итак, перед исследователями стоит задача раскрыть механизм воздействия организующего центра на наследственный аппарат. Возможно, что после раскрытия этих связей человек вплотную подойдет к управлению дифференцировкой клеток. Так как же устроен организующий центр - прибор, определяющий порядок работы генов, а может быть, и ведающий пространственной дифференцировкой?

Эмбриологи давно обратили внимание, что в яйцеклетках есть важная зона, после удаления которой развитие приостанавливается. Эта зона часто выявляется морфологически как у беспозвоночных, так и у позвоночных, правда, строение ее может быть различным.

У моллюска денталиума еще до начала деления оплодотворенной яйцеклетки на одном из полюсов выявляется обособленная часть. Она светлее других частей яйцеклетки и отделена от нее небольшой перетяжкой (рис. 13). Это и есть "живой прибор", следящий за развитием. Его называют полярной лопастью, или организующим центром. Без организующего центра, так же как и без генетической программы, развитие организма прекращается. Простой опыт подтверждает это - если микроскальпелем удалить полярную лопасть, развитие остановится.

Рис. 13. Полярная лопасть в яйцеклетках моллюска денталиума

Рис. 14. Организационный центр в яйцеклетках: 1 - морской еж - пигментированная полоса; 2 - асцидия и лягушка - серп

Казалось бы, бери эту лопасть и исследуй. А между тем посмотреть, как циркулируют вещества между яйцеклеткой и лопастью, пока не удалось. Трудно, не повреждая клетку, вести исследование внутри нее. Видимо, не в одном химическом составе дело, сама структура организующего центра тоже важна. Пока это образование остается загадочным.

В яйцеклетках других животных организующий центр может и не быть так четко выделен, как у моллюска денталиума. Так, у асцидий и амфибий на одной стороне яйцеклетки можно различить образование желтого или серого цвета - желтый или серый серп (рис. 14). У морских ежей это уже не серп, а полоска. Почти в каждой яйцеклетке можно найти образование, которому предназначено выполнять роль прибора, следящего за развитием. Химический анализ этой области показывает, что в ней сосредоточено большое количество нуклеиновых кислот (РНК), здесь же накапливаются запасы желтка и другие высокоэнергетические вещества.

Если яйцеклетку разделить на две части, в одну из которых попадет весь организующий центр, а вторая часть останется без него, то судьба этих частей будет различна. Та часть, где окажется организующий центр, даст нормально сформированный зародыш, только меньших размеров. Часть, где организующего центра не было, округлится, клетки в ней еще некоторое время будут делиться, но никогда нормального зародыша не получится, будет только комок клеток.

Рис. 15. Опыты с развитием перевязанного зародыша стрекозы

Вот пример такого разделения. Яйцеклетка лягушки после первого деления образует два бластомера. Каждому из бластомеров достается ядро, а вот организующий центр не обязательно. Все зависит от того, как прошла борозда дробления. Если она пройдет через серый серп, то его части попадут в оба бластомера. Если такие бластомеры разделить микроинструментами, каждый из них разовьется в полноценный зародыш. Другое дело, когда борозда дробления прошла мимо серого серпа, тогда в один бластомер попадает весь организующий центр, а другой оказывается без материала серого серпа. Если не отделять бластомеры, то развитие будет нормальным. Но при разделении бластомеров друг от друга искусственным путем получим картину, о которой уже говорили. Бластомер с серым серпом даст нормального головастика, а впоследствии лягушку, бластомер без серого серпа не будет развиваться.

Сходная картина наблюдается у насекомых, например у стрекозы. У нее удлиненное яйцо, и организующий центр лежит как бы в хвостовой части. Если после нескольких делений тонким волоском перевязать яйцо пополам, то нижняя часть с организующим центром даст хотя и карликовый, но нормально развитый эмбрион, в то время как верхняя часть, не получая нужных команд, приостановит свое развитие (рис. 15).

Среди ученых нет полной договоренности, что считать критерием дифференцировки или специализации. Во всяком случае, дифференцировка заканчивается тогда, когда клетка перестает получать сигналы от организационного центра или от других клеток, а главное - перестает перестраивать свою генетическую программу. В полностью дифференцированной клетке работают только строго определенные гены, то есть в ней работают те участки ДНК, которые ответственны за синтез белков в том органе, где находится эта клетка. Если этот порядок нарушить и в клетке начнут работать гены, которым надлежит "молчать", то тут-то и возникают опухоли. В дифференцированных клетках они возникают чаще, ведь на них уже не оказывает влияния организующий центр, который в раннем детстве ведет клетки "за ручку".